汪龍武

（云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000）

1 三維空間

目前在GIS 應(yīng)用中，關(guān)于二維空間數(shù)據(jù)和信息的管理技術(shù)和方法較為成熟，但相對(duì)于三維而言，在應(yīng)用和技術(shù)方法上還有很多值得探討的地方。目前地形三維的表達(dá)在二維GIS 和地學(xué)可視化中常常是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的模塊，即使被放到一個(gè)集成環(huán)境中，也只是形式上的集成或部分集成，很難在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層與其它模塊實(shí)現(xiàn)真正的有機(jī)集成與耦合。究其原因，這固然與GIS軟件發(fā)展的歷史和條件有關(guān)，但根本原因在于二維GIS 維數(shù)的局限性，即二維GIS 沒有在所有的模塊中將垂向信息z 坐標(biāo)獨(dú)立出來(lái)形成真三維空間，常常是將現(xiàn)實(shí)世界中本是空間獨(dú)立變量(Independent Variable)的高程數(shù)據(jù)z 作為依賴變量(Dependent Variable)或?qū)傩詠?lái)處理。三維GIS對(duì)Z 坐標(biāo)的處理與二維GIS 完全相反，它在所有的模塊中均將z 坐標(biāo)作為獨(dú)立變量處理，形成真三維空間，因此三維GIS 中表達(dá)的地形三維(用位于表面的邊界擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)來(lái)表達(dá))與其它模塊是真正耦合的，在底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及基于它的操作與分析上完全可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

雖然有以上不同點(diǎn)，但三維GIS 中地形三維的三維表達(dá)完全可以而且應(yīng)該借用已經(jīng)成熟的二維GIS 與地學(xué)可視化中的面三維地形表現(xiàn)(DTM)算法與技術(shù)，它們都要經(jīng)過(guò)幾何建模、投影、消隱、光照、顯示等基本階段，關(guān)于這方面的算法與實(shí)踐已有很多。目前常見的三維空間信息的表達(dá)主要包括DEM、TIN 及GRID 等空間數(shù)據(jù)模型。

（1）數(shù)字高程模型

數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱DTM)是描述地面特性諸如空間分布的有序數(shù)值陣列。在一般情況下，地面特性是高程z，它的空間分布由x、Y 水平坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，也可用經(jīng)度x、緯度Y 來(lái)描述。這種地面特性為高程或海拔高程的DTM，也稱為數(shù)字高程模型(Digital ElevationModel，簡(jiǎn)稱DEM)。其它地面特性可以是諸如地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類型、地貌特征、巖層深度及土地利用等與地形有關(guān)的信息。DEM 可以是每3 個(gè)坐標(biāo)值為一組元的散點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也可以是由多項(xiàng)式或富里葉級(jí)數(shù)確定的曲面方程。柯正誼等 (1993)按空間結(jié)構(gòu)形式將DTM 分為7類：規(guī)則格點(diǎn)(格網(wǎng))數(shù)字地面模型、散點(diǎn)數(shù)字地面模型、等值線數(shù)字地面模型、曲面數(shù)字地面模型、線路數(shù)字地面模型、平面多邊形數(shù)字地面模型和空間多邊形數(shù)字地面模型。由于DEM 是DTM中的一種，因此它也有7 種形式。在實(shí)際中最常用的3 類數(shù)字高程模型(基于3 種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))是：規(guī)則格網(wǎng)(GRID)、不規(guī)則格網(wǎng)(TIN)及數(shù)字等值線圖。

（2）不規(guī)則格網(wǎng)的生成方法

TIN 是一種由許多相鄰但又不互相重疊的三角形組成的對(duì)地形表面的連續(xù)鋪蓋。不同類型的TIN 有不同的生成方法。按照空間分布的幾何結(jié)構(gòu)，可以有一般三角網(wǎng)和Delaunay 三角網(wǎng)之分。一般三角網(wǎng)按照距離最近原則組網(wǎng)，這個(gè)距離是待確定的第三點(diǎn)到基邊的距離。隨著起始邊的不同，一般三角網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也不同，即對(duì)同一個(gè)不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集，對(duì)應(yīng)的一般三角網(wǎng)并不唯一。另外由于它們可能存在大量的狹長(zhǎng)三角形，不便于后續(xù)處理(如地形插值、坡度、坡向計(jì)算等)，其幾何結(jié)構(gòu)并不強(qiáng)，因此一般三角網(wǎng)并不是最優(yōu)三角網(wǎng)。相反，Delaunay 三角網(wǎng)具有很強(qiáng)的幾何結(jié)構(gòu)，它能保證每個(gè)三角形的角度最接近于正三角形，符合“三角剖分最小內(nèi)角為最大”的圖形優(yōu)化準(zhǔn)則；另外，Delaunay 三角網(wǎng)具有唯一性，即對(duì)同一個(gè)不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集其對(duì)應(yīng)的Delaunay 三角網(wǎng)是唯一的。顯然，Delaunay 是最優(yōu)三角網(wǎng)上述方法都僅僅考慮了幾何信息，屬于非約束普通三角網(wǎng)。對(duì)一般的地形而言，只要采樣點(diǎn)分布情況比較好，它們一般都能比較真實(shí)地反映地形情況。但在各種特殊的地性線如山脊線、山谷線、斷裂線處則不能完全反映出真實(shí)情況。因?yàn)樵诘匦跃€處的高程往往產(chǎn)生跳躍式的變化，若有三角形跨越地性線，則三角形會(huì)穿越地形表面或懸空于其上。很明顯，這樣的三角形不能反映地形真實(shí)情況，需要剔除這樣的三角形或進(jìn)行調(diào)整，因此就誕生了與非約束普通三角網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的具有約束條件的約束三角網(wǎng)。

