基于ArcGIS的三维地质建模方法研究_盛雷.pdf

江西建材规划设计与勘察1452023年1 月作者简介：盛雷（1981-），男，山东青岛人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程。基于 ArcGIS的三维地质建模方法研究盛 雷1，孙 洋1，于千桐1，孙海楠2，赵 合2，苏 雷3 1.青岛市政空间开发集团有限责任公司，山东 青岛 370722；2.青岛上合基石投资发展集团有限公司，山东 青岛 370722；3.中铁三局集团有限公司，山东 青岛 370722摘 要：三维地质建模对推进地质勘察工作有着重要的实践意义，能够直观地表达各种地质结构、地质现象间的拓扑关系，迅速提高专业技术人员对地下空间的认识。文中介绍了一种基于 ArcGIS软件平台构建三维地质模型的方法，并以中铁三局青岛上合示范区交大大道地下交通配套工程项目进行实例展示。关键词：三维建模；ArcGIS；地层；可视化 中图分类号：TU74 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0145-03Research on 3D Geological Modeling Method Based on ArcGIS Sheng Lei1,Sun Yang1,Yu Qiantong1,Sun Hainan2,Zhao He2,Su Lei31.Qingdao Municipal Space Development Group Co.Ltd.,Qingdao,Shandong 370722;2.Qingdao Shanghe Cornerstone Investment Development Group Co.Ltd.,Qingdao,Shandong 370722;3.China Railway Third Engineering Group Co.Ltd.,Qingdao,Shandong 370722Abstract:3D geological modeling has important practical significance to promote geological investigation work,which can visually express various geological structures and topological relationships among geological phenomena,thus rapidly improving the professional and technical personnels understanding of underground space.This paper introduces a method of constructing 3D geological model based on ArcGIS software platform.Key words:3D modeling;ArcGIS;Stratigraphy;Visualization0 引言三维地质建模是加拿大Simon W Houlding于1993年提出的一种利用计算机技术，在三维环境中集空间信息管理、地质解释、空间分析与预测、地质统计、实体内容分析和图形可视化工具为一体1，用于地质分析的技术。由于地质现象的复杂性，三维地质建模的理论和方法、主要技术应用研究和软件开发都集中在采矿和地球物理勘探领域2。近年来，随着计算机技术和空间信息技术的发展，三维地质建模在地质领域的作用日益突出，在过去的十年中，已经取得了一些成就。三维动态显示方法为地学建模提供了立体模型，可视化功能为勘探和实验工作提供了检查和说明途径，统计和交互式空间变换分析工具使地质研究增强了分析能力和灵活性，便捷的任意切割分析和空间估计技术增强了探索空间不确定性的能力，同时减少了工作量。通过三维地质建模，可以把空间分布不均匀、不连续、通过野外工程勘测或其他仪器测量获得的散乱的地质信息，通过数学曲面和拟合与现代计算机图形学的方法，变成可视连续、形象直观的三维地质模型和图形图像3。三维地质模型能够直观地表达各种地质结构、地质现象间的拓扑关系，迅速提高专业技术人员对地下空间的认识，最大限度发挥空间信息优势，为地质勘探、矿产资源开发利用以及城市地下空间管理等提供辅助支持4。经过专业人员几十年的分析研究，该领域涌现出一批三维地质建模软件。常用软件包括 GOCAD、Surpac、XModel、DMine、ArcGIS等，将强大的二维空间分析功能和三维动态可视化显示功能相结合，弥补了二维空间分析的不足，并能集成地层数据库创建、地质三维建模、空间分析和属性统计等功能，在一定程度上满足了地质研究的需要。它不仅在管理地理数据方面功能强大，而且对地理空间分析、评价、预测和辅助决策也很有帮助，既有提取、传输、计算和分析功能的空间分析模块，也有三维扩展模块的空间分析模块，常常被直接应用或进一步开发，用于数据库的构建、所绘制地图的编辑，以及空间信息和相关数据的三维可视化5。随着科学技术不断发展，三维可视化技术被广泛应用于地质勘察及工程建设中，对地质工作的发展起到了极大的推动作用。相比于二维地质分析，三维可视化技术的应用使地质从业者对地层空间分布特征的感知更加直观，分析结果更加精准。因此，三维地质建模在地质工作中的价值越来越重要。本文对青岛上合示范区交大大道地下软土地层进行了研究。利用 ArcGIS平台，通过整理钻孔数据，并结合相关地质资料建立了研究区三维地层模型。1 ArcGIS简介地理信息系统（GIS）技术在管理分析空间信息和相关数据方面功能非常强大，是利用计算机技术存储、分析和表达地理空间信息的重要方法。目前，该方法已经成功地应用于资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、江西建材规划设计与勘察1462023年1 月交通、石油天然气以及教育等方面6。其中，ESRI公司开发的ArcGIS软件具有较强的三维空间数据处理和表示能力。