基于MapGIS-K9软件的城市三维地质建模方法探讨——以武汉市为例

基于MapGIS-K9软件的城市三维地质建模方法探讨——以
武汉市为例
许珂;徐亚杏
【摘要】随着我国城市化的快速发展,城市地上地下一体化规划和建设的需求逐渐增大,城市三维地质建模的作用日益重要.以武汉市为例,针对该城市地质条件复杂的情况,运用一种分区交互式建模方法.该方法通过地层剖面数据与水平方向的中断面或地质图所形成的网格作为最小单位,结合断层等特殊地质情况,手动构建地质体,并最终完成整个区域的三维地质模型建立.论文罗列了在模型建立过程中出现的问题,并给出了具体建议.所建三维地质模型已通过野外验证,表明本方法能够很好地应用于城市三维地质建模.
【期刊名称】《华南地质与矿产》
【年(卷),期】2018(034)003
【总页数】9页(P244-252)
【关键词】三维模型;城市地质;分区交互式建模;MapGIS-K9
【作者】许珂;徐亚杏
【作者单位】中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉430205;武汉工程大学,武汉430205
【正文语种】中文
【中图分类】P285
随着GIS 技术的大力发展，国内外越来越多地将三维建模技术用于城市地质、矿产、油气、水利水电工程、城市规划等领域。

三维模型的建立带给人们的不仅是
直观的视觉感受，更重要的三维建模软件强大的三维分析功能可以直击模型内部，可为国土、规划等行业提供直观、便捷的决策工具[1]。

2010年以来，北京、天津、广州、济南、杭州、厦门、重庆等大城市也陆陆续续建立城市三维模型并将其服务于城市规划、地铁隧道选线施工、新城建设、重点工程选址、资源开发等方面[2-8]。

目前国内外已有的建模方法按照建模所使用的数据源大体可分为基于钻孔数据建模、基于剖面数据建模、基于三维地震资料建模以及基于多源数据建模四类[9]。

钻孔数据建模是将标准化后的钻孔数据入库，建立钻孔模型，继而通过分层信息计算机自动建立模型的过程。

该方法自动化程度较高，但是建模精度较低，只适用于地
质现象非常简单的地区。

剖面数据建模是通过相互交叉的剖面模型，逐层生成地
层曲面，并构建地质体的过程。

该方法可在建模过程中增加控制点，控制地层走势，精准度相对较高，但仍不能解决透镜体、地层倒转等复杂地质问题。

三维地震资料建模需要结合多种物探资料软件自动构建而成。

该方法资料获取较复杂且无法人工干预。

多源数据建模是结合钻孔数据、平面数据、剖面数据，等值线数据等
众多地质成果数据，通过人机交互的方式构建模型。

该方法可适用于地质条件复
杂地区的建模，精准度较高。

目前国内外地质领域三维建模软件主要有美国开发的针对地下三维建模、分析以
及可视化的CTech，法国Nancy 大学开发的主要应用于地质领域的三维可视化
建模软件GOCAD [10]，澳大利亚Maptek 公司开发的侧重于地表及地下三维数据处理的地质三维建模软件Vulcan，中国地质大学（武汉）信工学院的MapGIS-K9 和计算机学院的QuantyView 以及北京航天航空大学开发的Geo-
Mo3D。

MapGIS-K9 作为我国完全自主知识产权的GIS 软件，拥有强的空间数
据管理、集成和分析能力，在国内三维建模领域应用较为广泛。

就三维建模来讲，该软件自动建模功能强大，运算速度较快。

并且该软件提供了较多的人机交互建模的功能，便于人工处理复杂的地质现象。

本文将基于MapGIS-K9 平台，根据武汉复杂的地质情况，运用多源数据分区交
互式的建模方法建立涉及武汉域内汉阳幅、金口幅、武汉幅、武昌幅、横店幅和茅庙幅六个标准图幅（以下简称武汉区域六个图幅）基础地质三维模型，并重点阐述了该方法在建模过程出现的技术难点及解决办法。

