工程地质三维模型构建方法及应用

袁亚平，刘向东

（1.陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安 710068；2.陕西省矿产地质调查中心，陕西 西安 710068）

近年来，三维地质建模在城市地质领域被广泛关注，三维模型能带给人直观的视觉感受，更能直接展示不同地质对象的空间结构特征与关联关系。本文介绍的工程地质建模的方法主要有两种，一是自动化建模，即利用地质构造信息（走向、倾角）、区域地质图、地层埋深等值线、地形数据、地层压覆关系、钻孔、物探、气象水文等属性数据作为约束数据，采用插值算法快速形成地质体模型。另一种为人机交互式建模，先根据建模区域的地质地貌特点，利用地质地貌图、地形图、地质测试分析数据、钻孔等多源数据绘制多条平行和横纵交叉的剖面，将建模区域分割为若干个独立的单元格，借助软件工具，对独立的单元格进行地质三维模型构建，最后将单元格拼接，形成整个工作区的工程地质三维结构模型。

工程地质三维模型的构建，为咸阳市地质专业技术人员和管理者提供规范化、综合化、智能化的地质专业工作平台，为政府决策、城市建设规划、重大工程建设、城市地质资源的合理开发利用及文物保护等提供地质科学依据，提升城市科学发展和管理水平，更好地促进城市经济社会全面协调发展。

1 工程地质三维模型构建

项目在开展过程中，针对工程地质结构三维模型的搭建，采用人机交互式单元格分割-拼接建模方法[1]。工程地质三维模型构建具体流程，如图1所示。结合图1下文对工程地质三维模型构建过程做详细介绍。

1.1 采集数据

工程地质建模所需的数据，主要有工程钻孔数据、地下水位、水质监测井、地层埋深等值线、地质地貌图、水文地质图、DEM、遥感影像等数据；纸质工程地质剖面图和剖面平面部署图；PDF或WORD格式成井报告数据等。在工程地质数据采集过程中，充分收集多源建模数据，运用交互式建模技术实现对工程地质的精细化建模。

1.2 工程地质剖面处理

在三维建模之前，需要对导入的工程地质剖面进行处理，主要有剖面的矢量化、拓扑、剖面区赋属性、钻孔轨迹线赋属性等，为了避免剖面产生“生硬”的现象，专业技术人员结合咸阳城市地质的特点及自身丰富的地质工作经验做出合理的工程地质剖面图，能真实的反应区域地形、地貌特征、地质构造特征、地下水位变化特征、含水和隔水层的分布特征，形成较为真实的剖面边界数据[2]。

1.3 剖面一致性检查

通过本次工作，发现外部剖面数据在矢量化和属性数据录入完成导入三维建模软件的过程中，会出现经过同一个钻孔的不同剖面地层有误差的现象[3-6]。

为解决这一问题我们利用平差处理技术对剖面进行了一致性检查，检查内容有：属性一致性检查、厚度一致性检查、分层界限一致性检查[7]。针对相交的剖面之间进行检查，确保属性结构一致、相交剖面处的剖面厚度一致、分层界线一致。如图2所示。

1.4 三维模型构建步骤

1.4.1 构成单元格模型

剖面通过一致性检查处理后，成批或单独导入三维模型构建软件中，选用“单元格自动生成”功能，将工作区划分为多个单元格，采用“分治”的方法对复杂模型进行构建，如图3所示。

1.4.2 封闭线构面

技术人员结合工程地质剖面及钻孔数据的空间分布特征，利用软件的“封闭线构面”功能，进行构面（图4）操作。

当需要构面的线是曲线，通过添加、移动点的位置来搭建辅助线，然后利用软件自动计算投影面功能，构建封闭的面[8]。

图4 封闭线构面功能软件界面

1.4.3 封闭面构体

利用软件中“面构体”功能，通过双击选择目标面对体进行构建，第一个构体的面选择剖面上的面，确保所构建的体继承剖面的属性，通过“判断封闭性”功能，确保构建封闭体，如图5。

图5 封闭面构体功能软件界面

1.4.4 封闭体构建单元格

单个单元格模型构建完成后，对各个单元格进行合并操作，形成最终工程地质体三维模型，如图6所示。

图6 工程地质三维模型

2 三维模型的应用

提供的服务：

工程地质三维模型的构建为咸阳政府城市规划、交通管理、地质勘探、工程施工、防震减灾、文物保护、地下空间开发等提供地质数据支撑服务；为社会公众提供地质科普服务；为专业技术人员提供可视化的地质数据，实现了从三维角度分析、评价各类土体的物理力学性质等服务[9]。

3 结论

咸阳城市地质项目构建了三维可视化的工程地质模型，建模通过多源的工程地质数据约束及地质技术人员丰富的工作经验，应用基于MapGis-k10的专业建模软件，利用交互式建模的方法，构建成咸阳工程地质模型。

城市地质项目的开展，不仅对地质数据标准化进行了规定，同时也提供了三维可视化模型的多种地质数据查询、展示、分析、模拟等功能，为咸阳城市地质调查提供了地质科学依据。