城市地质模型有哪些

❶ 地表建模

（一）地表的生成

生成地表的主要数据是地表离散点数据，地表离散点数据由ARCINFO格式数据转换而来。组成等高线的平面线段与它的高程值一一对应，这样，就有了地表的三维坐标集。系统输入时，读入组成等值线的各个点，即读入各个线段的点，结合线段所对应的高程值，就形成了生成模型所需的离散点，系统使用这些离散点进行插值，生成地表。由于数据较多，这样离散点的密度也大，以MapGIS明码文件存放的数据容量达到150多兆，如果把这些数据都输入到系统中，插值生成地表面，那么生成地表面的小三角形数量将会相当大，占用过多的计算机资源，对后续模型的构建影响很大。同时，生成地表面时速度慢，效果不理想。因此就需要对这些离散点进行抽稀处理。抽稀的效果是减少等值线上的点的数量，由于等值线上有大量的点存在，按比值抽稀不会对它的精度造成影响。抽稀后，生成模型所需的离散点密度降低，离散点的数量减少，系统生成地表面时速度加快，地表面的平滑度提高。对于地表面的一些坏点，如高程值过高或过低的点，即高程高于地表最高点，或高程低于地表最低点的高程，这些点是由于误差或数据转换时造成的，使用这样的点插值，就会造成地表面的起伏变化剧烈，地表面粗糙不平，影响地表面的光滑度。因此，对于这样的点需要在输入系统时进行剔除处理，即在系统输入模块中，采用门槛值进行限制，过高或过低的点剔除，不让其参与建模。

将处理后的离散点数据导入到工区中作为控制点，采用DSI插值技术生成三角网，用这个三角网来描述地表的形态。

（二）加载地表信息

1.地理信息数据

地理信息数据包括河流、铁路、公路、湖泊、城市等点、线、面图元信息，这些信息对于增强三维可视化模型的内涵、增强模型的展示效果具有积极的作用。每项地理信息数据读入后，采用OpenGL技术来实现这些图元在三维模型中的显示状态，同时给出对应的属性信息内容。但建模系统目前不做GIS方面的分析功能，留待后续开发时进行功能增强。

2.遥感影像图片

地表网格剖分完成以后，系统采用OpenGL的纹理映射技术，将卫星影像贴到地表，这样使整个模型看起来更加真实，效果更好。为减少内存占用量，卫星影像在保证可视化分辨率的前提下，转变为位图图像格式（.bmp）读入。

为了使遥感影像图片与生成的地表网格贴合得很好，位置更准确，系统采用三点坐标定位的方法对图片进行校正。校正的方法是从图片上选取三点，确保这三点不在同一条直线上，将它们分别记作P1、P2和P3，用户要知道这三点的真实坐标值，为此可以选那些具有标识性的地理位置点。我们设图片贴到地表上时这三点的坐标为01d_P1、01d_P2和01d_P3，而输入的真实坐标为New_P1、New_P2和New_P3，依据最小二乘原理可以得到一个变换矩阵M，过程如下：

地下水三维可视化系统开发与应用

地下水三维可视化系统开发与应用

用矩阵M对图片的四个顶点进行变换，即可以得到校正后的图片。图4-10是加载了地理信息和遥感影像图片的地表形态。

图4-10 加载信息后的地表形态

（三）模型网格大小的确定

模型所建的地质体如地表、地层、断层和透镜体等都是由网格相连构成面，面相包而组成体。构成模型的最小单位是小三角形，三角形的数量多少对模型的精度、系统运转的快慢有直接的影响。

一般来说，生成模型的三角形网格过大，则模型面比较粗糙，模型不精细，甚至不能表现面的形态特征，网格过小，则网格的密度大，对这些三角形运算需占用大量的系统资源，使计算机处理的数据量剧增，从而使机器运行速度慢，如果离散点数据量过多或过少，则会使模型面较复杂，不能表现模型面的总体特征。因此，在构建模型时，需要选择合适的网格大小。

经过实践，地表的网格大小选用50～200m的格网间距较好，机器速度和表面光滑度能达到协调统一。一般在模型初建中，选用200m的格网间距，机器速度快，如果需要对建模区域进行分割，如黑河流域模型，则在小盆地模型构建完成后，选用50m格网间距进行地表面生成，使地表面比较精细。

地层和断层由于使用剖面图上的线段进行建模，系统会自动在这些线段上加密离散点，选用100～200m的格网间距，对地层和断层的生成影响不大，精细度也符合要求。透镜体由于其面积小，对精度要求适中，因此网格大小选用50～100m的格网间距即可满足需要。

对于栅格数据，如遥感影像图片，其空间分辨率可根据模型显示的精度调整像素的大小。一般100～300dpi即可。可根据需要把精细的具有800多兆的遥感影像图片生成BMP、JPG等图形格式，达到保证像素精度和减少内存占用量的需要。

❷ 城市地质环境的演变模型

2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛

承 诺 书

我们仔细阅读了中国大学生数回学建模竞赛的答竞赛规则.
我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

❸ 城市地质

本次大会的交流形式主要有5个方面：

第一为以展馆的形式集中展示地质成果，多以国家的形式出现比如中国馆、美国馆、俄罗斯馆等，另外一些大型国际地质组织、大型石油公司、地质仪器公司、软件公司、出版社等也以展馆的形式集中展示成果，在展馆中展示城市地质成果的主要为中国馆和挪威馆。中国国家馆主要以地质专业的角度展示近几年来取得的丰硕成果，其中在工程地质专业下重点介绍了中国城市地质试点工作情况，包括上海城市地质及北京城市地质等内容。挪威国家馆中城市地质专题主要简单介绍了城市地质的主要研究内容，挪威国家地质调查局在奥斯陆地区开展城市地质调查项目，项目从2004年到2008年，主要研究内容包括地质资源、地质灾害等10个方面的内容。

第二、第三为以大会发言和展板的形式介绍城市地质。

由于没有专门的城市地质专题讨论会，因此直接以城市地质为命名的大会发言或者展板内容相对较少。其中大会发言中中国地质调查局的“中国城市地质”在“地质科学管理在可持续发展与人类安全中的作用”专题中发言。展板中“上海城市地质”在环境地质专题中展示。但是从单项的城市地质调查来看，与城市地质有关的内容非常多，本文将在后面重点介绍。

第四为专门交流会，时间上大多在休息时间为主，比如在8月10日（星期天）就安排了20场左右的交流会，内容方面多是专门、专题及综合讨论会的延续和深入，主要以参会的某专业领军人物召集本专业的相关人员对某个问题进行更广泛深入的交流。其中城市地球化学方法在城市环境研究中的应用专题邀请来自世界各地的专家一起讨论，内容主要包括地球化学本底、城市地区的系统地球化学成图、采样深度确定、样品选择、如何处理有机及矿业土壤、分析方法选择，有机污染物多环芳烃、多氯联苯、二恶英、邻苯二甲酸酯、溴化阻燃剂等的评价。

第五为野外地质考察，大会组委会在会前曾计划安排“瑞典与芬兰城市地质中工程地质”的地质考察，主要针对的地质问题有，福斯马克核电厂及核废料处置场，隧道工程、电厂、地下水问题，岩石应力测量，岩石稳定性监测等。赫尔辛基在建的隧道开挖与地下建筑工程，软土地基稳定性问题，地下水问题等。后来由于其他原因该计划取消。另外还安排了“奥斯陆城市地质化学”，即在8月6日下午城市地球化学成图专题讨论会后，由挪威、瑞典与芬兰地调局召集安排野外实地调查，主要现场了解已经成功进行了3年的试点项目即奥斯陆城市地球化学项目，关于地球化学调查方法与城市污染土的管理系统。

由于大会议题中涉及的专业非常多，一般都是有近30个左右的会议在同时进行，而每个发言者的时间一般在15～30分钟左右，因此只能选择与专业有关部分专题到现场听取较详细的汇报。在中午休会以及会后则抽时间对展板的内容进行学习和交流。其他内容只能通过大会交流材料摘要合集来了解和学习。

一、城市地质综述

（一）城市地质综合调查

1.国内城市地质综合调查

在“地质科学管理与可持续发展”专门讨论会中中国地质调查局做了中国城市地质调查工作的发言介绍，主要从中国城市地质的主要特点、主要任务、主要方法、主要成果及将来的工作方向等方面逐一阐述，其中主要任务有5个方面，分别是：三维地质调查及地下空间适宜性评价、地质资源调查及可持续发展评价、主要地质灾害调查及风险评价、环境地球化学调查及土壤与地下水环境评价、三维可视化信息系统的构建与管理等。另外上海地质调查研究院以展板的形式介绍了上海城市地质调查的主要内容和主要成果以及关于城市地质工作机制的探讨。