该方法结合了多源数据建模和剖面建模的优点，并且通过多条网格的分区，更加严格控制了地层的走势，给建模
人员提供了更多的客观参考，大大提高了模型的精度和客观性。

1 三维地质建模数据准备
1.1 三维模型数据结构
三维地质数据结构实质上是研制地质三维可视化软件的基础和核心，主要对空间对象的几何特征和空间联系等空间特征进行反映。

宏观来看，三维模型就是由若干
个不规则地质体构成；微观来看，三维模型由点、结点、弧段、三角面、子面、体、地质属性、地质要素共8 个部分组成。

点即是三维空间中的坐标点。

结点是三维线段上的端点，记录了点与点相关联的弧段列表。

线段是由点和节点连接而成的线段或曲线，也称为弧段，地质结点之间连接的拓扑关系即为弧段，它是构建地质面的重要模型。

线段分为很多类，主要有地质分界线、断层线、辅助线等。

三
角面将空间中的三个点以一定的顺序进行连接形成三条边，三条边两两相交，即形成了三角面。

它包含了地质点信息和拓扑信息。

子面由三角面列表组成，三角面的法向必须保持一致。

本文中的地质面即是子面，它是构成地质块体的基本单位，多个地质面的拓扑关系由地质线来表达。

体由多个子面通过连接、缝合、合并组成，体具有非空、有限、连续和闭合的特性，文中所说的地质体就是由若干个体构
成。

地质属性是对地质要素的时代、成因、岩性等含义的描述。

地质要素是由空
间几何体附上地质属性而形成，多个简单地质要素组合就形成了复杂的地质要素[11]。

1.2 三维模型数据准备
武汉地处江汉平原与鄂东丘陵的过渡地带，出露地层主要为第四纪，相变复杂；基岩分布广泛，断裂十分发育，地质情况相对复杂。

MapGIS-K9 平台提供的钻孔
全自动建模和分区图自动建模方法都不适用于复杂的地质情况，而且建出的模型精度不高，只适合于示意模型。

钻孔全自动建模法是在工程地质领域使用较早且比
较成熟的建模方法。

其主要是利用钻孔、剖面等数据，再结合地质学的规律和数学算法，模拟未知区域的地质数据，从而建立整个区域的地质模型。

但是该方法对钻孔的数量及标准化的要求极高，且只适用于沉积型地层。

分区图自动建模方法是
利用各地层的分界线和各地层顶底板埋深等值线进行差值，形成三维面模型，再
将各自的顶底板面模型组合成体建模思想。

分区图建模只适用于水平分布的第四系地层，对于基岩却无能为力[11]。

鉴于此，本文考虑采用基于剖面数据的分区交
互式建模方法建立模型。

该方法主要是通过地层剖面数据与水平方向的中断面或地质图所形成的网格作为最小单位，并结合断层、地层倒转、基岩出露等特殊情况，手动构建地质体，并最终完成整个区域的三维模型建立，具体流程如下（图1）。

下文以汉阳幅为例，利用13 条两两交叉的剖面，1 幅第四系地质图，1 幅等高线图，1 幅基岩地质图、1 幅基岩等深线图、34 条断层面作为原始数据，分格进行
模型建立。

2 三维地质建模具体方法
2.1 地质图的导入
三维空间中描述的地质模型，是二维地质图中地质界线、地质区文件以及等高线入库后共同插值的结果（图2）。

等高线作为线模型，不能完全表达图幅内的地层
起伏情况，这就需要利用已知高程点的值和适当的空间内插值函数来计算大量未知点的高程，继而模拟出尽可能真实的地层起伏情况[12]。

