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六大三维城市地质建模难题,如何解决?
发表时间:2018-09-04 来源:桔灯勘探

城市地质作为传统地质工作转型发展的重要方向,备受业内人士关注。而当前城市地质问题的频繁出现,也使得许多国家开始将地下空间作为三维城市规划的重要组成部分。

  2012年11月21日,COST(欧洲科技合作)高官委员会通过“Sub-Urban”计划,建立一个提高我们对城市地下理解和使用的欧洲网络,希望借此能够促进城市地质专家和城市地质知识的使用者之间更强有力的互动与交流。
  2017年5月,该计划对欧洲近4年的城市地质工作进行了总结。其中的《三维城市地下建模与可视化》报告提出了城市三维地质建模仍存在的6大问题,本文对其解决方法进行了探讨。
  一是充分认识城市地下空间的复杂性。由于不同城市的规划对地质资料需求的详细程度不尽相同,加之在城市中收集、获取新数据存在一定困难性,要求地质工作者跳出传统数据获取来源(例如钻孔、浅层地球物理),转而更多地利用第三方数据。
  二是人工堆积物和自然沉积物的小规模综合3D属性建模要求新的建模方法。欧登赛的综合方法取得一定效果,但仍需在其它城市进行测试。
  三是城市地下空间的特征和功能常常发生改变,要求城市地下空间建模保持更新,以便快速添加信息,并适应新的应用要求(如灾害管理)。
  四是建立一个基础性的地质框架模型,作为城市各种专用模型的一个共同基础,以节省成本。
  五是开发动态(4D)城市地下空间模型,对地下属性进行实时监测。
  六是力促在合适的时间,按照恰当的形式,提供准确的城市地下信息,从而推动地下空间调查纳入城市规划和管理中。
  注:上述内容摘自郑人瑞,夏烨,周平《欧洲地质调查是如何支撑服务城市发展规划的》
  其实就目前的国内外地质建模技术,已经有一些创新性方法可以尝试去解决其中的一些问题。希望在此与大家做一些探讨。
  一、该如何建立一个基础性的地质框架模型,作为城市各种专用模型的一个共同基础?而且该模型可以进行快速的更新,以便节省成本,快速添加信息,并适应新的应用要求?
  若想解决以上问题,所建模型应具备以下特点:
  1、多分辨率:从低精度到高精度。这样才能满足不同应用对不同网格精度的需求。
  2、大规模整体模型,即一个城市一个模型,而不是成千上万个小模型;
  如果一个城市的模型是由一个个独立的局部模型构成的,如上图1、2、3、4,那模型的后续应用与更新上就有了很大的局限性,只有目标区域在1的范围内或是2、3、4的范围内时才可以直接将模型进行使用。如果目标区域是5,无论是对5这个区域的模型进行更新或是下载应用,都没办法直接基于原有的1、2、3、4模型进行操作。因为目前没有一款建模软件可以直接导入4个独立的模型进行一体化的编辑。所以,一个大规模的整体模型是十分必要的。
  3、支持局部模型更新与使用;
  大规模整体模型需要支持模型的局部更新与使用,否则无法保持该模型一直处于最新的状态,也无法支持任意区域模型的直接使用。
  4、支持模型的离散化存储;
  若是以文件形式存储模型,则无法支持任意局部模型数据的下载,从而无法进行局部更新或使用,通过离散化存储则可满足这一需求。
  那如何建立一个满足以上特点的模型?
  在模型精度低的情况下,整体模型的建立很容易实现,但是所建模型并不支持局部更新与使用。而对于建立高精度模型,绝大多数都是以独立的局部模型堆砌成整体模型,但局部模型之间并非无缝拼接,所以并非是真正意义上的整体模型,从而无法满足跨局部模型区域的需求。
  北京网格天地软件技术股份有限公司(简称网格天地)独创的地质构造与网格无缝拼接技术,采用局部建模的方式,然后通过无缝拼接技术将局部模型拼起来。这样模型便没有大小的限制,而且如果局部数据有更新的话,只需要下载目标位置进行更新,然后将新建的模型拼回整体模型,无需将整体模型重建。这样既可以快速更新模型,使整体模型的构造与网格永远保持最新的状态,而且支持随用随下载,用哪儿下载哪儿的需求。
  二、如何建立开发动态(4D)城市地下空间模型,对地下属性进行实时监测?
  若希望所建模型能用来对地下属性进行实时监测,并可将监测到的属性在模型上进行更新,则该模型需要满足以下两个特点:
  1、该模型是网格模型
  地下有各种地质体,地质体内部的物质组成情况和物理化学参数分布情况称为地质体的属性。地质模型是用来描述地下地质体的几何形态以及地质体内部属性分布情况的计算机模型。网格化技术可以自动地将具有复杂形态的地质体分解为一定数量的简单几何体,这些简单几何体称为网格单元。
  建立地质体的表面模型,可以描述地质体的几何形态,却无法描述地质体内部属性分布的不均一性,也无法对地质体内部的各种物理化学过程进行属性插值和数值模拟。
  地质模型网格化后,只要为地质体中的每个网格单元赋值,就可以描述一个地质体的属性在地质体内部分布的情况。基于网格,还可以对地下的各种物理化学过程进行数值模拟。所以,地质模型网格化是进行属性监测与插值的关键技术。
  2、模型使用的网格以顺层截断网格为最佳
  常用的网格形式有多种,比如笛卡尔网格(立方体或长方体)、四面体网格、多面体网格等多种形式。
  在地质模型中,地质体有复杂的形态、地质属性的分布也具有强烈的各向异性。要求网格不能跨过地质体的边界,网格在属性变化快速的方向尺度小、在属性变化较慢的方向尺度较大。这样,在网格数目一样的前提下,可以最大程度保证属性模型的准确性。
  笛卡尔网格是规则的,在倾斜的地质体的界面处必然会出现锯齿效应,极大的降低精度,网格方向也是水平和垂直的,对于倾斜的地层,无法满足属性模型强烈的各向异性的要求。所以,笛卡尔网格在地质模型中是不可取的。
  顺层截断网格是一种比较好的选择,这种网格在顺着地层的方向尺度较大,在垂直于地层的方向尺度较小,可以很好的满足各向异性的要求。在出现地层尖灭、侵入和断裂的位置,可以被地质体的界面截断,避免出现跨过地质界面的网格,在同等网格数量下,可以极大地提升描述地质体几何形状和属性分布的精确度,是一种非常好的网格形式。目前顺层截断网格已经被中国地质调查局Geo3DML地质模型信息标准所采用。网格天地公司的“深探地学建模软件”已具有成熟的生成顺层截断网格的技术。
  通过15年的研发与实践积累,网格天地自主研发的地质建模与网格化技术已处于世界领先的水平,并中标透明地下雄安的地质建模项目。

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