2.国外城市地质综合调查相关介绍

为更好地使地质科学满足社会经济的发展需要，挪威国家地质调查局在奥斯陆地区开展城市地质调查项目，项目主要研究内容有10个方面：氡灾害、地面沉降、城市土壤污染、地热、砂矿资源、地下水、矿产地质、基底稳定性与监测、流粘土灾害、地质教育。

东京城市可持续发展过程中面临的主要地质问题有地震、洪水、风暴潮、地面沉降等，这就要求地质学家和相关的政府部门必须致力于东京大都市城市地质状况的工作，自从1959年出版了东京相关地质成果图以来，又进行了多次的修订。另外，还建立了一个关于地下水利用和地面沉降的监测系统，另外地质信息系统，从1970年以来，形成了关于70000个钻孔的柱状剖面图的数据库。这些系统对政府还有科研者提供了很大帮助，比如建设地铁、高速公路、污水排放系统的重建等，还有地震灾害分析，研究隐形断层，地下空间开发等。

（二）城市水资源与环境

美国东南密歇根州城市化地区利用地理信息系统评估潜在的区域地下水污染，研究了多环芳烃、多氯联苯及铅等污染物在不同介质中对地下水的影响程度。英国对地下水进行战略性管理和治理，把最先进的知识和技术运用其中以维持高品质的地下水资源，满足经济和生态系统的需求。莫斯科地区城市地下水监测网络在20世纪已经开始建设，现已形成280口监测井，用于地下水动态监测。另外还对莫斯科地区人类活动对地下水环境的动态影响进行了研究，尤其是对地下水流场、水化学、水位及水温的影响，通过与背景区的对比发现；城市地区地下水的许多运动机制已经发生改变。葡萄牙介绍了基于GIS技术的地质图在城市地下水资源管理和评估方面的应用，利用此系统可获得大量的水文地质资料，可以建立含水层参数系统，对比岩性、含水层深度、地下水化学参数和土地使用情况等信息进行对下水脆弱性评价研究。瑞典则对基岩埋藏较浅地区的地下水的水质进行了评价。意大利就水文地质风险及其缓解措施进行了研究，1998年Sarno地区泥石流灾害发生后，意大利政府在全境内加强了对水文地质灾害的预防措施。 Re NDi S项目由意大利地质调查局实施，旨在确定灾害风险的类型及其特性，研究如何缓解地质风险的措施，提高对灾害的综合认识。另外还对意大利Friuli Venezia Giulia地区地下水水文地质进行了调查，结果表明此地区浅层地下水的主要补给来源是地表水渗入和冬季降水，这种补给方式使得浅层地下水很容易受到城市地区和工业排水的污染。

墨西哥Irapuato和Salamanca两个城市城市用水大多靠地下水，受污染水通过断层将污染带到深部含水层，通过对地下构造及水文地质的调查，使用SINTACS评估方法，并结合使用GIS技术，制定地下水保护计划。挪威卑尔根有许多世界建筑遗产，通过对古建筑附近地下水化学性质、地下水压力及土壤湿度等指标的长期监测，研究地下水环境对古建筑保存的影响。南非贝宁地区研究城市和农村地下水遭污染的一些特征，依据已完善了的地下水流的数值模型，通过研究可调节的管理策略来维持贝宁地区的高品质地下水的供应。摩洛哥绘制了丹吉尔地区含水层的污染风险地图，采用DRASTIC方法研究水文地质条件，研究地下水环境的脆弱性，结合城市规划对地下水污染风险进行分区和分等，研究表明东部工业区使含水层的脆弱程度增高，具有中度的污染风险。印度西北有几个城市在地表水和地下水的相互作用，地表水的不合理规划与利用导致地下水位上升造成建筑物地基、桥梁、隧道、管道等其他公共设施的损坏，其次地表水的污染物大量回落到地下水，污染了地下水。另一方面，过量开采地下水又使承压水位下降，扩大岩石孔隙，减少岩石强度，造成建筑物倒塌，如果合理管理和规划城市地区地下水和地表水的综合利用将可以避免以上灾难。另外还对印度普纳市东南部由固体废弃物处置引起的地下水污染进行了调查研究，普纳市附近的垃圾站已经使周围的12口井和两条溪流污染，并且距离堆放场越远的地方地下水受污染的状况越轻，那些远离堆放场的地下水没有受到污染，而且即使进‘行地下水回灌修复，堆填场附近的地区地下水仍然污染严重。韩国对地下水中砷污染的自然成因进行深入调查，研究了地下水p H值、沉积作用、变质作用对地下水中砷含量的影响。

（三）城市地质灾害综合调查与评价

1.城市地质灾害综合调查

俄罗斯地调局在莫斯科地区进行了地质灾害与地质环境综合评价项目，通过GIS信息技术对不同种类的地质灾害进行综合性的分析与评价方面进行了尝试研究。根据其滑坡、喀斯特岩溶、地下水位上升等灾害及其地质环境特征，结合城市发展对生态以及经济社会的要求，绘制了莫斯科地区1∶50000地质环境地图，结合城市的功能区划分地质环境分区，提出了一些关于安全城市发展的建议。另外还对2014年冬奥会举办地索契的地质灾害与环境风险进行了评估，主要包括地震构造、水文地质、工程地质和其他环境勘探研究灾害预测等。

在加拿大城市地区自然与人为环境灾害的调查与风险评价论文中，提出建立跨学科、跨地域、长期性的灾害风险综合研究是十分必要的，其目标是研究灾害的特征、破坏性和风险性，在复杂多变的条件下确定灾害风险性，通过监测研究等较少灾害对人类的危害。近年罗马城市化程度不断提高，罗马是一座历史名城，评价其地质灾害相对较难，复杂的全新世沉积物、较厚的人类活动造成的回填土以及大量的受保护的古建筑都给研究工作带来了一定难度，罗马主要的地质灾害有地面沉降、岩溶、滑坡、地震以及固体废料。基于GIS信息平台整合历史时期的相关地质信息，建立了3D地质模型，以半定量的方法评估地质灾害，所获得的方法体系适用于历史背景悠久的城市，更有利于城市的可持续发展与管理。巴西贝洛奥里藏特市未来地质资源与地质灾害研究项目已经在城市规划中得到了应用，通过对土地资源和洪水以及河流侵蚀等资源与灾害的分析，结合将来千万级大城市的定位，为城市规划提出城市发展的重点应从南部向北部转移。

2.城市地质灾害专项调查

1）地震与火山

在城市地质地震与火山灾害研究中，意大利有多项研究成果做了大会发言和展览。通过历史文献记载以及野外的调查，对1908年发生在意大利南部的墨西拿市地震的地质效应进行了评价，主要次生灾害有海啸、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷等。意大利Campi Flegrei活火山的城市化应急管理系统中，用高、中、低三种指数来定义火山爆发情景，应急规划区和人们可以紧急集合和疏散的区域与铁路系统的主要节点接近度。另外的研究还建立了火山碎屑流的动力学模型，为城市规划与灾害管理服务，在地震的监测与防治方面制定了相对成熟的预防方案。意大利在评价活动断层灾害如何更好地为土地利用规划服务方面也做了尝试研究。印度对新德里、孟买、班加罗尔等城市进行地震危险性分析，这些城市人口密度逐渐增大，一旦遭受地震将产生严重灾害，在城市规划中如何降低地震风险进行了初步研究。在孟加拉国吉大港地区地震危险性评估论文中，介绍了通过航空遥感与地球物理的方法寻找不同类型地质条件对地震波的反映情况，并将研究成果应用于在城市规划的地震灾害防治中。

随着城市化进程的不断持续，到21世纪中期将有一半人居住在城市，城市化使大城市越来越多，以至于有许多城市会处于地震多发区，美国、加拿大、日本还有一些其他国家的地震防治工程取得了很大成就，可以将地震对人的伤害降低到较低的水平。1989年和1994年加利福尼亚大地震造成不到70人死亡，但是在发展中国家对抗击地震灾害风险的研究还相对滞后。相关介绍还有日本在对地震灾害模拟方面的研究，北非阿尔及利亚、埃及、利比亚、摩洛哥、突尼斯等国家在城市规划中加强对地震灾害的合作研究与预防。