三维模型中使用较为广
泛的插值方法是距离反比法和kriging 法。

本文使用的是kriging 法，其原理是在空间相关范围分析的基础上，用其范围的采样点来估计待插点属性值[13]。

其方
法优点在于考虑了已知点的“丛聚效应”和空间属性的各向异性，真正实现了线性、无偏和最小估计方差的估计，插值结果更加精确。

尤其是在数据点比较多的情况下，其内插的结果可信度较高[14]。

基岩地质图也用同样的方法导入进三维模型中，作为后期交互式建模在基岩层顶板（或是第四系底板）的参考。

2.2 剖面的导入
剖面数据主要是在垂直的折平面上反映地层的空间变化信息。

根据实际材料图上
的实测剖面线，用中地公司的section 软件，以第四系地质图和地形线、基岩地质图和等深线作为底图，切出指定位置剖面的地表线和基岩表层线。

随后根据地质人员实测和钻孔数据，通过对建模区域地层的整体认知最终确定二维剖面。

图1 城市三维地质建模流程图Fig. 1 Flow chart of urban 3D geological modeling
图2 第四系地质图建模流程Fig. 2 Modeling process of the quaternary geological mapa.汉阳幅地质线要素；b.汉阳幅地质面要素；c.汉阳幅等高线要素；
d.汉阳幅地质面三维模型
二维剖面入库建立三维剖面模型，需要三个要素：地层面文件、地层线文件和钻孔轨迹线文件。

其中，地层面文件和地层线文件是由上述二维剖面直接获得的，而钻孔轨迹线为钻孔轨迹在剖面上的投影，需要稍做处理。

钻孔轨迹线的起点位置就
是钻孔的孔口标高点在剖面上的投影，是为了二维剖面反投影到三维空间起到定位作用，并依此计算x、y、z 方向比例尺。

一个二维剖面上最少需要两条钻孔轨迹，关键字段（表1）。

二维剖面数据入库前最重要的是检查交叉处一致性。

因为在没有导入三维空间之前，各剖面之间空间关系不够直观，而剖面上地层线的描绘受到地质人员认知不同的约束，所以不能保证交叉处的地层厚度是一致的（图3）。

因此，要在交叉处建立虚拟钻孔作为控制点，在编绘过程中严格控制地层厚度。

虚拟钻孔数据是基于已有地质信息进行合理推测获得的。

专业地质人员参考周边已查实的钻孔、剖面等地质资料，根据地层形成和演化规律，可推测出虚拟钻孔所在位置处地层的分层和层厚情况。

表1 钻孔轨迹线数据表Table 1 Data table ofDrill track
图3 剖面交叉处一致性检查Fig. 3 Consistency check of profile intersectiona.剖面导入三维空间后出现交叉处不一致的问题；b.交叉处一致性处理后的剖面三维模型；c.经过剖面一致性处理后的汉阳幅剖面三维模型
2.3 分区交互式建模方法
分区交互式建模方法是在剖面划分的每个小单元格网内构面造体的过程，并采取层层构建的思想，自上而下（或自下而上）选择每一个层面的顶（底）部轮廓线进行构建。

如果地层完全跨越一个或若干个单位格网，那么地层顶面边界则由4 条剖面对应的地层线构成。

本文采用约束Delauny 三角化的方法构建顶面，该方法是在地层边界线所组成的多边形区域内，插值若干离散点并将这些离散点按照Delaunay 规则等进行三角剖分，形成连续而不重叠的三角面片网，以此来描述地层表面。

