朱良峰，李自成，朱 仝，李明江

（1.華東師范大學 地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241；2.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 201100；3.安徽省送變電工程公司，合肥 230000）

1 引 言

近10年來地質鉆孔信息的管理與可視化一直是工程地質、巖土工程領域的重要研究方向[1－5]，相關的研究進展主要體現(xiàn)在鉆孔數(shù)據(jù)管理技術和鉆孔信息可視化技術兩方面。在鉆孔數(shù)據(jù)管理技術方面，主要研究地質鉆孔的數(shù)據(jù)組織標準、基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）或地理信息系統(tǒng)（GIS）的鉆孔數(shù)據(jù)管理方法[2]，開發(fā)出了眾多的鉆孔數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)[2,6－7]。在鉆孔信息可視化技術方面，主要研究鉆孔柱狀圖的繪制方法[8－9]以及在真三維場景中模擬和顯示鉆孔的方法[3]，研發(fā)出了一系列成熟的鉆孔柱狀圖制圖軟件和三維地質模擬軟件。然而，現(xiàn)有的技術、方法或系統(tǒng)在進行鉆孔信息的管理和可視化時都存在或多或少的缺陷，其中一個最突出的問題就是現(xiàn)有的鉆孔信息管理主要是依托于關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）或二維GIS 軟件平臺來實現(xiàn)的，可視化時鉆孔只能顯示為二維平面中的一個點（鉆探點位）。如果想要查看詳細的鉆孔資料或地層分層信息，還需要通過鉆探點位查詢到相應的數(shù)據(jù)庫記錄，或者鏈接到預先用專業(yè)的建模軟件繪制的柱狀圖或三維模型，數(shù)據(jù)庫記錄不能直觀、形象地展示鉆孔在三維空間內(nèi)的分布。鉆孔柱狀圖制圖軟件偏重于縱向信息的繪制，生成的柱狀圖是二維的，不能展現(xiàn)鉆孔所處的地理空間位置，因此，無法用來系統(tǒng)的管理、發(fā)布、共享海量的鉆孔信息。三維地質模擬軟件的應用主要局限于個人計算機，由于缺乏高效的數(shù)據(jù)共享機制，它們一般不支持在網(wǎng)絡上顯示、發(fā)布、共享鉆孔三維模型。

作為一類典型的地球空間信息，每一個鉆孔以及鉆孔所揭示的每一個地層都位于特定的地球空間之中，并擁有特定的三維空間位置。在一個統(tǒng)一的地球空間框架內(nèi)管理、模擬和可視化甚至集成、分發(fā)、共享所擁有的鉆孔信息是一種自然而直接的要求。數(shù)字地球技術的出現(xiàn)為滿足這一需求提供了一個有效的解決途徑。數(shù)字地球技術飛速發(fā)展，先后涌現(xiàn)出了一系列技術成熟、功能強大的數(shù)字地球軟件系統(tǒng)（如Google Earth、NASA World Wind 和ESRI ArcGIS Explorer 等）[10－12]。這些軟件系統(tǒng)，不僅可用于瀏覽、分析全球范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)和遙感影像，還可作為交換和共享地球空間信息的基礎平臺[13]。近年來，學術界開展了在數(shù)字地球軟件系統(tǒng)中進行地球物理模擬[14]及地質構造可視化[15]方面的探索，但現(xiàn)有的研究工作尚未涉及到地質鉆孔信息的模擬與可視化。本文研究在數(shù)字地球軟件平臺中進行地質鉆孔信息的模擬與可視化技術，其目標是以三維的形式來表達鉆孔的空間位置及地層分層信息，并基于數(shù)字地球軟件平臺，在國際互聯(lián)網(wǎng)上對鉆孔三維模型進行分發(fā)與共享。為實現(xiàn)這一目標，本文歸納出一個通用的鉆孔數(shù)據(jù)庫標準，基于KML（keyhole markup language）編碼規(guī)范，提出一種在數(shù)字地球軟件平臺上進行鉆孔信息模擬和可視化的方法，給出了具體的實施過程，通過在上海市的應用實例來驗證該方法的有效性。

2 鉆孔信息分類和數(shù)據(jù)標準化

通過大量的實例分析[1－5]可將鉆孔資料所蘊含的信息分為三類：（1）鉆孔基本信息，如鉆孔的名稱、類別、編號、空間位置、孔口標高、地下水位、深度以及具體鉆探信息；（2）地層幾何結構信息，包括鉆孔所揭示的各個地層的名稱、序號、埋深、形成年代、地質成因、詳細描述等信息；（3）地層屬性參數(shù)信息，主要由鉆孔所揭示的各個地層的物理、化學、水文、工程等方面的屬性參數(shù)組成，如含水率、密度、飽和度、孔隙比、滲透率、泊松比、彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等。在這三類信息中，鉆孔基本信息和地層幾何結構信息是控制鉆孔的空間位置和三維幾何形態(tài)最重要的數(shù)據(jù)，地層屬性參數(shù)信息可視為與相應的地層相關聯(lián)的屬性項。

