0 引言

地质工作是经济和社会发展的一项基础性、先行性工作。在长期的地质工作后会形成大量的文字、图表、影像、数字等形式的原始地质资料和成果地质资料，其内容包括地理地貌、基础地质、水文、工程、环境、遥感、物化探、矿产、探矿工程等，这些资料对下一步科学部署地质工作、减少重复工作等具有重大意义。如何有效储存、管理、查询、分析这些资料，充分发挥地质资料的作用，成为地质工作中重要的一环。随着计算机制图技术和建模软件的不断成熟，数字地质三维建模逐渐兴起，已成为重要手段之一。数字建模的方法多种多样，大致可以概括为3种：

（1）传统的剖面图法数字化以多个剖面图组合形式表述三维地质结构，因剖面之间缺少数据，这类模型只能大致表达三维地质骨架（庄文明等， 2017a）。

（2）在二维平面图上，以数值点、等值线等形式表达某个地质界面的高程或地质体的厚度分布情况，获得三维效果，需要在二维平面上设置一定密度的数值点获取原始数据，数值点之间通过插值产生可靠的新数据，最终生成等值线，工作程度越高，数值点密度越大，反映的界面越精确，这种模型简单实用，适用于单一的地质专题（庄文明等，2017b； 胡秀芳等，2021）。

（3）可视化三维实体模型，该模型可以直观地表达地质实体的三维空间分布情况，如湖南锡矿山锑矿飞水岩矿床进行深部找矿预测（孙才红等， 2023）；基于 GOCAD 软件工对工程勘察区进行三维地质实体建模（张婉秋等，2022），基于 3DMine 软件实行多源数据融合，融合地理、地质、物化探、遥感、钻探、采矿等数据建立由点、线、面、体组成的数据数据库，实现三维实体地质模型（吴志春等，2016； 李金勇等，2022；张巨伟等，2022）。

本模型以 ArcGIS 地理信息系统为平台实行多源数据融合，构建一个在点、线、面、栅格、影像等要素构成的二维平面图上显示各种特征属性的可视化地质模型，相当于第二种方式的多个模型组合和升级，因增加了面、栅格、影像等要素，使得第三维除了高程、厚度等夹义三维概念外，补充了倾角、岩性、岩相、年龄、物化探、遥感数据等作为第三维，属于广义三维概念，即本模型是多维度组合模型。是集地理地貌、基础地质、第四纪地质、基岩地质、矿产地质、钻探工程、土壤类型于一体综合性数字地质模型，具有资料库及数据分析两种功能：

（1）在资料库方面，该模型集各种图件在一起，完全替代交通地理图、地形地质图、矿产地质图、第四系地质图、基岩地质图、钻探工程分布图、土壤分布图等资料性图件。

（2）数据分析方面，该模型可以对数据进行各种运算，如逻辑运算、统计运算、数学运算等，生成新的数据，输出相应图件。

近几年笔者在构建模型过程中使用模型、完善模型，通过模型可较快地提前了解研究区地质情况，指导项目策划和设计；研究完成后，又为模型增添新的数据。

1 模型的构成

1.1 模型的基本单元

图层是模型的基本单元，是各种平面图形及其所带的属性表的集合，用于表达某一类地质特征属性的文件，每个图层都是一个独立文件。图层由要素构成，要素是用于表达各种地质特征属性的数字化符号，如用点符号表达钻孔位置，用曲线来表达断裂构造，用面（多边形）来表达一个区域出露的一类地层，用方形栅格表达这个栅格范围的平均高程，用方形栅格来表达这个栅格的地物影像特征等。按其形式，要素可划分为点、线、面、栅格、影像等类型，在 ArcGIS 中，一个图层只能由同一类型要素构成，不同类型的要素不可能出现在同一图层中，因此图层按其要素类型也可划分为点、线、面、栅格、影像等类型。