如果地层在某个或若干个剖面格网内尖灭，则结合钻孔、剖面、纸质资料以及野外勘察经验，确定尖灭线走势，构建地层顶底板，并封闭造体。

2.4 断层的处理方法
当单元格内存在断层时，必须优先构建断层面。

利用地质图和地层剖面上的地层线，形成网格内的断面；再利用断层面和剖面的约束来构建其他地层界面。

具体方法如图4 所示：line1 为地质图上带高程值的断层线，line2 和line3 为剖面上
的地层线，三条线基本确定了断层面的走势。

Line4 为手动添加的辅助线，4 条线组成一个圈闭的四边形，最终构面形成断层面。

以此类推，构建出整个汉阳幅的
断层面。

2.5 相邻地层顶底共用的问题
众所周知，一般情况下地层与地层之间是相互依存、紧密结合的。

在建模过程中，如果把一个个的地层单独来建立，就会出现地质体之间在空间关系上的分离、重叠或是交叉。

要想保证地质体在空间关系上唯一性，就要解决相邻地层顶底板共用
的问题。

相邻地层的顶底板有“包含”、“被包含”和“相交”三种关系。

下面以自下而上构建模型的方式分别对三种位置关系进行阐述。

图4 断层构建示意图[11]Fig. 4 Diagram of fault constructiona. 根据地质图、
剖面上的剖面线分格构建断层圈闭线；b.分格建立断层面；c.汉阳幅所有的断层面(1)地层B 的底面包含地层A 的顶面：首先根据钻孔资料、剖面图及野外人员的判断，确定地层A 的尖灭线走势，继而构建地层A 的底面和顶面（图5-a）。

此时，地层A 的顶面完全包含于地层B的底面，用与地层A 同样的方式确定尖灭线后，用地层A 的尖灭线和地层B 的尖灭线以及除去地层A 之外的属于地层B 的剖面线构建地层B 其余的底面，地层A 的顶面和地层B 其余的底面则构成了地层B 全
部的底面（图5-b）。

(2) 地层B 的底面被包含于地层A 的顶面：首先确定地层A 的尖灭线，再确定B
的尖灭线，分别构建二者的底面（图6-a）。

地层A、B 尖灭线，以及地层A 的
剖面线构成地层A 顶面的一部分，连同地层B 的底面组成完整地层A 的顶面（图6-b）。

如果此时再用图5 所示的方法构建模型，则会出现地层A 顶面和地层B
底面不共面的情况。

(3) 地层B 的底面与地层A 的顶面相交：图7中红色虚线、蓝色虚线分别为地层
A 和地层
B 的尖灭线。

从二维平面图上可以看出，地层A 的顶面与地层B 的底面
是相交的关系，并且交于点E（图7-a）。

但是在三维空间中，由于高程值不同，地层A和地层B 的尖灭线不一定相交于点E，如果以此构造地质体，则会出现两
个地质体之间有缝隙，或是同一区域出现地质体重叠的情况。

本文的做法是在三维空间中明确地质体A 的尖灭线，然后确定地质体A 和B 尖灭线的交叉点，并在
地质体A 的尖灭线上在交叉点做剪断处理，地质体B 的尖灭线至少由该交叉点和
剖面1、剖面2 的尖灭点组成，保证了地质体A 顶面和地质体B 底面相交部分共面。

用同样的方式确定地质体A 尖灭线和地质体C尖灭线的交点F，并构建相交面，则B 底面、C 底面和A 顶面共同构成了地质体A 的全部顶面（图7-b）。

图5 相邻地层的顶底板有“包含”关系Fig. 5 The top and bottom plates of adjacent stratum have an "contained " relationship
图6 相邻地层的顶底板有“被包含”关系Fig. 6 The top and bottom plates of adjacent stratum have an "be contained " relationship
以上只是通过清晰单一的地质现象阐述相邻地质面之间的空间关系，但是在实际
建模过程中，会遇到很多复杂地质结构，甚至基岩出露、透镜体、断层等地质问题。

把握好地质面间空间位置的逻辑关系的大原则，多做辅助线，按照从线到面、从面到体、从局部到整体的方式进行构建，复杂的问题都会得到解决，这里不再赘述。

当每个单元格内地质界面构建完成后，将相同地层的地质界面进行闭合处理，生成单独的地质块体，每个块体都具有一定的地层属性（岩性、岩相、时代），将单
元格内具有相同地质属性的相邻块体进行合并，最终形成以地层为单位的地质体
模型。

这些地质体的属性是从弧段属性传递到面属性，再传递给块体模型的。

依
此方法，我们完成了武汉区域六个图幅的三维地质模型（图8）。

借助于MapGIS K9 这个平台，我们在构建武汉三维模型的过程中，还建立了武
汉城市地质数据库，按数据类型、地层成因将模型分类存储，便于后期对三维模型的查询、修改、更新等操作。