2）滑坡

韩国绘制了汉城方圆1500平方千米的滑坡预报地图，利用包括两个地形学和岩石学的因子，4个土壤属性因子建立logistic回归方程，预测潜在滑坡。意大利安科纳市滑坡预警预报系统主要包括7个表面污染监测系统和33个GPS大地测量，同时也建立了三维立体的钻孔控制系统，监测数据实时传递给监测中心，以便及时进行滑坡的预警预报。另外运用不同年份的土地利用类型图与滑坡分布图进行叠加分析，研究大城市地区滑坡的风险性。相关的研究工作还有莫斯科对滑坡和泥石流的建模与监测，孟加拉国吉大港城市的无序发展导致滑坡灾害，巴西、印度、意大利等一些城市对滑坡防治的研究。

3）城市环境地球化学

在美国克罗多州丹佛大城市地区开展了1972年和2005年的土壤地球化学环境变化对比研究工作，2005年美国地质调查局采集表层土壤497个样品，涉及市区1165平方千米的区域，测定44种元素。然后将测得成果与1972年的样品数据进行对比后发现锌、砷、汞、镉、铜和锑的变化规律非常复杂，而铅则有非常明显的范围扩大的趋势。在土壤和地下水潜在污染的分析评估模型方面美国密歇根州作了研究，对比不同地区土壤及地下水各种污染特征，对地下水来说含有氯的挥发性有机化合物和六价铬具有最高的危险性，而土壤中多氯联苯、汞、多环芳烃具有最高的危险性。

英国开展了伦敦、贝尔法斯特、格拉斯哥等22个城市的地球化学基线调查，测定46种元素或参数，采集近16000个样品，提供了独一无二的英国城市土壤地球化学图。另外还对内分泌干扰物质（环境激素）对人类健康的影响方面做了深入的研究，近50年来，内分泌干扰物在环境中的含量有了很大的增加，包括农药、阻燃剂、防腐剂、表面活性剂等产品，以及化妆品、洗涤剂、食品包装和其他化学物质。许多内分泌干扰物，包括多氯联苯、二恶英和滴滴涕的代谢产物，在环境中有广泛存在，并且由于其亲酯性，可通过生物链进入人体，并通过女性传递给后代。此外，人们的饮食中也含有越来越多的动物激素。通过研发发现，这些越来越多的内分泌干扰物会诱发癌症特别是乳腺癌和前列腺癌。

俄罗斯许多城市表层土壤可能对人体健康存在威胁，在政府管理及决策时应以生态安全为目的有机考虑生态、经济、社会等因素，AHP评价方法的研究可为决策者提供更具体的研究成果，保证表层土壤的安全利用，另外还介绍了不同的污染城市土壤修复技术。

1998年瑞典开始了城市地球化学填图计划，其目的是能够给社会提供可靠的环境背景数据信息，已经有4个城市获得多种样品包括土壤（表层，深层）、苔藓植物等的45种元素的背景值，如银、砷、金、钡、铍、铋、镉、钴、铬、铜、铁、镧、锂、镁、锰、钼、镍、磷、锑、硒、锡、钽、钍、钛、铊、铀、钒、钨、钇和锌等，另外也对如何在地球化学统计计算方面避免一些失误作了简单介绍。

在城市区域的污染范围确定方面，挪威地调局在奥斯陆地区进行了试点，布置穿越市区的南北方向长120千米的剖面，沿着剖面的横截面收集土壤和植物样本，研究的主要目的是研究反映在土壤和植物化学中城市污染的影响和范围。检测指标为银，铝，砷，金，硼，钡，铋，钙，镉，钴，铬，铜，铁，镓，汞，钾，镧，镁，锰，钼，钠，镍，磷，铅，钯，铂，硫，锑，钪，硒，锶，碲，钍，钛，铊，铀，钒，钇和锌等。在挪威的三个主要城市的表层土壤有机污染物调查已经完成，在奥斯陆、卑尔根和特隆赫姆分别采集719、309和75个样品，分析了样品中多环芳烃（PAHs）含量情况。结果表明，内城显示高浓度的PAHs，城郊土壤含量相对较低，PAHs的来源主要为燃烧源。另外还介绍了城市中有毒污染物及其分散机理的研究成果，人类过多的活动导致城市环境中介入了大量的有毒污染物，市中心已被证实含有大量的重金属如铅、镉，还有其他有机有毒物，如二恶英、多环芳烃、多氯联苯等，在挪威的城市土壤里检测到了很高浓度的这些有毒物。另外在31座港口和海边城市的海底沉积物中也有较高的检出率，总的说来海底沉积物也被严重污染。城市地球化学的研究表明很多污染物是通过雨水传播的，目前正在研究城市土壤环境对海水环境的影响。

葡萄牙介绍了北部城市的氡危机情况，开展调查的目的是评估葡萄牙北部城市的氡浓度和控制各种氡的最重要的地理因素，研究表明葡萄牙北部城市区域在土壤和地表水出现中等偏高的氡危机。另外通过对1987～1992年室内氡辐射的测定，获得了大量数据并进行了统计学分析，对氡辐射风险进行了预测，为规划和建设提供支持。

地理信息系统（GIS）和多元统计方法被用来评估追踪香港城市郊区及乡村公园的重金属污染，和乡村公园相比，铜、铅、锌在城市和郊区的土壤中含量较高。元素的主成分分析与聚类分析结果显示主要元素和痕量元素在城市、郊区、乡村公园的聚类特征都不相同。运用地球化学与地球物理相结合的方法，研究波兰南部西里西亚工业区土壤中的地球化学污染异常，来精确绘制污染地区和绿色生态评估区域，该种方法经济有效，降低样品数量和化学分析，实地样品只局限于那些污染严重的地区。芬兰根据两个样品深度研究城市土壤地质化学基线，已经初步绘制了地质化学图。巴西圣保罗市在城镇体系中用铅同位素作为大气污染物示踪来研究铅污染的来源，铅的主要来源为工业废气、城市废气和汽车尾气。丹麦在土壤原位分析测试评价以及污染土壤原位修复方面介绍了最新研究成果。

3.其他

菲律宾在地质和地质灾害评估纳入环境影响评估和全国土地利用规划系统并成为一种制度方面，进行了有益的探索。另外俄罗斯、意大利、芬兰等城市的工程地质研究，意大利城市地区地面沉降的控制研究，以及地质信息系统与地质建模等方面由于篇幅限制不在详细介绍。

二、城市地质的几点思考

1.城市地质的核心部分仍是地质学

随着科技与社会的进步，城市地质学的概念不断在变化和拓展。城市地质学的核心部分仍是地质学，研究区域多为人口稠密、工业发达及城市化水平高的地区，这就要求在城市地区地质学研究的精度要大大提高。世界上每个城市所面临的主要地质问题不尽相同，城市地质学几乎会碰到地质学领域的所有问题和难题。城市地质学的单项研究比如城市工程地质、城市水文地质、城市地球化学等均为地质学的延伸或互相渗透，其内容可以延伸为城市的资源、环境、工程及安全等的可持续利用与发展方面提供保障。

2.城市地质的最大特点是综合性

本次33届国际地质大会由英国地质调查局提出“One Geology”的概念，目前翻译成中文比较多的提法是“大地质”，主要强调全球的统一成图，所有国家的联合合作成图，不同专业地质图的相互叠加与高效利用。城市地质其实可以理解成某城市的“One Geology”，这里不仅有整个城市地区的统一成图，更重要的还有众多地质问题的综合调查与研究，而不单单是某项地质工作的调查与评价。

城市地质学的性质，注定了其多参数、多目标、多学科综合的特性。城市地质学的综合属性，注定要组织跨学科、跨行业、跨部门的艰苦探索和攻关创新，注定了从事调查、研究的专家必须具备多元的知识结构和现代的管理理念。城市地质学知识系统的复杂性，注定了这门学科必须具备当代新学科、新技术、新方法的侧向分工和优势集成。城市地质学的用户众多，注定了其操作层面和服务平台必须具有多参数、立体化的“数字城市”的现代结构。

3.城市地质的生命力在于它的应用性

城市地质的特点决定了其成果必须具有很强的应用性和实用性，即如何使地质成果更好地应用到城市的规划、建设与管理中。在服务于城市规划方面，如何更好得为城市总体规划、区域性规划提供基础地质资料、为专业性规划提供相关的专项研究成果、为城市重大工程的规划选址提供综合性成果；在服务于城市建设方面，如何为地下空间的开发利用、重大市政工程所面临的地质问题、建筑工程的建设等方面发挥作用；在服务于城市安全方面，可为城市生命线（地铁、高架、防汛墙、天然气管网等）的安全运营、城市用水安全与应急水源地建设、防治地质灾害研究以及地质灾害应急抢险等方面服务；在服务于土地资源管理方面，可为土地利用总体规划修编与实施评价、基本农田的划定与保护、后备土地资源的利用、土地复垦与土壤修复、土地利用绩效评估等方面服务；在服务于生态环境保护方面，可为水土体的环境质量监测、垃圾处置场环境风险评估、生态住宅等方面服务。

