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随着地质信息技术的发展以及“智慧城市”和“玻璃国土”建设的提出及其建设工程的实施,三维地质建模技术越来越受到人们的关注。三维地质模型的构建是开展地质空间分析、地质过程模拟、地质现象解释、地下空间利用、矿产资源评价等一系列地质应用的基础。这项工作对于寻求工程建设与地质环境条件之间的有机结合,提高城市规划、施工、管理和地下空间利用效率,谋求城市最大经济、环境效益,具有重要意义。本课题来源于省部级合作项目“福州城市(闽江口地区)地质环境信息管理与数据管理服务系统”(简称“福州城市地质信息系统”)。选题立足于地质体三维模型构建的技术与方法研究,直接面向地学信息工程领域的前沿——城市三维精细地质模型建模方法的研究。其目的是在现有三维地质建模技术的基础上,结合城市地质的特点,研究出一种能够支持城市合理规划、建设和地下空间利用的三维地质建模方法。城市三维精细地质模型的构建,是在三维空间中真实再现城市地下空间结构,从而使地质人员直观而形象地感知地下地质体和地质结构,目的是提高对城市水资源与地质环境条件的认知水平,支持城市基础设施和地下空间规划、建设,以及地质灾害预警和防治。本文针对城市地质体和地质结构的特点及其三维精细表达的需求,着重探讨了将沉积学知识融入三维地质模型构建过程的原理,以及基于不规则三角网(TIN)和角点网格(CPG)混合数据结构模型来构建三维精细地质模型的可行性,提出并实现城市第四系沉积相三维可视化精细建模解决方案。该解决方案的主要思路是：首先通过钻孔数据和相关地质资料并结合沉积学知识构建研究区域的第四系沉积相剖面图；然后对这些剖面图进行矢量化,构建相应的第四系综合地层格架模型；运用TIN模型到CPG模型的数据结构模型转换工具,实现三维精细地质模型构建；最后研发出相应的空间分析功能。基于以上思路,本论文所取得的主要成果如下：(1)根据大量钻孔和地面地质资料,采用沉积学知识进行细分层合并,把平面图与剖面图编绘结合起来,互相对比印证,分析了福州市(闽江口地区)基岩分布情况以及第四系4个层段的沉积环境概貌和时空演化特征。第四系4个层段由老到新依次是：更新统(未分)残坡积(Qpel)、中更新统(Qp2),上更新统(Qp3)和全新统(Qh)。(2)在沉积环境和沉积相分析的基础上,编绘了福州市(闽江口)地区的第四系的45幅沉积相剖面图和5幅沉积相平面图。这种基于沉积环境分析的编图方式,取代了“砂对砂”、“土对土”的传统层板模式,便于理解剖面上的岩层结构及其在相邻剖面间的变化,使岩层界面外推和连接更加合理而真实,为剖面拓扑推理提供了地质知识支持。(3)提出了基于沉积学知识驱动的第四系三维精细地质模型构建方法。其要领是,先对所编绘的二维沉积相剖面图进行矢量化,构建不同时代的地层框架数字模型；再集成为统一的第四系综合地层格架模型,然后运用矢量化剪切技术进行边界裁剪成型。基于知识驱动方法所建立的模型,能更好地表达地质人员对地下地质体的客观认识。(4)根据城市第四系三维精细地质建模的需求,提出基于不规则三角网(TIN)和角点网格(CPG)混合空间数据结构模型的构建思路和方法原理。其实现过程是：先用TIN面元模型来构建三维构造-地层格架模型,用CPG体元模型来表达精细地质结构,然后通过空间数据结构模型转换工具,将TIN模型转换为CPG模型,实现三维精细地质模型的构建。(5)编程实现了空间数据结构由TIN到CPG的模型转换算法。首先,确定TIN面元模型中各个地层转换到CPG体元模型中所对应的地层序列的定义方式；其次,根据格网的边界和方向确定模型转换时CPG格网的剖分方式和方法；最后,利用控制格网计算CPG模型中各单元格的空间坐标,并利用*GRDECL文件格式实现对CPG三维地质模型的存储和展示。(6)提出了基于CPG模型的三维精细属性模型的构建方法。该方法是在用TIN-CPG混合数据结构模型构建的地层框架模型基础上,运用适当的空间插值算法,先计算出CPG体元模型中各个单元格的属性数据,然后根据*GRDECL文件格式特点,将属性数据写入该框架模型的属性文件中,从而实现在地层框架模型的基础上进行三维精细属性建模。(7)在完成上述方法和算法原理研究的基础上,建立了不同尺度的研究区第四系三维地质模型。其中包括：福州(闽江口)地区第四系三维构造-地层格架模型、福州(闽江口)地区第四系三维精细地质模型和福州大学城附近水文地质三维精细属性模型。(8)在完成三维精细地质模型构建原理、方法研究并实现的基础上,研发了地质切片分析和空间属性单元格提取功能。其中,地质切片分析是指在X、Y、Z方向上,对模型进行矢量剪切和剖面图制作；空间属性单元格提取则是根据所设置的参数,从模型中提取出符合参数范围要求的属性单元格,并对这些单元格进行单独显示。综上所述,本论文在借鉴三维地质建模领域的最新科研成果基础上,根据城市地下第四系地质结构的特点,运用沉积学知识,解决了三维构造-地层格架内部的非均质结构精细刻画问题,设计并采用Visual C++语言进行了编码实现。主要的创新点是：(1)从第四系三维精细地质模型构建的需求出发,提出TIN-CPG结合的混合空间数据结构模型,并且加以论证和编程实现。方法要领是：先用不规则三角网(TIN)模型来构建三维构造-地层格架模型,用CPG体元模型来表达精细地质结构；然后通过空间数据结构模型转换工具,将整体的TIN面元模型转换为CPG体元模型,从而实现三维精细地质模型的构建。(2)提出一种基于沉积学知识驱动的第四系三维精细地质模型构建方法。该方首先通过沉积环境和沉积相分析来编绘地质剖面图和平面图,然后以所编制的剖面图为基础,在沉积环境分析结果的指导下,采用TIN-CPG结合的混合空间数据结构模型进行拓扑推理建模。由于融入了沉积学知识,所建立的模型将更加符合地下地质结构的真实情况。本文针对目前城市三维地质建模中所建立的大部分模型表达的地质内容较为贫乏,模型刻画的精细程度较低的问题,提出了将沉积环境和沉积相分析结果融入到建模过程中,并运用TIN-CPG混合空间数据结构模型对模型进行精细化表达的解决方案。所取得的研究成果,已经成功应用到省部级合作项目《福州(闽江口)地区地质环境调查》中。该方案具有较强的普适性,针对不同地区的地质环境特征加以扩充和完善,可以运用到油气和金属矿产勘查、水利水电工程勘察设计、铁路工程勘察设计和灾害地质勘查等地质相关领域中。