基于在數(shù)字地球軟件平臺上模擬、分發(fā)、共享鉆孔信息的應用需求，設計4 個通用的數(shù)據(jù)庫表格來存儲鉆孔的基本信息和地層幾何結構信息（見表1～4）。需要指出，這些表格忽略了地層的屬性參數(shù)信息。如果考慮地層的屬性參數(shù)信息，只需在表3或表4 中增加相應的數(shù)據(jù)項來表征地層屬性參數(shù)即可。

表1 鉆孔類別Table 1 Borehole types

表2 鉆孔基本信息Table 2 General information about boreholes

表3 鉆孔分層信息Table 3 Stratum information of boreholes

表4 整體地層信息Table 4 Information about overall strata

3 建模步驟

現(xiàn)有的數(shù)字地球平臺大多提供了強大的地球空間對象可視化工具，并支持OpenGIS KML 編碼標準（OpenGIS KML Encoding Standard，簡稱OGC KML 或KML）[16]。用戶不須從底層開發(fā)可視化環(huán)境，只需要基于KML 編碼規(guī)范來描述和保存自己所擁有的地球空間信息，數(shù)字地球系統(tǒng)就能快速加載并渲染、繪制出這些信息所表達的地球空間對象[17]。按照這種思路，提出一種使用KML 在數(shù)字地球平臺上進行地質鉆孔模擬和可視化的方法。下面詳細介紹建模的具體步驟。

3.1 鉆孔數(shù)據(jù)規(guī)范化及建庫

對于一個特定的研究區(qū)域，可能會有數(shù)目眾多的鉆孔。建模過程的第1 步，需要根據(jù)章節(jié)2 設計的鉆孔數(shù)據(jù)庫表格，進行鉆孔數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理和建庫工作。首先創(chuàng)建一個電子表格文件，然后在其中創(chuàng)建鉆孔類別表、鉆孔基本信息表、鉆孔分層信息表和整體地層信息表（即表1～4），接著將整理好的鉆孔數(shù)據(jù)導入或錄入到相應的工作表中，以實現(xiàn)鉆孔信息的統(tǒng)一存儲，為后續(xù)的模型生成與可視化分析提供初始數(shù)據(jù)。

3.2 設置三維建?？刂茀?shù)

建模過程的第2 步，需要設置3 個參數(shù)（包括橫向縮放系數(shù) SH、縱向縮放系數(shù) SV和整體抬升高度U）來控制鉆孔三維實體模型的幾何尺寸以及鉆孔模型在地球空間中的放置高度。

地質鉆孔在水平方向上的幾何尺寸較?。讖揭话阈∮?00 mm），而在縱向上的深度則可達幾十米甚至上百米。依照實際的鉆孔孔徑直接繪制出的三維實體模型，往往呈比例極不協(xié)調(diào)的線狀。在數(shù)字地球平臺中，這種細長的三維模型在顯示時既不美觀，也難以用鼠標等圖形交互設備進行選取、查詢、分析等操作。為解決這一問題，分別使用橫向縮放系數(shù) SH、縱向縮放系數(shù) SV來控制鉆孔在水平、豎直方向上的縮放比例。使用以下公式來計算縮放變換以后的孔徑（diameter）和孔深（depth）：

式中：diameter′為鉆孔基本信息表中存儲的實際孔徑；diameter為重構鉆孔三維實體模型時需要繪制的孔徑；depth′為鉆孔的實際深度；depth為重構鉆孔三維實體模型時需要繪制的深度。

現(xiàn)實中的鉆孔位于地球表面（即地形面）以下，但由于功能的局限，現(xiàn)有的數(shù)字地球軟件平臺進行可視化時，三維場景無法由地上無縫的切換至地下，無法直接顯示位于地形面以下的模型或對象[13－14]。為解決這一難題，設置了一個整體抬升高度U，將所有鉆孔都抬升到地形面以上，從而使鉆孔三維模型懸掛于實際鉆探點位的上方。抬升后的孔口標高Z0，計算式為

式中：Z0′為鉆孔基本信息表中存儲的孔口實際標高；Z0為抬升后的孔口標高。

3.3 根據(jù)孔口地理坐標生成鉆探點位

鉆探點位是指地質鉆孔所處的地理位置，包括經(jīng)度和緯度。將鉆探點位疊加在數(shù)字地球軟件平臺提供的地形表面上，可以快速、直觀地展現(xiàn)鉆孔的空間分布情況。本文使用KML 地標（placemark）地圖項來表示鉆探點位。地標可用于在地球表面標記位置，它主要由圖標和說明氣泡框構成。建模過程的第3 步，需要使用KML 的