4.城市地质的活力在于方法技术的革新

城市地质学作为一门学科，其自身理论体系的构建相对较复杂。从城市地质研究的内容来看，每一项都有各自的理论体系，从专业上来分比如基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质及地球化学等，从研究领域来分比如资源、环境及工程等。另外不同的城市其所开展的有针对性的研究课题也不尽相同，但归根结底还是与该城市所面临的主要地质灾害与地质问题有关，针对每种地质灾害的研究都有相互独立的理论体系，比如地面沉降、滑坡、泥石流、活动断层等。如何将不同的理论体系提高升华到城市地质的理论体系是一个非常复杂的难题。城市地质研究中的方法技术的革新将有助于城市地质理论体系的完善和构建。在进一步完善城市地质调查技术和工作流程规范基础上，编制《城市地质调查工作指南》，提高城市地质调查工作的效率。借助相关领域的新技术、新方法，尤其是GPS、GIS、RS等新技术，在调查的方法手段、不同专业领域的集成综合评价方法技术、地质灾害的动态监测与预警预报、地质成果或结论的从定性到定量判别、地质环境的数学模型与经济学分析、城市地质工作在城市经济发展中的贡献度等方面不断有新的突破和认识，不断提升城市地质的活力。

5.城市地质发展的动力要依托新的机制

我国城市地质试点工作已经开展了4年，每个试点城市都取得了丰硕的成果。新的工作机制探索将有助于城市地质工作快速的发展。今后城市地质工作中将加快建立健全长效管理机制，切实增强城市地质工作对经济社会发展的持续保障能力。完善深化调查成果和建立城市地质工作长效机制相结合，进一步加强城市地质调查成果应用示范，推进调查成果的深化和转化。深化完善地质信息动态更新、社会共享机制和建立城市地质工作长效机制相结合。深化完善调查成果转化工作与建立城市地质工作长效机制相结合。新的工作机制探索的目的主要还是使城市地质工作更好的纳入到城市规划与建设体系当中，以便更好的发挥城市地质工作的经济社会效益，提高在城市经济社会发展中的贡献度。

由于时间紧迫，城市地质涉及的专业众多，关于本次大会中城市地质研究内容的介绍难免会有些遗漏，另外文中的其他差错，敬请批评指正。在城市地质论文摘要编写、展板制作过程中得到了中国地质调查局庄育勋主任、翟刚毅处长、程光华教授，以及上海市地质调查研究院魏子新院长、严学新总工、王寒梅副总工、史玉金主任工程师等领导专家的悉心指导，特此感谢。在参加第33届国际地质大会期间以及本文的编写过程中，得到了与会的中国地质调查局代表团诸位团友的大力支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。

（何中发执笔）

❹ 城市三维地质结构调查内容包括

城市抄三维地质结构调查，主要调查城市所在的三维地层结构、工稗地质结构、水文地质结构，建立三维地质结构模型。
在三维地质结构调杏基础上，综合分析城市地下区域地壳稳定性、岩土工程地质条件、 地下水对工程的影响，进行地下空间可利用适宜性评价。

❺ 三维地质建模

一、内容概述

随着世界各国对资源需求日益上升以及对地质环境问题的日益重视，各国研究机构都将提高资源保障能力、缓解环境压力的目光逐步转向了地球深部，这就需要对地下空间有更详细、更好地了解。正是这种社会需求的不断增长，以及地理信息系统（GIS）、数字制图、数据存储和分析、可视化技术上显著的技术进步，直接促使了从传统的二维向三维地质填图（也称为三维地质建模）的过渡成为必然。

三维地质图是传统的二维地质图向三维的延伸。这些地图可以描绘三维空间内地下层叠地层的深度、厚度和物质性质。输出的结果是通过地质解译，以及严格应用原始数据、地质知识和统计方法而创建的完全属性化和数字化的三维模型。

二维和三维输出结果都采用了相似的地质构造单元分类，并针对特定用途和相关机构的需要，按照一定的比例尺和分辨率加以呈现。三维填图完成的三维地质模型可以为需要解决地球科学问题的客户提供信息，因为：①完成的三维地质图，可以以可理解的格式、用多种地图视图解释和描绘复杂的地质情况；②当有新信息可用时，可以制作和更新各种衍生或解译图；③针对地球资源信息的特定需求，根据客户需要进行发布和定制（Berg et al.，2011）。

二、应用范围及应用实例

目前，美国地质调查局的科学家使用三维/四维工具来进行以下工作：①可视化和解释地质信息；②验证数据；③验证他们的解译和模型。三维地质填图的例子包括对面向资源评价的地下空间描述，如美国中部的含水层描述，以及作为过程模型的输入参数，如美国西部的地震。同时，USGS希望通过开发新的三维/四维工具和框架，以及通过对现有技术的提高和更有效的利用，扩大其三维/四维处理能力来监测、解译和分发自然资源信息。

加拿大地质调查局已经将三维地质填图融入了各项工作。然而，地下水研究对于三维地质填图的需求还没有从传统的地质调查上完全转变过来。盆地分析的概念是加拿大地质调查局开展三维地质填图的基础。在此框架下，工作重点放在了数据收集和了解盆地的地质历史。盆地分析在地下水研究项目中已经作为一种常见的三维研究方法。后续在GIS软件中的数据处理、插值、可视化仍然酌情根据地理和地质的复杂性、研究目标和需求而定。

英国地质调查局的三维地质模型名为LithoFrame。它代表了地质图从二维扩展到三维（表1）。LithoFrame概念的核心是不同分辨率的模型彼此对应，形成从一般的全国模型到详细的现场模型的无缝过渡。

表1 LithoFrame分辨率的主要特点

注：LithoFrame比例尺：1M为1∶100万；250为1∶25万；50为1∶5万；10为1∶1万。

法国地质调查局的三维建模主要涉及3个领域：公共服务、国际合作项目以及与许多合作伙伴和客户合作开展的科研活动：

1）公共服务：欧盟、法语国家、地区政府和城镇机关；

2）国际项目：私营公司和外国政府；

3）研究：实验室和合作大学。

法国地质调查局的三维建模活动的主要应用领域是地质调查、含水层的保护和管理、城市地质、地震风险评价、土木工程、碳捕获和存储研究、地热潜力、矿产资源开采和采后评价。

国外地质调查机构用于创建三维地质图和模型最常用的软件套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三维GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。这些软件中，GSI3 D、三维GeoModeller和Multilayer-GDM由地质调查机构自行开发，并根据其机构对地质填图和建模的需求进行定制。许多其他软件包也用在地质调查机构的部分建模工作流程中，其中包括GIS、统计学分析、地震深度转换、可视化和属性建模的软件。

三、资料来源

Berg R C，Mathers S J et al.2011.Synopsis of Current Three Dimensional Geological Mapping and Modeling in Geological Survey Organizations.Ilinois State Geological Survey Circular，104

❻ mapgis k9三维建模需要哪些数据

mapgis k9三维建模现在主要包括两种方式，一种是钻孔多元耦合自动三维建模，需要将钻孔数据库标准化；另一种是交互式建模，需要建模范围内的剖面数据。细节还有很多，最好找书看。

❼ 城市地质三维建模的数据需求与数据组织

城市地下地质空间勘探研究不仅包括浅部的工程建设层，还应包括中部、深部地层。相对于其他地质勘察项目而言，城市地质勘察尤其是中心城区的地质勘察程度较高、资料较丰富，既有大量可精确描述地层的钻孔数据，又有大量根据钻孔和物探数据解释得到的剖面图、地层平面分布图、地质构造图等人工解释数据，这些数据表达地质空间信息各有特点，又都不同程度地存在表达三维信息的局限性和不完整性，如何充分利用各种数据的特点，通过数据耦合的方式建立城市地下地质空间三维地质模型是建设城市地下地质空间信息系统建设的关键。

（一）基础地理空间数据

这类数据主要包括地理底图（地形图）和遥感影像，地理底图主要用于钻孔点位、三维模型和基础地理空间信息的叠加定位，遥感影像则作为地表纹理数据叠加在地形模型上。地理底图类数据要求为GIS矢量数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件），这类数据一般按照水平分幅、垂向分图层的方式进行组织，如图3—1所示。遥感影像数据一般为JPG、TIFF格式，需要包含用于校正的控制点信息。