每个图层都有很多属于自己的特征属性，每个要素都有自己的属性特征值，ArcGIS中点、线、面的特征属性写在每个图层所带的属性表中，如地层岩性图层的属性（表1），第一行是特征属性名称，其中 FID 是某个要素的 ID，相当于要素的序号，Shape 是要素类型，二者是属性表中固定字段，其他如地层单位、代号、岩性、岩相、厚度等都是图层的特征属性名称。各行是各要素对应的属性特征值，该值可以是数值、文本、日期等，有些也可以是空值，如第2 行第 3 列的“第四系冲积层”，是第一个要素的地层单位属性的特征值，第 2 行第 6 列的“1~51 m”是第一个要素的厚度属性的特征值等。

栅格、影像图层每个栅格单元自带属性值，无属性表。栅格图层一般只带一个属性值，如DEM图层的高程值、第四系厚度（栅格）图层的厚度值，卫星影像有单色值、也有RGB颜色值等。

点、线、面、栅格、影像等要素和图层，其形状是由平面坐标控制的二维平面图形，各个特征属性可以视作垂直于平面第三维坐标，因此，每个图层都是包含多个维度信息的平面图，整个模型就是包含多个维度信息的平面模型。

ArcGIS中，所有的特征属性都可以根据需要而表现为可视或隐藏，如图1、图2所示，两图都由钻孔 （点）、地质界线（线）、断裂构造（线）、地层岩性 （面）、查询示例点（点）共5个图层构成，各图层均由多要素构成，各要素均含属性特征值，通过设置各特征属性可视或隐藏，显示内容如下：

钻孔图层：由表示钻孔位置的点要素构成，点要素用圆形符号表示，一个符号表示一个钻孔，每个钻孔具多个特征属性，如开孔标高、孔深、终孔标高、各层分界线标高、各层岩性、第四系厚度等，此处将第四系厚度设置为可视的特征属性，并用不同颜色表示不同的厚度范围值，其他特征属性暂时隐藏。

断裂构造图层：由表示断裂构造的线要素构成，线要素用线符号表示，每条线符号代表一条断裂构造，具断层性质、倾向、倾角等特征属性，此处设置为可视，用不同线形组合表示性质、用箭头方向表示倾向，用实线或虚线表示实测或推测。

地层岩性图层：由表示某一地层单位出露区的面要素构成，面要素用多边形符号表示，每个多边形表示一个地层单位出露区，每个地层单位出露区均具多特征属性，如地层单位、代号、岩性、岩相、厚度、年代、年龄等，此处将地层单位、地层代号设置为可视，用不同颜色表示不同地层单位、标注相应地层代号，其他特征属性暂时隐藏。

而图2 则显示不同的内容：钻孔图层显示的特征属性为第四系底界高程，地层岩性图层显示岩相、地层代号，其他图层同图1。

栅格图层可视化，一般用不同颜色或同一颜色不同深浅显示栅格数据，如图3 为 DEM 栅格图层，用不同的颜色显示地面不同的高程；图5 为第四系厚度栅格图层，用不同颜色显示不同厚度；图6为第四系建设用砂含矿率预测图，用同一颜色不同深浅显示含矿率的高低。

根据图层的资料来源及处置方式，本模型图层又可划分为基础图层和派生图层 2 类：基础图层是直接使用源资料的原数据，如地理地貌类图层和基础地质类图层，多数是直接使用地形图、区域地质图原数据；派生图层是指以源资料或基础图层为依据，通过 ArcGIS 软件处置生成新数据的图层，如第四系厚度、基岩地质图等。目前，该模型主要有以下图层（表2，图4）。

（1）基础图层：包括地理地貌、基础地质、钻探、土壤、部分矿产类图层，一般直接使用源资料的原数据，并按以下原则进行适当校正和修改。

①综合协调各区域地质图的相关信息：考虑精度及采用最新成果，地质界线、构造线、产状等一般采用1∶5万地质图数据，地层单位名称、代号等采用成图时间较晚的地质图数据。

②以野外调查中获得的野外资料、收集到的工程勘察资料、地质云获得的钻孔资料等对区域地质图进行修正，部分第四系边界参考卫星影像图的地形地貌特征进行修正。

（2）派生图层：包括第四系、基岩类、部分矿产类图层，是通过对基础图层综合分析（即数据运算） 生成的新图层。

①第四系类图层：根据地质图圈定的第四系出露范围内，将第四系出露边界赋值厚度为0，各钻孔位置按揭露到的第四系厚度数据赋值，并综合考虑各个第四系沉积盆地展布特征进行人为干预，如总体走向、轴线位置等，通过ArcGIS进行插值等运算，获得全区第四系厚度栅格，像元大小取 50 m×50 m（图5）。