在大数据时代，ArcGIS是一个集创建地图、编译地理数据、管理数据、可视化和空间分析处理等功能于一体的地理信息处理系统，功能十分强大7。本文所介绍的三维地质建模方法主要通过 ArcGIS中的ArcMap和ArcScene两个应用模块相互配合、协同操作实现，其中ArcScene为三维应用模块，可在分析建立曲面的基础上创建三维模型。ArcMap可以对大多数空间数据进行处理和分析，ArcToolbox为两个应用模块中内嵌的数据处理与空间分析工具，在各应用模块之间可以自由切换。2 三维地质建模将研究区域的钻孔数据按一定的格式整理后导入ArcMAP软件，然后进行处理和分析，通过ArcScene三维应用模块构建三维地层模型，其主要流程如图1 所示。图1三维地层建模流程2.1 数据获取三维地质建模的主要数据来源于地质露头、钻孔、地质详勘资料等，其中工程地质钻探是获取地表下准确地质资料的重要方法。本文建模依据主要为青岛勘察测绘研究院发布的上合示范区交大大道地下道路交通配套工程岩土工程勘察报告 中的钻孔数据及土层参数。2.2 数据整理钻孔资料中，地下岩土的数据信息和分布比较清晰，钻孔资料具有明确的空间位置，其所包括的各钻孔的经纬度、各岩土层的岩性以及分层点的高程等数据都是三维地质建模的重要依据，但这些数据又有离散且不规则的特点。所以，在三维建模前，必须整理这些钻孔数据，使其成为 ArcGIS能够处理的格式。通过对钻孔数据进行简单的整理，将钻孔数据中的孔号、XY坐标、孔口高程、各地层分界点的高程数据在 Excel中以“.xls”格式保存。如表1 所示。2.3 钻孔数据导入首先，使用ArcMap软件中“Add XY Data”工具加载Excel软件整理的“.xls”格式的钻孔数据，并添加黄海2000 国家大地坐标系，使其转换为“.shp”格式的点要素文件。然后使用“Feature to 3D by Attribute”工具高程属性值添加到软件中。2.4 钻孔数据插值曲面的创建有两种方法：一种是不规则三角网络法，通过基于不规则分布数据点生成的连续三角形曲面来逼近曲面。另一种是网格插值法。插值是根据相邻几个参考点的高程值计算特定点的高程值。本文选用第二种方法进行曲面的创建。添加“.xls”表格数据，生成为点要素的矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的Raster Interpolation（栅格插值）功能生成栅格地层界面数据。栅格插值提供了很多种插值方法，具体运用哪一种，需根据相关数据，选取合理的插值方法8，其中包括样条插值法、反距离权重插值法、克里金插值法等。样条插值适用于非常光滑的表面，而克里金插值需要更多的经验。因此，本文选择了反距离权重插值法。由于这种方法为距离预测位置最近点分配的权重较大，而权重作为距离的函数而减小，因此称之为反距离权重法。其计算公式为：（1）（2）（3）式中，第 i个已知点的坐标为（xi,yi）；待插值点的坐标为（x,y）;di为第 i个已知点与待插值点之间的距离，单位为 m；wi为计算权重；Z0为待插值点的高程值，单位为 m；n为参与插值点的待插值点周围样点的数量。2.5 地层界面转为不规则三角网使用3D Analyst Tools中的Raster to TIN工具，将地层界面转为不规则三角网。2.6 生成三维地层模型在ArcScene中添加研究区域要素多边形，然后在两个不规则三角网（TIN）数据集间利用3D Analyst Tools工具条中的在TIN之间拉伸工具进行纵向拉伸，生成3D要素类数据。根据地层顺序，重复使用此工具条，得到相应各地层单元数据，通过各个地层属性表编辑其地质属性。3 应用实例上海合作组织地方经贸合作示范区交大大道地下道路交通配套工程位于青岛上合示范区交大大道，南起闽江路以南，北至辽河路以北，沿长江路西至创新大道，长江路站位于长江路与交大大道交叉口，沿交大大道下方南北向布置。本站为地下两层岛式车站，采用明挖法施工。车站有效站台中心里程为K32+175.5，站台宽19.7m，车站长248m，标准段总宽度20.5m，表1 钻孔分层属性信息简表序号钻孔编号X坐标Y坐标岩土名称层号高程/m1A140508759.334002493.26粗颗粒素填土1-14.272A140508759.334002493.26黏性土素填土1-24.299A140508759.334002493.26粗砾砂124.3210A140508759.334002493.26砂砾岩全风化带154.29江西建材规划设计与勘察1472023年1 月车站范围内地势南低北高。根据勘察报告，该地铁建模区第四系主要由全新统人工填土层（Q4ml）、全新统海相沼泽化层（Q4mh）、全新统洪冲积层（Q4al+pl）、上更新统洪冲积层（Q3al+pl）组成，场区基岩为白垩系王氏群砂砾岩（K2W），共揭露淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中粗砂、黏土、粗砾砂、全风化砂砾岩、强风化上亚带砂砾岩、强风化下压带砂砾岩等8 个主层及粗颗粒素填土、黏性土素填土2 个亚层。建模区域地势较平坦，没有断层、褶皱等特殊地质构造发育。地层均一性较好，钻孔分布均匀且相对密集，适合用反距离权重法进行插值建模。插值后构建的三维地层模型如图2 所示：图2 三维地层模型图4 结语本 文 基 于 ArcGIS中 的 两 个 GIS技 术 模 块（ArcMap、ArcScene），构建了上合示范区长江路地铁站的地层三维模型，其操作过程便捷高效，能让不具备编程能力的技术人员对场区进行实体化建模，具有一定的实用价值，对研究大范围内不同岩性的岩石分布具有一定的意义。但需要说明的是，本文所采用的三维地层建模方法适用于地层产状单一，且地质构造不发育的地区，而对于地质构造复杂且地层产状变化较大的地区，应根据具体情况，作出相应的调整。另外，在插值建模时，选取适合的插值方法同样非常关键。本文选取的是反距离权重法。在众多的空间插值方法中，没有绝对最优的空间插值方法，不同的插值方法的拟合精度存在较大差异，所以应根据数据的特点选择合理