图3—1 海量底图逻辑结构图

（二）钻孔类数据

城市三维地质建模中最常见的一类建模数据就是钻孔数据。工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩土层分布状况，取得的岩芯（土样）还可以进行相应的室内试验获得其物理力学指标。钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义，根据钻孔数据构建三维地层实体模型一直是国内外三维地质建模领域研究的热点，并取得了一定的研究成果。

钻孔基本资料表，钻孔土层描述表，整体（标准）地层描述表是基于钻孔进行三维地质建模所必需的几个核心表，三个表所含有的建模必要字段、名称可以不与下述表的字段名称相同，但所代表的意义一定要相同。

1.钻孔的基本资料表（表3—6）

表3—6 钻孔基本资料表

说明：①日期型数据要统一格式；②孔口标高X，Y最好为国家坐标系；③其中1，6，9，10，11 项为三维建模必需项。

2.钻孔的土层描述表（表3—7）

表3—7 钻孔土层描述表

说明：①分层序号为同一钻孔内不同土层的顺序号；②其中1，2，3，4，7项为三维建模必需项。

3.全局地层描述表（表3—8）

表3—8 全局地层描述表

说明：①1，2，11字段为三维建模必需项；②说明字段“地层名称”和其他表中的字段“土质类型”是一致的。

全局地层描述表实际上就是一个“基本地层层序表”，其形成规则是：按照地层沉积顺序和形成年代，结合岩土体物理力学指标数据，自上而下按照由新至老的顺序进行排列。在形成此基本层序表的过程中，可能会出现地层顺序无法排列的情况，这需要结合工程勘察人员的经验，按照地层叠覆律进行确定。简单地说，地层层序要求建模区域内所有的地层都被自上而下的排序，并且在各个钻孔中的顺序都不变。

事实上，地层层序并不见得对所有的钻孔都合适。由于地层尖灭，透镜体等存在于局部区域，特定的地层可能只在一部分区域连续，而在其他地方被另外的地层切割。采用“全局地层层序”的概念能够容易的表达这些复杂的地质现象。

下面是关于“全局地层层序”必须满足的一些基本规则：

（1）如果在一个钻孔中，地层A在地层B的上面，则在“全局地层层序”中，A在B的上面。

（2）如果在钻孔1中地层A在地层B的上面，而在钻孔2中地层B又在地层A的上面，则：

①在地层层序中至少有3个地层；

②必须使用其他的钻孔来确定地层层序。

（3）“全局地层层序”中地层的数目不少于：

各个钻孔的地层数目的最大值+在该钻孔（即具有最大钻孔数目的钻孔）中不存在的所有地层的数目。

4.其他数据表

包括土试数据表等不是三维地质（结构）建模所必须，在此省略。

（三）平面地质图类数据

1.一般格式

要充分利用平面地质图所蕴涵的地质构造信息来建立三维地质结构模型，需要首先将现有的纸质图件数字化为电子图件或者将原有的电子图件转化为建模系统能够识别的电子图件格式，如下：

（1）平面地质图采用GIS图形数据格式（如MAPGIS *.wt，*.wl，*.wp文件）进行存储，可利用GIS图形编辑模块进行查看、编辑、修改等操作。

（2）一个地质平面图可用一个工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储。这个工程文件须记录完整的平面图信息，如坐标系类型、投影参数、比例尺等。

（3）每一个工程文件（如MAPGIS*.mpj）由以下文件组成（其中第一个是必须有的）：

①区文件记录原地质平面图中的地质单元分区信息。主要属性字段有：ID，面积，周长，区域类型，地层编号，备注。

②弧段属性结构，记录地质单元分区中的线属性。主要属性字段有：ID，长度，弧段类型，断层编号，盘类型等。

③*.wt：图上必要的标注信息。

④另外，如果有其他内容需要记录下来，可另在工程文件中附加其他点、线、面文件。

2.等值线格式

有些平面地质图含有等高线信息（如地层埋深等值线），这些等值线对建模有同样的重要意义，需要将等值线信息进行标准化，记录下等高线类型、数值等信息。

等值线数据可采用GIS工程文件格式（如MAPGIS *.Mpj）组织，也可以采用单独的点、线文件格式（如MAPGIS *.wt、*.wl）组织。但无论采用何种组织方式其包含的三维地质建模基本信息如下表所示：

（1）顶、底板埋深等值线文件（结构建模）格式。地层顶、底板埋深等值线文件属性结构如表3—9所示。

表3—9 地层顶、底板埋深等值线文件属性结构

（2）等厚度线文件（结构建模）。地层等厚度线文件属性结构如表3—10所示。

表3—10 地层等厚度线文件属性结构

（3）高程点文件（结构建模）。高程点文件属性结构如表3—11所示。

表3—11 高程点文件属性结构

（四）地质剖面类数据

每个地质剖面采用一个GIS工程文件（如MAPGIS *.mpj）来存储，地质剖面数据采用GIS图形数据格式（如MAPGIS*.wt，*.wl，*.wp）分图层进行存储，可利用基于GIS图形编辑功能开发的“地质剖面编辑器”查看、编辑、修改剖面图。

在地质剖面输入与标准化处理时，采用以剖面起始点、终止点、拐点为地质剖面空间形态表示核心数据，轮廓区域作为三维地质结构建模核心数据。对于每个剖面工程文件，主要记录以下图形和属性信息：

1.定位点文件（必备）

剖面定位点文件要在剖面上标识出剖面起点（X0，Y0）、终点（Xn-1，Yn-1）剖面所经过的中间点（Xi，Yi）。由于剖面图在垂直方向上没有转折，另外用户还要输入两个以上高程控制点Hj和Hj+1，这样系统就可以自动计算剖面的水平、垂直比例尺及剖面实际空间位置，如图3—2所示。

图3—2 剖面定位点标识示意图

定位点属性结构如表3—12所示。

表3—12 定位点属性结构

2.地层区文件（结构建模）

地层区文件中既要定义每个区的属性结构还要定义构成区的弧段的属性结构（表3—13，表3—14）。

表3—13 地层区文件区属性结构

表3—14 地层区文件弧段属性结构

3.地层线文件（结构建模）

地层线文件属性结构同地层区弧段属性结构。

4.钻孔线文件（钻孔建模必备）

钻孔线文件属性结构如表3—15所示。

表3—15 钻孔线文件属性结构

5.断层线文件（断层建模必备）

断层线文件是进行基于剖面的断层建模所必需的数据，其属性结构如表3—16所示。

表3—16 钻孔线文件属性结构

（五）地质空间数据的规范化和归一化

城市地质空间基础数据，数据层面多，来源不同，采集于不同时期，数据类型亦不同（地理底图、遥感影像、地质图、钻孔等），即是都是地图数据，其投影方式、坐标体系、地图单位等参数也不一定完全一致，进行三维地质建模前除按照上述数据需求准备数据外，按照一定的标准对系统数据进行规范化处理是非常有必要的。所谓数据的规范化处理是指按照国家标准、行业标准、地方标准或系统建设标准对数字化后的地质资料分类进行数据的预处理、概括处理等。

1.数据预处理

坐标配准：将各层次数据的空间坐标体系都转换成统一的坐标系（如城市坐标），地图单位也要统一（如以米为单位）；投影规一化：用GIS的投影转换功能把各数据层转换成统一的投影方式；遥感影像矢量化：遥感数据必须经过矢量处理、加注属性、建立空间拓扑关系后使用；确定统一边界：对研究区域确定统一的标准边界，用叠加和切边操作使各数据层的边界完全一致。

2.三维建模数据的概化处理

在所有的数据规范化处理工作中最关键的也是最具挑战性的工作是地层、钻孔、剖面、构造地质图等三维地质资料的概化解释工作。也就是要建立三维地质模型，再通过必要的渲染和可视化表达分析手段模拟城市地下地质空间的状况。城市三维地质建模主要使用两类数据：一类是反映地表变化情况的基础地理数据，如地理底图、DEM数据、遥感影像数据，这类数据对三维地质模型只起空间定位、地形约束、修饰作用；另一类是映地下地质结构变化情况的地质勘探解释数据，如钻孔、剖面、地质图等，进行三维地质建模时需要使用这类数据精确确定地层、断层等点状、线状、面状及体状的地质构造信息，这类数据是进行三维地质建模的关键数据。由于三维地质模型的确定性和拓扑严格性，相应地也要求这类数据必须具有严格的、确定的几何和拓扑一致性。