第四系底板高程栅格图层的生成：以钻孔揭露的第四系底界标高为基础，第四系出露边界赋值为地面标高，通过ArcGIS进行插值等运算生成。

由厚度栅格图层可生成厚度等值线图层，由底板高程栅格图层可生成底板等高线图层。

②基岩类图层：地表出露基岩的资料主要来源于区域地质图，第四系下伏基岩主要资料来源于钻孔资料，资料处置方式如下：

a. 地表出露区域，与地层岩性图层完全吻合。

b. 第四系覆盖的基岩，根据钻孔资料揭露基岩情况，综合考虑地表出露区基岩分布规律，并参考地质随身行手机客户端的广州市基岩地质图，手动绘制地层界线。

③建设用砂矿预测图层：以建设用砂矿产地图层的第四系含矿率特征属性为基础数据，通过插值运算，生成建设用砂矿预测图层（栅格），像元大小取 100 m×100 m，预测全区第四系地层的建设用砂含矿率分布情况（图6）。

1.2 地图文档

单个图层表达信息比较单一，当需要制作复杂地质图时，需要用多个图层按一定次序堆叠。如当需要制作花都区的基础地质图时，将行政境界 （线）、居民地（点）、小岩脉（点）、断层构造（线）、地层产状（点）、地质界线（线）、地层岩性（面）等图层按一定次序堆叠，并根据主题设置图层特征属性可视或隐藏；利用ArcGIS将这些图层信息、堆叠方式、可视或隐藏等保存为地图文档（表3）。地图文档中只包含图层的引用，即存储当前地图的图层路径、符号、状态、修饰等信息，并不存储真实的数据层。

注：*小岩脉（点）：是指一些延伸短、脉宽小，不能按正常比例尺标绘的岩脉，用带方向的点来表示；**表示该图层为派生图层。

在模型内可以根据需要而建立多个地图文档，以表达各种主题，形成多种主题的地质图，不同的图层可以堆叠到不同的地图文档中，不同的地图文档可以共用同一图层。

综上所述，图层是模型的基本单元，相当于模型的硬件，地图文档是多个图层的有序堆叠、特征属性的可视或隐藏，相当于模型的软件，共同构成了花都区数字地质模型。

2 模型的建立

建立模型流程：首先收集资料，然后对资料进行数字化，再以 ArcGIS 为平台导入图层、通过对图层的分析派生新图层并导入，用地图文档连结图层，进行堆叠、可视或隐藏，组建各种不同主题的地图文档，通过地图文档对图层数据进行分析（即数据运算）生成新图层并导入，新图层可以加入已有的地图文档或组建新的地图文档（图4）。

2.1 资料收集

模型的资料来源主要为区域地质图、野外调查实测资料、收集到的工程勘察资料、在网络公开的地理地质信息系统收集到的相关资料。

2.1.1 区域地质图

区域地质图是本模型的基础，包括不同时期完成的各种区域地质图：1∶20万区域地质图有从化幅 （广东省地质局，1969^①）、怀集幅（魏立本，1980^②）、广州市幅（云祖铿，1981^③），1∶25万区域地质图有广州市幅（庄文明，2000^④），1∶5 万区域地质图有花县幅（李景明，1991^⑤）、鳌头圩幅（广东省地质调查院， 2018^⑥）、芦苞幅（曾环岳，2000^⑦）、竹料幅、江高镇幅 （李景明，1991^⑧）。

2.1.2 野外调查资料

采用笔者矿产资源技术支撑服务项目数据，共对 179处矿产资源点（区）、70处储备地块开展了地质勘查，施工钻探 397 孔，进尺 8130 m，形成了 210 份地质报告。通过对全区的各个工作区进行大比例尺（1∶2000～1∶500）地质测量、钻探、样品采集及测试等，获得大量的地层、岩浆岩、构造、矿产等资料，并对区域地质图进行了补充和修正。