3 讨论
图7 相邻地层的顶底板有“相交”关系Fig. 7 The top and bottom plates of adjacent stratum have an "intersecting " relationship
图8 武汉区域六个图幅三维地质模型（1∶100000）Fig. 8 Six 3D geology model of Wuhan region（1∶10000）
本文通过多源数据分区交互式的建模方法构建了武汉地区三维模型，说明了该方
法的建模流程，并重点阐述了在建模过程中如何解决剖面交叉处一致性检查、断层构建以及相邻地层顶底共用的问题。

首先，这三个问题的处理方法能够极大程度
提高建模人员的工作效率；其次，分区建模用剖面模型将建模地区分成若干个小格子，即增加了若干个边界约束，这样不仅能给地质人员、建模人员提供更多的地质剖面作为参考，增加建模准确性，也能提高模型精度；再次，该建模方法有利于
模型的后期维护。

随着地质调查成果的不断完善，可对与实际不符的模型区块单
独进行调整，不涉及相邻区块单元，降低了后期模型更新的工作量。

但在建模的过程中，也发现了几点需要注意之处：
（1）针对武汉复杂的地质情况，剖面数量还不足够理想。

以汉阳幅为例，汉阳幅面积450 km2，横竖共13 条剖面，平均一个建模网格大约22 km2。

在分区建模的过程中，一些关键部位无法确定地层线的走势，只能依靠地质人员的推测。

如
果能够增加剖面数量，或是在特殊地质现象处多增加钻孔数据，加以控制，则构
建的三维模型更加客观、准确，针对性更好，但是无疑增加了很多的野外工作量，需要更多的地质成果作为支撑。

（2）由于剖面是在section 里切地形线得到的，而三维模型中的地质图是通过克里金插值得到的。

插值方式不同，得到的结果也不同。

所以剖面模型和地质图模
型在Z 值上可能有细微差别。

如果以剖面模型为准，则在分区建模过程中，每格
地层边界必由剖面上的地层线组成，由于剖面线严格控制地层面的高程，导致合
并后的地质体表面呈小格子状，不够美观。

本文建议直接用地质图面模型与根据
剖面构建地质体底面结合构建地质模型，使得地质模型在整体上看起来自然、美观。

（3）基于武汉地区地质特点，地质模型分为第四系和基岩两个部分。

第四系水平堆积，基岩垂直分布。

在第四系底面（即基岩顶面）的构建的时候，要解决共面
的问题，逻辑关系非常复杂，容易混乱。

本文采用的方法是：将基岩地质图模型面面合并成一个大面，再确定第四系底面地质分界线，用分界线去分割该大面，得到若干个地质面，分别为第四系地层底面。

（4）在建模过程中，对于比较薄的地层，由于三角网格生成规律，可能会出现局部底部高于顶部的情况。

建议多增加几条辅助线，控制三角网生成高度。

（5）模型建立后，通过切割模型发现，有些地质体会有不封闭的情况。

如果此时修改模型，可能会导致相邻地质模型的重新构建。

建议构建地质模型后及时进行体封闭检查，避免增加工作量。

4 结论
本文根据三维模型数据结构特点，结合武汉地区地质条件的复杂程度，提出一种分区交互式建模方法。

该方法通过地质剖面、地质图、断层作为约束，手动构建地
质体，能够更加精准的表达地质工作者对调查区域地质情况的认知，也为使用者提供更加客观真实的辅助决策工具。

模型建立后，地质人员对该模型进行野外验证，证明基本与实际情况相符，可供地质工作者、规划建设部门使用。

同时，在建立
武汉三维地质模型的过程中，遇到了一些问题，本文也进行了罗列并提出了建议。

随着我国城市化的快速推进以及城市地质调查工作的大幅度开展，本文研究成果也将为其他城市开展类似建模工作提供借鉴。

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