考虑到项目搜集到的钻孔数据多来自于不同时期、不同项目的成果，由于当时勘探目标、所依赖的标准不同，甚至因不同人的认识不一样，导致对同一区域或相近区域地质现象解释的详细程度和划分结果不一样，甚至差别非常大或是自相矛盾，这对于强调全市范围内应用的城市地质调查成果表达和三维地质建模来说是无法接受的。基于不同勘探资料解释得到的剖面图、地质图也存在同样的问题，且由于编制这些图的原始目的主要是进行成果的表现，制图人员多是从制图的角度考虑如何修饰、如何好看，并没有过多考虑图面上地质元素的拓扑、几何的严格和一致性，而这些都是进行三维地质建模所必需的。

鉴于上述原因，系统建设过程中需要结合三维地质建模对数据精度和一致性的要求，按一定的规则对原始钻孔、剖面、地质图进行概化处理，使得这些反映垂向地质结构的数据逐步变得有序化，为进一步自动或半自动生成三维地质模型奠定基础。

上述工作主要借助现成的GIS工具（如MAPGIS等）软件或其他工具软件完成结合专业人员知识经验完成。

❽ 城市地质环境评价原理

城市地质环境评价与区划涉及的是一个与自然科学和社会科学相交叉的研究内容，因而主要的研究方法也会是多学科的理论与方法。主要运用了在评价过程中对地质安全性研究中体现地壳稳定性和建筑物安全过程的协同论原理，体现在安全保障前提下评价建设用地适宜性时运用层次性原理来体现问题研究的协同论;在风险评价过程中对灾害发生运用突变性原理来体现风险发生时的协同论。同时，在相关评价研究中也会运用到可持续发展的理论与方法、经济学中数量经济的理论与方法等。

一、人地协同理论

人地协同理论是研究人类与自然之间和谐共存、反馈与制约、利用与合作、发展与协调等系列关系及规律的科学。对人地协同理论的研究，首先应从人地关系入手，人地之间的客观关系是人对地有依赖性;地是人赖以生存的物质基础和空间场所，地理环境影响人类社会的地域特性，制约着人类社会活动深度、广度和速度。在人地关系中人居于主导地位，人具有主观能动性，地理环境为可被人类认识、利用、改变和保护的对象。人地关系是否协调或矛盾，决定于人、地两个方面。人地协同理论涉及众多的原理，最为主要的是层次等级性原理和突变性原理等^［1，2］。

(一)层次等级性原理

层次等级性原理是把整个客观世界看做一个结构有序的、多层次等级结构的统一体。客观世界的多样性、统一性正是通过层次性表现出来的。在一个系统中，无论结构还是功能都具有等级性，处于不同层次的等级系统，具有不同的结构，亦具有不同的功能^［3］。

地质环境是城市环境系统的载体，城市建设用地评价是对城市地质环境系统的资源配置过程。因此，层次系统论在地质环境、建设用地评价利用规划及它们的相互关系中有着重要的指导作用。层次系统论对建设用地利用规划中的地质环境分析的指导作用主要体现在以下几个方面:

1)建设用地评价利用规划要从整体性角度研究和把握建设用地评价中考虑的问题。

2)“地质环境系统”和“社会经济系统”是建设用地评价与规划的子系统，有必要把二者进行整合作为一个“复合系统”加以研究。

3)城市建设用地评价利用与规划的地质环境分析是将地质环境条件对城市建筑用地利用影响的内在机理，城市空间发展布局、土地利用模式及地质环境适宜性等作为城市土地功能规划的重要基础研究内容，是强调地质环境和规划功能的整合与统一。这正是系统论的基本思想和内涵，也是城市土地可持续利用和建设用地功能规划研究的根本点和出发点。

4)建设用地的功能规划的地质环境条件分析将“城市建设用地功能—地质环境系统”的结构性、开放性和动态性作为建设用地功能规划的重要内容。从整体上研究系统结构与功能、系统与环境的相互关系。

(二)突变性原理

“突变”是强调变化过程的间断或突然转换的意思^［4，5］。突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。地质环境系统的演化是系统由一宏观的稳定态变为非稳定态，再向另一新的宏观稳定态转化的过程^［6］。

地质环境系统由稳定态向另一新的稳定态转变的过程必然经历了一个失稳的阶段，在这个阶段各种过程可以渐变的方式完成系统质的变化，也可以突变的方式发生质变。例如，地震是地球内部能量释放的突发现象，对城市的破坏可能是毁灭性的，如唐山大地震、汶川大地震。同样，构造蠕变也是地球内部能量释放的一种方式，不过它是以渐变的形式进行的。又如岩土的侵蚀、泥石流、崩塌这些突发事件也可以渐进的水土流失方式进行。至于滑坡就有突变性和蠕动滑移的两种形式^［7］。

地质环境系统的渐变和突变并不是完全独立的，一种因素或状态的变化仍会对另一种因素或状态产生影响。例如，地面塌陷可以沟通地表水与地下水的联系，还可使水质发生改变。地表水的渗入可以减缓地下水的下降速度，并因地表水的掺和而使水质发生变化^［8］。大量的研究表明，突变的发生都有一定的前兆，这个累进性的酝酿阶段是非常敏感的，突变之前存在一个增长、加速渐变的进程，这一点对于灾害预报有着特别重要的意义。如地震、滑坡、地面塌陷等地质灾害即有产生、发展和破坏过程。

二、可持续发展理论

“可持续发展”是1987年以挪威前首相布伦特兰夫人为首的世界环境与发展委员会提出的理念。可持续发展理论作为一种新的发展观和发展战略，得到国际社会的广泛认同，成为许多国家选择发展目标和制定发展规划的基本理念。

城市建设用地利用评价与规划的实质就是协调人的社会经济活动和自然地质环境发展过程中的土地资源的合理配置，使之达到城市土地合理利用、地质环境受到保护、经济稳步增长的效果。城市建设用地评价与规划利用是一个以社会属性、经济属性及自然过程为相互关系构成的社会经济自然复合系统，在这样的系统中虽然人的活动占着主导地位，但不能摆脱自然生态过程的制约。可持续发展理论对城市建设用地利用规划的指导作用，主要体现在以下方面^［9，10］:

1)可持续发展强调社会、经济、环境的和谐发展。破坏地质环境的经济发展或者不能促进当地社会经济进步的环境发展并非是可持续的。因此，从科学合理利用城市土地资源，保护地质环境的角度出发，以地质环境条件对城市土地利用的制约与影响进行土地利用规划的地质环境评价研究是必需的。

2)可持续性原则的核心是可持续的，其主导思想是科学合理利用自然地质资源为人类社会经济发展服务。一方面地质资源与环境是人类生存与发展的基础条件，离开了地质资源与环境就无从谈起人类的生存与发展，所以可持续发展要求人们根据可持续性的原则开发利用自然地质资源。超越了地质环境所能承载的极限将会阻碍城市经济增长和地质环境的破坏。另一方面，人类对城市土地资源的利用与保护也不是完全被动的，而应该遵循自然规律，充分发挥主观能动性，对城市土地资源加以保护和利用，以提高城市土地资源的利用效率。

三、数量经济和模糊优化理论

数量经济学是在经济理论的分析基础上，利用数学方法和计算技术，研究经济数量关系及其变化规律的经济学科。通过经济数学模型来研究经济数量关系，是数量经济学的特征。数量经济学在经济科学体系中的地位，相当于数学在所有科学中的地位。由于它以特有的经济数学模型方法专门研究经济数量关系，从而为其他经济学科的深化提供了一般的分析方法和方法论。在这个意义上，数量经济学是一门方法论学科。另外有人认为，数量经济学是研究经济数量关系的计量学科，或是研究组织管理的方法和技术的学科^［11］。

数量经济学的方法主要是经济数学模型方法，包括经济系统分析、经济计量分析、投入产出分析、费用效益分析、最优规划分析、电子计算机模拟，等等。在研究和使用这些经济数量分析方法时，应遵守一系列原理和原则，如量的分析要以质的分析为前提，生产技术联系要与社会经济联系相统一，对数学和电子计算机的作用要有正确的评价等。

数量经济学与技术经济学等学科既有密切联系又有所区别。数量经济学与技术经济学在内容上有相互交叉、重叠的部分。例如，费用效益分析、最优规划分析等既是数量经济学的重要方法，又在技术经济计算中广泛采用。数量经济学与技术经济学的区别在于，两者研究的范围和侧重面不同，后者只研究生产力方面的数量关系问题，前者还研究生产关系方面的数量关系问题;后者是从宏观角度来研究微观问题，前者是在微观研究的基础上侧重于宏观问题的研究^［12］。

模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极地将其严密地量化成计算机可以处理的信息，不主张用繁杂的数学分析，即用模型来解决。最优化理论是指自然选择总是倾向于使动物最有效地传递其基因，因而也是最有效地从事各种活动，包括使它们活动时的时间分配和能量利用达到最佳^{［13～15］}。其理论应用详见后面评价方法论述的相关章节。