2.1.3 工程勘察成果

在花都区的矿产资源技术支撑服务过程中，通过收集甲方提供的一些工作区（点）工程勘察成果资料，主要收集其中的钻探资料，共收集到6处建设场地的工程勘察报告的钻孔资料。

2.1.4 网络地理地质信息资料

（1）全国地理信息资源目录服务系统：主要收集 1∶25 万水系、公路、铁路、居民点及设施等地理信息。

（2）地质云：主要收集历史钻孔资料，共收集采用钻孔254个，主要分布在第四系出露区，少数在基岩出露区。

（3）广州地质随身行手机客户端：主要查看广州市基岩地质图。

（4）图新地球（LocaSpaceViewer）：主要收集卫星影像及 DEM（数字高程模型）数据，其中 DEM 栅格数据为ALOS数据，分辨率12 m（相当于1∶10万～1∶5万地形图）。

（5）全国矿产地数据库 2021 版：主要收集矿产地分布及开发利用情况资料，共收集到 174 处矿产地资料。

（6）中国 1 km 土壤类型图（基于第二次土壤普查成果）：收集土壤类型分布信息。

2.2 资料的数字化

传统纸质地质图、CAD数字地图均以点、线、面 3 类要素表达地质信息，每个要素的特征属性数据通过形状、颜色、花纹、代号、文字等表达，受图面空间限制，一张图可表达有限特征属性数据，还有很多特征属性数据通过附加表格、专题图件或文本说明书来表达。如平面图的点要素钻孔，一般图中主要表达开孔标高、孔深、开孔倾向倾角、是否见矿等信息，其他的信息如地层岩性、分层深度、分层厚度等，要另外通过钻孔柱状图表达，而见矿位置、矿体厚度、矿石质量等要通过附表来表达。

基于ArcGIS建立的数字模型，也是在一个平面坐标上，以点、线、面3类要素来表达地质信息，其特征属性数据记录在与之对应的属性表中，理论上可以把所有的特征属性数据无限写进属性表中。在构建数字模型前，先把收集到的资料进行数字化，就是把资料信息转化为带有属性表的点、线、面要素和图层，图层命名及特征属性见表2，然后将这些图层导入ArcGIS平台。

除点、线、面3类要素外，ArcGIS还有栅格、影像两种常用要素，前者是用规则格网来描述每一网格单元的特征属性，如 DEM（即数字高程模型）、第四系厚度栅格图层等，后者是栅格化的影像特征如 RGB颜色。

本模型的源资料，按其载体大致可分为3种，数字成果资料、纸质成果资料、混合载体的原始资料，第一种是可以直接导入到模型中，后两种必须进行数据化。

2.2.1 数字成果资料的数字化

从全国地理信息目录服务系统获得的地理信息，如1∶25万的水系、公路、铁路、居民点、自然地名等，从图新地球获得的影像、DEM等，可直接导入到模型中使用。

2.2.2 纸质成果资料的数字化

所有的区域地质图，包括纸质图、数字图片等，均为固化的纸质成果资料，必须进行数字化。将钻孔、矿点、产状测量点、短小岩脉等转为点要素，把地质界线、断层构造等转为线要素，地层、岩浆岩出露区转为面要素，并根据资料提供的特征属性信息编制属性表。

2.2.3 原始资料的数字化

包括野外调查中获得的野外资料、收集到的工程勘察钻孔资料、从地质云获得的钻孔资料、全国矿产地数据库 2021 版的矿产地资料等，将地层、岩性、各种分界线高程、地层厚度、开孔高程、孔深、矿种、开发利用状况等进行数字化，并据此对地质图进行校正和修改。

2.3 导入图层

资料数字化为图层后，将图层文件形式导入模型中，按内容分门别类储存于各类文件夹中，形成一个资料库。部分图层可通过 ArcGIS 平台修改数据或进行各种数据运算生成新图层，一并导入模型中。

2.4 组建地图文档

使用资料最有效的办法是组建地图文档，如显示（供目视读图）、查询、提取、分析等。本模型按照不同的主题组建了以下主要地图文档（表4），随着工作的深入，可增加组建各种主题，如水工环、物化探等主题。

