摘 要：3D-GIS技術(shù)在資源與環(huán)境領(lǐng)域中，發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用，它的應(yīng)用與發(fā)展推動(dòng)了地質(zhì)、石油、化工、環(huán)境等眾多行業(yè)的發(fā)展。本文首先從3D-GIS的定義、特點(diǎn)、基本功能三個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了3D-GIS技術(shù)，其次詳細(xì)分析了基于3D-GIS技術(shù)的地質(zhì)勘察領(lǐng)域，最后重點(diǎn)研究了地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)構(gòu)架及其功能實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：3D-GIS；地理信息；地質(zhì)勘察；三維

中圖分類號(hào)：P20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

3D-GIS一直是GIS理論和應(yīng)用研究中的熱點(diǎn)問題，也是數(shù)字地球的核心技術(shù)問題。“數(shù)字地球”對(duì)建立三維地理信息系統(tǒng)提出了更為迫切的要求。“數(shù)字地球計(jì)劃”是信息社會(huì)的主要組成部分，是遙感、遙測(cè)、全球定位系統(tǒng)、GIS、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高度綜合，是當(dāng)代科技發(fā)展的制高點(diǎn)。由于數(shù)字地球中的現(xiàn)實(shí)空間是一個(gè)動(dòng)態(tài)三維空間，因此4D-GIS可以說是GIS發(fā)展的必然趨勢(shì)。而所謂的3D-GIS就是從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到空間查詢和建模分析都建立在三維（x，y，z）數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上的地理信息系統(tǒng)，3D/4D-GIS研究的突破必然推動(dòng)GIS在地質(zhì)、礦業(yè)、環(huán)境、海洋、城市以及相關(guān)信息管理領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 3D-GIS技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 3D-GIS的定義

3D-GIS是能夠?qū)臻g對(duì)象進(jìn)行真三維描述和分析，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到空間查詢和建模分析都建立在三維數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上的地理信息系統(tǒng)。

Breunig認(rèn)為3D-GIS是布滿整個(gè)三維空間的GIS，與傳統(tǒng)的基于平面的二維GIS明顯不同，尤其體現(xiàn)在空間位置與拓?fù)潢P(guān)系的描述及空間分析的伸展方向上。地球上的一切物體都可以用一組（X，Y，Z）來描述它們的空間位置，3D-GIS中空間目標(biāo)通過X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸來定義，復(fù)雜程度高，它與二維GIS定義在二維平面上的目標(biāo)具有完全不同的性質(zhì)。

2.2 3D-GIS的特點(diǎn)

3D-GIS作為二維GIS在空間和功能上的擴(kuò)展，具有二維GIS的功能之外還具有自己本身強(qiáng)大的功能。肖樂斌等眾多學(xué)者總結(jié)出三維GIS獨(dú)有的功能

1）包容一維、二維對(duì)象。三維GIS不僅要表達(dá)三維對(duì)象，而且還要研究一維、二維對(duì)象在三維空間中的表達(dá)。

2）可視化2.5維、三維對(duì)象。三維GIS的首要特色是要能對(duì)2.5維、三維對(duì)象進(jìn)行可視化表現(xiàn)。三維對(duì)象的幾何建模與可視表達(dá)在三維GIS建設(shè)的整個(gè)過程中都是需要的，這是其一項(xiàng)基本功能。

3）三維空間DBMS管理。三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫。它可由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也可由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲(chǔ)管理三維空間對(duì)象。

4）三維空間分析。直接在三維空間中進(jìn)行空間操作與分析，對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理，使三維GIS明顯不同于二維GIS，在功能上更加強(qiáng)大。

2.3 3D-GIS的基本功能

由于3D-GIS尚處于研究階段，不同學(xué)者對(duì)其不同領(lǐng)域三維GIS功能的理解也不甚相同。由于地質(zhì)勘察主要以地學(xué)對(duì)象為研究載體，所以筆者主要對(duì)地學(xué)方面三維GIS的基本功能加以總結(jié)，主要包括以下幾個(gè)方面：

三維數(shù)據(jù)管理：主要包括三維數(shù)據(jù)錄入、與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)基本分析、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、入庫數(shù)據(jù)的有效整合和查詢等；

三維對(duì)象管理：基于三維數(shù)據(jù)的三維對(duì)象建模、三維對(duì)象模型可視化選擇與查詢、三維對(duì)象變化（平移、旋轉(zhuǎn)等）；