❾ 对三维地质建模的一些新认识

三维地质模拟的目标是将离散的空间地质采样样本点数据转变为连续、可视的三维地质模型。国内外在该领域的研究重点、研究方法及应用领域等方面存在一定的不同。

(1)西方发达国家越来越重视能源与环保在国家战略中的重要地位，研究重点集中在石油、天然气的开采，地热、水资源保护与利用等方面；而国内处于经济快速发展阶段，对基础设施，尤其是城市地下空间开发、高速公路隧道等方面，有巨大的需求，从而推动地质建模方法的研究开发与利用。实质上，这里存在一个地质建模尺度问题，地质建模分为区域尺度、工程尺度、统计尺度、标本尺度(张发明，2007)，国外地质建模重点在于表现区域尺度特征(如波兰已建立的国家级地质模型)，就可以忽略地质中的一些细节，比如地层以系为单位，则做出来的模型大气而又漂亮。而国内现在的重点在工程尺度上，需要对影响工程建设的褶皱、断层等构造进行精确描述，对建模技术有相对较高的要求。国外以其雄厚的技术实力，在矿山开采地质建模方面处于技术领先地位，但矿山行业的重点在于对矿石品位及储量的评价和预测方面。

(2)从对地质体内部属性的处理分析方面，可将地质建模分为结构建模和属性建模(潘懋等，2007)。结构建模侧重于对地质体空间位置、几何形态和空间关系的表达，认为地质体内部属性是均一的；属性建模则通过地质统计学等方法实现地质体内部属性的非均一性表达。结合地质勘探的数据成果，地质建模可从结构建模开始，由结构建模来展现地层和构造的宏观分布，然后经过属性插值来反映其内部差异。

(3)目前，还没有一种地质建模方法能适合所有的应用领域。试图以一种方法来建立研究区域的三维地质模型，缺少对不同场地特征的层次性考虑。实际应用中，应根据具体的三维建模目的、地质构造特征及现有地质资料来选择合适的建模方法。根据建模所使用的数据源不同，如野外实测数据(地质测绘、钻井数据)、人工绘制数据(如地质剖面)及多源数据等，并结合场地特征，选择适合的地质建模方法。可以对地质建模从技术上进行总体分类：数据驱动型和技术驱动型。在当前工程实践中，地质信息的获取以地表的地形地质测绘、地下的地质勘探为主，以卫星遥感、物探等技术为辅，以现有工程地质数据建立研究区域三维地质模型构成数据驱动型建模方法。随着建模技术的发展和三维地质信息获取手段的丰富，以已有建模技术和应用目标为导向，进行相应的地质信息获取，然后建立三维地质模型，这种方法称为技术驱动型建模方法。

(4)将三维地质模型应用于实际工程中才是地质建模的本质目标，通过工程应用发现问题，反过来可以推动地质建模方法的发展。对比国内外在三维地质建模研究方面的差距，可以发现国外集中在三维地质体的可视化表达、建模技术及应用技术三个领域，而国内则集中在系统架构、外在表现形式方面研究较多，对于其中可能涉及的关键技术研究的相对较少。

❿ 城市水土环境变化环境地质指标体系

一、城市水土环境变化调查指标体系

本项目依据环境地质指标的构建原则，基于我国在城市水土环境方面的大量研究，结合国内外为应对城市水土环境变化而设立的各种地质环境调查指标设计，以影响因素→状态变化→危害与后果为主线，按影响指标（危险性）、状态指标（状态变化）、后果指标（危害）进行分类，构建城市水土环境变化地质环境调查指标体系，具体指标见表7-3。

表7-3 城市水土环境变化地质环境调查指标体系

其指标主要涉及城市水土环境变化过程中地表系统的物理、化学作用，以及生物/非生物演化过程，以状态值或短时间尺度的变化来测量或监测城市水土环境变化的过程。影响、状态和后果三个方面相互结合，全面系统地揭示了城市水土环境变化的本质。

（一）影响指标

1.地形地貌

地形地貌指标选用地貌类型、地形坡度和山地面积三个参数。我国地貌类型的多样化使得不同地域的城市地貌类型组成、复杂程度不同，山地所占面积不同，地形坡度亦不同，因而可能产生的水土环境问题的类型和程度大不相同。如地形的复杂程度及斜坡坡度控制着崩塌、滑坡、泥石流产生的临空条件。

2.包气带

包气带是指位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。土壤类型是具体监测土壤这一自然影响指标的参数。是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带，它是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。备选参数中，土壤类型对地下水的入渗补给量具有显著影响，同时也影响污染物垂直向非饱和带运移的能力。特殊土是指具有特殊物质成分和结构、赋存于特殊环境中、易产生不良工程地质问题的区域性土，如黄土、膨胀土、盐渍土、软土、冻土、红土等。当其与工程设施或工程环境相互作用时，常产生特殊土地质灾害。包气带地球化学反映各种元素在包气带中的迁移和富集规律，城市包气带介质中元素的地球化学分布特征不同，产生的水土环境污染具有不同特征，原生地球化学异常会导致某城市特殊的水土环境问题。

3.水文

在城市发展中，一些不合理的湿地开发行为导致其功能退化，美国农业部门研究表明，城市化进程都涉及侵占实地问题，美国已经丧失了58%的湿地，由此可见，湿地面积可以反映城市水土环境开发建设的合理性。城市地表水体水文过程直接制约着污染物在水体内的迁移转化，危及到地表水水质安全所在。随着水位的变化，其底质环境范围也在增加与减少，不同高程的土壤淹没与否，导致其形成底质中主要离子的溶解与析出，引起其在水体中浓度的变化。另外，在一定变化范围内，通常流量愈大，其主要离子的含量愈小。所以选用河、湖及其他地表水体（包括湿地、季节性积水洼地）的流量和水位描述水文对城市水土环境的影响。

4.水文地质

本研究选用含水层岩性，非饱和带介质岩性，含水层导水系数三个参数对水文地质条件进行描述。地下水污染物的扩散和动态分布特征与水文地质背景密切相关。对同一污染源而言，地下水污染通道、主要途径以及污染风险大小都取决于其固有的水文地质特性。

含水层岩性影响地下水的渗流，污染物的运移路线主要由含水层岩性所控制。一般情况下，含水层岩性的颗粒越粗或裂隙和溶洞越多，渗透性越大，含水层岩性所具有的稀释能力越小，含水层的污染潜势越大。

非饱和带的介质岩性决定着土壤层和含水层之间岩土介质对污染物的削减特性，因此非饱和带也对地下水遭受污染产生影响。

含水层导水系数反映含水层介质的水力渗透性能，控制着地下水在一定的水力梯度下水的流动速率，而水的流动速率控制着污染物在含水层内迁移的速率。

5.气象

选用降水量，酸雨（pH、强度、频度），沙尘暴（风速、大风日数）三个参数对影响城市水土环境变化的气象因素进行描述。

（1）降水是陆地上一切水资源的补给来源，是一种潜在的水资源。通常降水与河川总径流量、地表水资源量都具有良好的对应关系，另外，它还是地表水的重要补给，因此本研究选用降水量对降水进行监测。

（2）酸雨对水环境的直接后果就是水体酸化，而水体酸化将引起水体中一系列物理、化学和生物变化，这些变化相互关联，最终导致水中元素的含量、形态和生物有效性发生改变；另外，酸雨对土壤环境也产生重要影响，主要表现为：盐基阳离子的淋失，土壤pH值下降，酸中和容量减小，土壤中铝的活化等。本研究选用酸雨pH、强度和酸雨率三个参数对酸雨进行刻画，其中酸雨率为该地区酸雨次数除以降雨的总次数。其最低值0%，最高值为100%。如果有降雪，当以降雨视之。

（3）沙尘暴会使土壤受到不同程度的风蚀危害，沙尘暴特别是强沙尘暴危害巨大，轻者刮走表层土，重者可使土壤变得贫瘠粗化。本研究选用沙尘暴强度、持续时间和频率三个参数对其进行刻画。