3 模型的基本功能

本模型是一个以二维平面要素为框架，以各要素特征属性为第三维的多维度组合的数字地质模型，具有但不限于以下功能：

（1）资料库：收集到的资料数字化后，各图层已按内容分类储存在不同的文件夹中，通过资源管理器可索引图层文件名称。

（2）可视化：各图层各要素诸多特征属性，可通过 ArcGIS 平台，设置图层或特征属性可视，暂时隐藏其他图层或特征属性，简化地图、突出主题等，方便目视地图（图1~图3）。

（3）查询和提取：ArcGIS 查询工具，可查询、提取某一点对应各个图层的特征属性数据。如查询示例点 A、B 两处，可查询到的主要特征数据如表5 所列，通过ArcGIS操作，可提取数据，并写入查询示例点图层属性表中。

（4）分析：可根据需要建立地图文档，以各图层数据为基础数据进行数据运算，生成新数据、新图层。派生图层即通过分析功能生成的新数据和新图层，如第四系厚度（栅格）图层，就是在地层岩性 （面）、钻孔（点）图层的基础上，经数据运算生成的新图层（图5）。

（5）预测：结合地质规律，运用ArcGIS对各图层进行数据运算，可生成反映趋势、异常等新图层，用于各种预测。如第四系建设用砂含矿率预测（图6），图中建设用砂矿产地（点）图层，显示了各矿产地第四系建设用砂的实际含矿率，运用ArcGIS对含矿率进行插值运算，获得全区第四系建设用砂含矿率预测（栅格）图层，可用于指导建设用砂找矿，该图层可查询到查询示例点 A 处的含矿率为 41%、B 处无第四系、无矿，C处的含矿率为36%。

（6）改造和衍生：可根据需要对模型进行改造，增减新数据、新图层，组建新地图文档，如第四系厚度图层、第四系建设用砂含矿率预测图层，均是在基础图层经分析产生的新图层，应用于新的主题； 也可提取图层或数据，衍生新的模型。此功能使本模型成为开放的、包容的、可持续发展的模型。

4 结语

构建花都区数字地质模型并将花都区所有的地质资料整合至同一模型中，可通过本模型快速整理出相关资料为花都区自然资源部门策划相关规划需要提供地质支撑，并使模型在使用不断发展、完善。

但受资料数量、研究程度等限制，目前模型构成比较简单，内容不够丰富，尚处于初级阶段，随着资料增加、研究程度加深，可逐步增加诸如地球物理、地球化学、水文地质、工程地质、环境地质等内容，细化现有基础地质内容，如第四系可以细化到不同层位信息、各地层组可以细化到不同岩性层信息、矿产可细化到矿石质量信息等，充实完善模型功能。

注释

① 广东省地质局 .1969. 从化幅 F-49-6 1∶20万区域地质调查报告[R]. 广州：广东省地质局.

② 魏立本 .1980. 怀集幅 F-49-5 1∶20万区域水文地质普查报告 [R]. 广州：广东省地质局水文工程地质1队.

③ 云祖铿.1981. 广州幅F-49-12江门幅F-49-18 1∶20万区域水文地质普查报告[R]. 广州：广东地矿局水文工程地质2大队.

④ 庄文明 .2000. 广州市幅 F49C001004 1∶25万区域地质调查报告[R]. 广州：广东省地质调查院.

⑤ 李景明 .1991. 花县幅 F-49-23-C 1∶5 万地质图说明书[R]. 广州：广东省地矿局区域地质调查大队.

⑥ 广东省地质调查院.2018. 鳌头圩幅F49E003002 1∶5万综合工程地质图[R]. 广州：广东省地质调查院.

⑦ 曾环岳.2000. 四会县幅F49E004019芦苞圩幅F49E004020 1∶ 5万区域地质调查报告[R]. 广州：广东省地质调查院.

⑧ 李景明 .1991. 竹料幅 F-49-23-D 1∶5 万地质图说明书[R]. 广州：广东省地矿局区域地质调查大队.

参考文献