三維空間分析：三維布爾操作（交、并、差、切割斷面、開挖等）、三維計(jì)算（計(jì)算體積、表面積、距離、方向等）。

3 地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)研究

3.1 地質(zhì)勘察領(lǐng)域分析

地質(zhì)勘察是利用勘探、物探、試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)等工程技術(shù)手段，調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)區(qū)域（又稱勘察場(chǎng)區(qū)）的地質(zhì)、環(huán)境特征、巖土工程條件等，以獲取定性和定量的結(jié)果，并用專題圖、報(bào)表和文字報(bào)告表現(xiàn)，這是一個(gè)復(fù)雜的綜合過程。采用面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒ǎC合分析地質(zhì)勘察涉及的主要對(duì)象（實(shí)體）及其相互關(guān)系，有利于整體把握地質(zhì)勘察領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)問題。圖1是地質(zhì)勘察領(lǐng)域圖示分析。地質(zhì)勘察領(lǐng)域涉及地質(zhì)實(shí)體/現(xiàn)象、基礎(chǔ)地理和勘察專題三大類數(shù)據(jù)。地質(zhì)實(shí)體/現(xiàn)象是工程地質(zhì)勘察要揭示的區(qū)域（如城市）地表以下所有物質(zhì)的抽象，包括區(qū)域地和構(gòu)造、環(huán)境地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害等綜合信息?；A(chǔ)地理對(duì)象包括控制點(diǎn)、建筑物與構(gòu)筑物、工礦及設(shè)施、交通線路及設(shè)施、行政區(qū)劃與境界、地貌等十大專題，是地質(zhì)勘察的空間參考和重要背景信息。

勘察專題主要包括勘察場(chǎng)區(qū)、地層、鉆孔三類對(duì)象?？辈靾?chǎng)區(qū)是工程勘察的空間范圍，是具有一定地表面積和不定深度的三維空間實(shí)體。勘察場(chǎng)區(qū)地表下立體空間是由許多具有一定厚度和分布特征的不規(guī)則空間實(shí)體———地層構(gòu)成。經(jīng)歸納抽象，地層具有如下特征：地層具有一定層理特征和地質(zhì)年代、地質(zhì)成因、巖土特征等關(guān)鍵特性，在空間連續(xù)分布，相同的地層具有相同的關(guān)鍵特性；不同地層按一定層序在垂直方向上疊加，水平分布受地質(zhì)構(gòu)造和外力影響也呈一定規(guī)律。

通過在勘察場(chǎng)區(qū)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，典型地點(diǎn)布置鉆孔進(jìn)行勘探、物探，并進(jìn)行原位測(cè)試或取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲取原始的物理幾何、巖土力學(xué)和化學(xué)組分等特征的離散數(shù)據(jù)。原位測(cè)試通常有標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探、動(dòng)力觸探、載荷試驗(yàn)、十字板剪切和抽（注）水試驗(yàn)等，室內(nèi)試驗(yàn)有土工試驗(yàn)、水質(zhì)分析、巖石單軸抗壓試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)等。鉆孔是具有狹小地表面積和一定深度的柱狀三維空間實(shí)體，相當(dāng)于垂直方向上的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，具有不同深度的巖土特征分層數(shù)據(jù)，即對(duì)應(yīng)真實(shí)的地層。通過制作各類圖表表現(xiàn)鉆孔的垂直分層特征以及原位測(cè)試數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而反映整個(gè)場(chǎng)區(qū)地表以下的地質(zhì)狀況。

3.2 信息系統(tǒng)架構(gòu)

地質(zhì)勘察三維輔助信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，可分為二維工程勘察輔助建模子系統(tǒng)和三維工程勘察建模子系統(tǒng)兩部分，利用二維工程勘察輔助建模子系統(tǒng)可對(duì)鉆孔等勘察數(shù)據(jù)和工程設(shè)計(jì)圖件進(jìn)行檢查和預(yù)處理，形成三維剖面、鉆孔和設(shè)計(jì)文件，再經(jīng)三維工程勘察建模子系統(tǒng)處理得到三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、三維工程對(duì)象模型和三維地質(zhì)屬性模型，基于三維GIS功能，這三類模型均具有對(duì)三維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理、顯示和空間分析的功能。

3.3 信息系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有CAD型的巖土工程勘察系統(tǒng)，全面升級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS型地質(zhì)勘察系統(tǒng)。將城市地質(zhì)勘察信息及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，消除了信息孤島，實(shí)現(xiàn)城市基礎(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。具體實(shí)現(xiàn)了工程勘察成果管理（包括數(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）等功能。圖3是系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)圖。

結(jié)語

近年來，地理信息技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，并且邁入了國(guó)際先進(jìn)行列。我國(guó)的地理信息產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展已具有一定規(guī)模，系統(tǒng)集成化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化和應(yīng)用社會(huì)化等是地理信息系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。具體來說，3D-GIS技術(shù)會(huì)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，與高分辨率遙感影像相結(jié)合，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合等，它的應(yīng)用將推動(dòng)各行各業(yè)的發(fā)展。

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