6.生态

分别选用绿地率和地面硬化率作为刻画城市生态的正向和逆向参数。这是因为城市绿地具有诸多水文效应。对保持城市水土环境具有至关重要的作用，通过绿地土壤入渗及贮存作用，实现降水的再分配，延长水资源在流域的滞留时间，增加大气降水的有效利用，城市绿地植被可以净化水质，过滤、吸收或吸附各种营养元素和污染物质，分泌抗菌物质、减少细菌数量，为水输送氧气，保护和改善水质改善流域水环境。相反，过量的地面硬化率则不利于城市生态的健康发展。它使城市地下水得不到有效补充，造成城市缺水现象严重。另外，由于水量下渗的减少，使城市土壤本来可以发挥作用的环境净化功能不能有效利用，土壤水库功能不能发挥。更为严重的是，由于城市地表存在大量的尘土，其中包含大量的污杂物，因此径流的形成虽然似乎能洗涤地表，但也将这些污染物快速地带入了城市通道，进而污染城市水土环境。严重污染的城市地表径流，直接从城市雨水管道口流入内河，污染了河水，造成城市水土境保护的恶性循环。

7.水资源开发利用

水资源开发利用是影响城市水资源多寡的重要因素。目前城市由于经济发展和人口膨胀，导致地表水利用量和地下水开采量增加，有些城市，甚至超过水资源可开采量，由此引发一系列水资源问题。因此本研究选择地表水利用量、地表水可利用量、地下水开采量、地下水可开采量描述城市水资源开发利用情况。

8.人为地质营力

（1）人口。众所周知，城市人口分布过密，当人口数量超过其承载能力，就会带来严重的水土环境破坏，为了满足日益增长的人口生活需求，势必索取足够的水土资源，而过多的人口，在占有了水土资源之后，又将污染物排入水土环境，最终导致城市水土环境逐步恶化。因此选用总人口、人口密度以及人口增长率来描述城市人口规模和增长对城市水土环境的影响。

（2）社会经济。城市工矿企业密集，工业废水、废渣，使水土环境污染程度远比乡村严重得多。另外，企业单纯追求经济效益，忽视环境效益和生态效益，工业发展中，资源消耗较高，综合利用率较低等对水土环境产生不利影响。因此选用GDP、GDP增长率、万元GDP能耗、万元GDP水耗对社会经济对水土环境的影响进行描述。

（3）城市建设。城市建成区在单核心城市和一城多镇有不同的反映。在单核心城市，建成区是一个实际开发建设起来的集中连片的、市政公用设施和公共设施基本具备的地区，以及分散的若干个已经成片开发建设起来，市政公用设施和公共设施基本具备的地区。对一城多镇来说，建成区就由几个连片开发建设起来的，市政公用设施和公共设施基本具备的地区所组成。建成区占城市地区总面积的比例，反映了城市土地利用结构的合理化水平，它能直接影响城市土地资源的布局，也能间接影响城市水环境的状况。此外，农业用地比例和矿山开发程度，直接影响城市水土环境的变化。

（4）污染物排放。污染物排放是导致城市水土环境恶化的重要源头。本研究主要选取与城市相关的主要污染源，包括工业废水排放量及主要污染物排放强度、生活污水排放量及主要污染物排放强度、固体废物（包括工业固废、生活垃圾、危险废物、医疗废物、城市污水处理厂污水处理产生污泥等）渗滤液产生量及主要污染物强度等。

（5）污水处理率。污水处理率指经过处理的生活污水、工业废水量占污水排放总量的比重。计算公式：污水处理率=污水处理量/污水排放总量×100%。

（6）雨洪利用率。我国诸多城市一方面水资源短缺，另一方面过境洪水利用率低，形成过境水量大、利用率小、洪涝灾害和持续干旱频繁发生的局面。因此有必要将雨洪利用率纳入人为地质营力可测量参数范围内。

9.工程地质

城市规划与工程建设会影响城市水土环境变化，本文结合已有的城市工程环境地质指标和城市水土环境因素，选择边坡稳定性，容积率和场地土类型作为测量参数。其中，容积率是衡量建筑用地使用强度的一项重要指标。其计算公式为：容积率=总建筑面积÷建筑用地面积。

10.城市地质灾害

本部分选取了对城市水土环境变化具有明显影响的地质灾害作为测量参数，可测量参数包括滑坡、泥石流、洪涝灾害发生频率，地震发生频率和烈度。

（二）状态指标

状态指标包括水土环境和水土资源两方面的内容，其中水土环境包括地表水水质、地下水水质和土壤质量三个地质环境调查指标；而水土资源包括水资源量、地下水位和土地利用三个地质环境调查指标。下面逐一对环境地质指标进行简单阐述。

1.地表水水质

地表水水质反映了城市地表水环境质量状况。在人类活动密集的城市区域，自然因素对水环境的作用相对微弱，水质主要与人类的生活和生产活动密切相关。因此在选择可测量参数时，既要考虑到常规水质参数，如pH、水温、COD、BOD、凯氏氮和非离子氨、酚、氰化物、砷、汞，铬（六价）、总磷等，还要依据城市工矿企业排污特点确定特殊水质参数，如一些重金属参数和有机污染物参数。当需要对地表水水质进行综合评判时，应选用地表水质综合指数和地表水质级别来进行判断。

2.地下水水质

地下水水质反映了城市地下水环境质量状况，它同样受到自然和人为两方面的影响。通常选用地下水主要化学类型表征地下水原生化学特征。用常规水质参数和特殊水质参数表征地下水受人类活动影响化学特征的变化。当然，在对地下水水质进行综合评判时，同样选择水质综合指数和水质级别进行表征。

3.土壤质量

土壤质量反映了城市土壤质量状况。与水质指标类似，它既受原生土壤性质的影响，也受到人类活动的干扰，通常，人类活动的影响更大。在选择土壤质量可测量参数时，本研究选择pH，含水率，重金属浓度，有机物浓度等对其进行刻画，各污染物的选择要充分考虑当地工矿企业的排污特点以及生活垃圾的污染情况。而土壤质量综合指数和土壤质量级别是对土壤质量进行综合评判的参数。

4.水资源量

水资源量是衡量城市水资源多寡的重要指标。目前这方面的监测参数研究较为成熟，选用地表水资源量、地下水资源量和水资源总量对其进行监测。

5.地下水位

地下水分为潜水和承压水，水位不仅反映地下水资源的状况，而且能够反映地下水环境的状况。因此选用潜水埋深和承压水水位进行表征。具体介绍见第五节重要环境地质指标释义。

6.土地利用

城市的土地空间是城市的物质载体，也是城市一切经济社会活动发生的场所和经济社会关系的物化表现。城市土地利用方式，是城市人口增长、规模扩大及经济社会变迁带来的物质性结果。同时，城市土地空间不同的用地特征，也可反映不同的城市特征以及城市化的不同阶段。通常城市土地利用方式从数量和结构两方面刻画城市土地资源，是描述城市水土环境状况的重要指标。城市土地按其用途可分为：工业仓储用地、住宅用地、商业金融用地、交通用地、公共建筑用地、市政用地等，其中工业用地、住宅用地和商业金融用地是城市总用地中所占比重大，对城市土地利用整体状况起决定作用，并对城市的性质和功能具有重要影响的地带。因此，在城市土地资源现状研究时，应对工业用地、住宅用地和商业金融用地的面积和结构进行重点描述。

（三）后果指标

1.水资源衰减

水资源衰减的直接表现是水位下降和缺水，表征二者的直接参数为水位降深、水资源衰减量和地下水可开采变化量。

表7-4 城市水土环境变化地质环境监测指标体系

2.海水入侵

陆地淡含水层的水位一般比海水水位高，但沿海城市经过长期大量抽取陆地淡含水层，会使其地下水位低于海水水位，导致海水（咸水）通过透水层渗入陆地淡含水层中，从而破坏地下水资源。表征海水入侵的参数有海水入侵面积和年入侵速度。

3.地面变形

地下水漏斗是城市超采地下水的直接后果。由于地下水的过量开采，导致水位大面积持续下降，破坏了地下水天然平衡状态，最终产生了持续下降的降落漏斗，进而加剧了城市的缺水状况。地下水漏斗面积，地面塌陷面积和地裂缝是监测地面变形的重要参数。

4.土地退化

城市地面不透水面积的增加，使得下垫面发生了根本变化，明显地改变了降雨径流的自然形态，从而造成城市水土流失现象，因此水土流失强度是一个重要衡量参数。如今，城市土地沙化、盐渍化面积的扩张是不容忽视的测量参数。

5.水土环境污染

水土环境污染是由于人类直接或间接地向城市水土环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而导致水土环境质量降低的现象。水污染主要是水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改变，从而影响水的有效利用。土壤污染是指当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化。通常用水土环境主要污染物超标率，污染程度，污染面积来表征污染的后果。

二、城市水土环境变化地质环境监测指标

在调查指标体系的基础上，根据“指标体系构建及应用的技术路线”，按照“PSR”模型确定城市水土环境变化地质环境监测指标体系，具体监测指标如表7-4。