（3）Grid 的生成方法

原始采樣點(diǎn)可以是規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的，但由于客觀條件的限制，往往不能取得足夠的采樣點(diǎn)來(lái)滿足顯示的要求。需要進(jìn)行內(nèi)插以生成更多的點(diǎn)。插值的方法有很多種，最主要的有反距離權(quán)插值(IDW)、雙線性插值、趨勢(shì)面插值、樣條插值(又分為兩種)及Kriging 插值，其中反距離權(quán)插值(IDW)、雙線性插值、趨勢(shì)面插值是較為常見的方法。這里僅扼要介紹樣條插值和Kriging 插值。

2 GIS 的三維地質(zhì)勘察管理系統(tǒng)

在礦山三維地質(zhì)勘察管理系統(tǒng)建設(shè)中，采用了地理信息系統(tǒng)技術(shù)，遵循最新的地質(zhì)勘察標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)有CAD 型為主的巖土工程勘察系統(tǒng)，全面升級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS 型的礦山地質(zhì)勘察系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)選用了北京超圖公司的SuperMap Objects 全組件式開發(fā)平臺(tái)，充分利用其強(qiáng)大的GIS 功能、海量數(shù)據(jù)的管理功能以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)SDX，將地質(zhì)勘察信息及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，消除了信息孤島，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地形、基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)勘察信息的高度共享和圖文一體化管理；力求技術(shù)領(lǐng)先，并充分考慮地質(zhì)勘察行業(yè)業(yè)務(wù)的實(shí)際需要，做到功能強(qiáng)大、界面美觀、操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)用。

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

依據(jù)數(shù)據(jù)特征、類型和用途以及相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，著重考慮空間數(shù)據(jù)及其與非空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，遵循一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)范式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)大體上分4 大部分：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、地層信息數(shù)據(jù)庫(kù)、工程勘察專題數(shù)據(jù)庫(kù)和其他部分見圖；

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)組成圖

（2）系統(tǒng)功能

系統(tǒng)總體上包括工程勘察成果管理(數(shù)據(jù)編輯、制圖輸出、報(bào)表報(bào)告制作和三維顯示)、查詢分析、數(shù)據(jù)維護(hù)(地形數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù))和系統(tǒng)管理維護(hù) (數(shù)據(jù)字典維護(hù)和用戶權(quán)限管理)4 大功能。在工程勘察成果管理方面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化編輯與管理及實(shí)時(shí)更新，并保護(hù)數(shù)據(jù)的拓樸關(guān)系；系統(tǒng)提供4 種查詢方法，即基于圖形查詢屬性、基于屬性查詢圖形數(shù)據(jù)、基于SQL 語(yǔ)言進(jìn)行條件查詢、基于屬性信息進(jìn)行聯(lián)合查詢。同時(shí)為了方便數(shù)據(jù)的使用與維護(hù)，本系統(tǒng)還可對(duì)圖進(jìn)行打印輸出，包括勘探點(diǎn)平面布置圖的制作和地質(zhì)剖面圖的制作等。本系統(tǒng)的后臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)為SQL SERVER2000 大型數(shù)據(jù)庫(kù)，其空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎為uperMapSDX+，可支持大型空間數(shù)據(jù)的管理，很好地實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)基于大型空間數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化查詢與可視化表達(dá)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多用戶的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性操作，可設(shè)置用戶管理權(quán)限，方便對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

[1]劉振國(guó).推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)地質(zhì)找礦工作大發(fā)展[J].中國(guó)國(guó)土資源報(bào)，2009-04-01.

[2]趙凡.積極推動(dòng)地質(zhì)找礦重大突破[J].中國(guó)國(guó)土資源報(bào)，2006-12-07.