1.2　　城市环境下的浅层三维地质建模

城市地下浅层地质环境一般指对工程建设产生直接影响的地质体，它承载着众多城市基础设施和市政设施，在城市可持续发展中起着至关重要的作用。一个复杂的地质模型，能够显示地质体的空间几何结构和地质属性信息，可以支撑一个工程建设项目的可行性研究，如隧道、市政污水管道路线的确定，以及重要基础设施的选址研究（Rosenbaum，2003）。利用一个精度较高的地质模型，可以有效地降低施工过程中由地质因素引起灾害的风险。近年来，人为的地质灾害，如地面沉降、地基差异沉降、边坡失稳等，在城市地区时有发生，对人们的生命和财产安全造成威胁，这些灾害很多是由工程建设者缺乏对地质信息的充分认知引发的。运用特定场地的三维岩土参数模型，可以对地质条件较脆弱地区的相关岩土工程详勘进行指导，以减小人为建设危害发生的可能性。对地质特征的了解是建立可靠三维岩土参数模型的关键。浅层地质条件的调查与为开采石油或矿产资源而进行的调查有所不同，浅层地质体由于受人类活动和自然条件的双重影响，不均质性较明显。浅层地质是城市建设和重要基础设施赋存的介质，采用科学的方法发掘浅层地质的空间演化特征并进行模拟，发展精细化三维地质建模技术，不仅有助于缓解浅层地质条件变异性和脆弱性与城镇化建设之间的矛盾，拓展城市尺度和工程尺度上的高精度三维地质建模方法，还可服务于城市地铁隧道、地下管线、人防工程等的规划和地质灾害防治，具有重要的学术和应用价值。

浅层岩土工程勘察一般要求更高水平的特征分析和更精确的性能特征匹配。传统二维地质图在岩土工程领域的应用场景仅限于确定的地下深度范围和对地下岩土性质的变化进行评估。而三维地质模型可以描述任意深度（只要有数据），并且具有指示各种地质几何结构、岩土及水文地质性质的能力，已经被证明是一个可以描述和分析地下情况的强大工具。

迄今为止，世界范围内的地质调查工作大多致力于提高地质模型的准确性和可靠性，高精度三维岩土工程模型没有得到更多关注。一般的三维地质模型中，同个地质单元的某个岩土参数只通过单一数值来描述，然而这个单一数值并不能用来描述岩土参数在整个三维空间的变异性和分布特征。随着基于有限元和有限差模拟的三维岩土工程分析技术的发展，用不同的数值来量化模型的每一个体元成为必要。例如，土壤中的水流有时会通过地基上的附加荷载对地下人造设施的稳定性产生不良影响，避免这种影响的有效工具是建立计算机模型来模拟土壤中的水流，然后进行计算进而寻找解决方案。然而，由于缺乏准确的土壤的水力特性、含水率和水力传导系数模型，数值模拟结果的运用受到限制。

数学理论在三维建模技术中的应用发展，使地下结构的预测和几何表达变得更加可靠。高精度的浅层三维地质建模的难点在于，施工过程中人为因素的变化和气候变化会对表层土风化侵蚀过程产生影响。为了克服浅层地质模型高扰动的问题，工程地质学家致力于综合利用数学理论、统计分析、先进的建模软件、档案数据库，结合实地考察等方法，来创建一套可靠的浅层地质条件下的三维可视化模型和描述资料。在过去的几十年中，一系列建模方法和技术被用于优化复杂的几何结构，并成功用于实践。离散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）（Mallet，1992，1997，2002）和 克 里 金 插 值（kriging interpolation）（Krige，1953）是其中两个具有代表性的技术。插值的主要原理可以描述为，在未知值周围定义一个邻域，通过该邻域中的已知值，来估计这个未知值。离散光滑插值法的特点是通过建立各种限制条件以减少地质表面的粗糙度的加权总值。克里金插值是在全面理解待预测变量的空间结构的条件下，基于变差函数估计未知值。克里金插值的过程虽然复杂，但相比其他插值法，它的结果往往更加可信。结合这两种技术可以大大提高地质参数预测的质量和浅层三维地质建模的可信度。利用二维、三维变差函数分析和插值技术可以分析三维空间中的某些属性的空间变异性，并最终预测该属性在整个模型每个体元中的值。