張軍強(qiáng)，吳沖龍，2，3，劉 剛，2，3，劉 飛

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢 430074

3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

0 引言

隨著“玻璃地球”［1］計(jì)劃的提出和實(shí)施［2］，以及我國(guó)“玻璃國(guó)土”［3］概念的提出，“開(kāi)展三維地質(zhì)建模、填制三維地質(zhì)圖”已經(jīng)成為區(qū)域地質(zhì)界的國(guó)際風(fēng)潮。三維地質(zhì)圖和平面地質(zhì)圖的差別不僅在于圖面表觀形式不同，更在于所包含信息量的不同。編繪三維地質(zhì)圖要求建立一體化的地下－地上、地質(zhì)－地理、屬性－空間數(shù)據(jù)模型，并且實(shí)現(xiàn)其一體化建模。換言之，在所建的模型中既要包含地表的自然地形地貌和地上的各種人工建筑物信息，還要包含地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦藏和各種工程設(shè)施與構(gòu)筑物信息，以便在統(tǒng)一的三維環(huán)境中進(jìn)行各種空間查詢(xún)、空間分析和空間決策［4－5］。

進(jìn)行真三維地質(zhì)圖的編繪，關(guān)鍵是要解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和融合問(wèn)題，以及具有完全不同介質(zhì)特征的地質(zhì)空間和地理空間的拼接和聚合問(wèn)題［6］。本文的思路是：采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)地上地下一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，在ArcGIS Engine環(huán)境中分別對(duì)地貌、地上和地下空間對(duì)象進(jìn)行建模，并通過(guò)特定的處理方法將上述模型兩兩無(wú)縫集成起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地上地下空間的無(wú)縫集成的三維地質(zhì)圖的編繪［7］。

1 地上地下一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

由于空間數(shù)據(jù)具有多源、多類(lèi)、多量、多維、多主題的特征，因此，在編繪涉及地上地下空間對(duì)象的地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域、城市地質(zhì)領(lǐng)域、數(shù)字礦山等領(lǐng)域的三維地質(zhì)圖時(shí)，所采用的數(shù)據(jù)模型必須能很好地滿(mǎn)足這些要求，才能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維可視化表達(dá)、瀏覽、管理、分析等操作［8］。

1.1 數(shù)據(jù)模型選擇

對(duì)于多源數(shù)據(jù)在三維空間的同時(shí)表達(dá)，現(xiàn)有的三維地理信息系統(tǒng)大都借鑒了數(shù)據(jù)模型中基于混合表示模型的思想，采用了如下的處理方式：針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，根據(jù)其特點(diǎn)采取不同的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而采取不同方法分別對(duì)其進(jìn)行建模及可視化表達(dá)。這種處理方式在數(shù)據(jù)類(lèi)型較少時(shí)能夠充分發(fā)揮各種類(lèi)型數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用性，并且能夠高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的表達(dá)和處理；但由于其需要對(duì)每種模型分別采用不同的算法實(shí)現(xiàn)其可視化和空間分析功能，因此，該方法實(shí)現(xiàn)難度高、工作量大。此外，這種方式還需要解決相鄰三維模型邊界的無(wú)縫集成問(wèn)題，各種數(shù)據(jù)模型之間的拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)比較困難，拓?fù)湟恢滦运惴◤?fù)雜。

相對(duì)地，采用單一的數(shù)據(jù)模型構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維空間對(duì)象的表達(dá)也是利弊共存。其優(yōu)點(diǎn)是，由于對(duì)所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型采用相同的數(shù)據(jù)模型定義了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此三維模型可視化及拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)三維模型的空間分析算法也比較容易實(shí)現(xiàn)。但由于采用了單一的數(shù)據(jù)模型，無(wú)法根據(jù)需要表達(dá)的數(shù)據(jù)類(lèi)型調(diào)整算法以?xún)?yōu)化表達(dá)效率；而且其繼承了所采用的數(shù)據(jù)模型的缺點(diǎn)［9］。

筆者探討的空間集成方式的三維地質(zhì)圖編繪時(shí)涉及的空間數(shù)據(jù)主要包括以下幾個(gè)大類(lèi)：地上數(shù)據(jù)（地物模型數(shù)據(jù)）、地表數(shù)據(jù)（地形數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)）、地下數(shù)據(jù)（地質(zhì)體數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)），隨著研究的深入還可能加入更多新的數(shù)據(jù)類(lèi)型。當(dāng)涉及的數(shù)據(jù)類(lèi)型越來(lái)越多時(shí)，多數(shù)據(jù)模型處理模式的缺點(diǎn)會(huì)越來(lái)越明顯，算法實(shí)現(xiàn)難度加大，系統(tǒng)運(yùn)行效率降低；另一方面，筆者更關(guān)注的是能否在所編繪的三維地質(zhì)圖上進(jìn)行一體化的空間分析。因此，在數(shù)據(jù)模型選擇時(shí)更傾向于單一的數(shù)據(jù)模型。

Geodatabase數(shù)據(jù)模型是ESRI公司推出的在新的一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)表現(xiàn)地理信息的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。它支持利用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）中的數(shù)據(jù)表來(lái)存儲(chǔ)和管理空間信息，它實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)公共模型框架下對(duì)矢量、柵格、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）、網(wǎng)絡(luò)、地址進(jìn)行統(tǒng)一描述。由于Geodatabase數(shù)據(jù)模型具有面向?qū)ο蟮奶匦?，所以其?duì)地理空間特征的表達(dá)較之以往的模型更接近我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中事物對(duì)象的認(rèn)識(shí)和表達(dá)［10］。

鑒于以上原因，筆者決定采用Geodatabase來(lái)建立地上地下一體化的空間數(shù)據(jù)模型，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。

1.2 利用Geodatabase構(gòu)建數(shù)據(jù)一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)模型

地上地下環(huán)境的空間數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM）、三維模型數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)等，其中矢量數(shù)據(jù)又包含了多種比例尺、多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的數(shù)據(jù)，因而顯得比較復(fù)雜。而且各個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的對(duì)象又不盡相同，因此每種類(lèi)型的三維地質(zhì)圖中有哪些專(zhuān)題數(shù)據(jù)應(yīng)納入圖面表示范疇，目前還沒(méi)有統(tǒng)一意見(jiàn)。這里僅以生成三維災(zāi)害地質(zhì)圖所需要的數(shù)據(jù)為例，對(duì)牽涉到的地理空間數(shù)據(jù)和地質(zhì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)分析，圖層名稱(chēng)的編碼依據(jù)中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化地質(zhì)圖圖層及屬性文件格式DZ/T 0197－1997》［11］。依據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)及表達(dá)對(duì)象的不同，遵循上述圖層命名規(guī)則，對(duì)地上地下數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果如表1所示。

在仔細(xì)分析各類(lèi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS UML模板和Microsoft Visio設(shè)計(jì)了地上地下一體化的數(shù)據(jù)模型［12］，生成的地上地下一體化數(shù)據(jù)模型UML結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)圖中的字段類(lèi)型為Geodatabse中的字段類(lèi)型。涉及到部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述如下。

1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是地理空間基礎(chǔ)框架的核心和基礎(chǔ)，為其他空間數(shù)據(jù)的定位提供了參考?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包括自然地理信息中的地貌、水系 、植被以及社會(huì)地理信息中的居民地、交通、境界、特殊地物、地名等要素。由于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)大多是具有空間位置信息的數(shù)據(jù)，因此應(yīng)該從ArcGIS UML提供的要素類(lèi)（feature class）中進(jìn)行派生。

圖1 地上地下一體化數(shù)據(jù)模型UML結(jié)構(gòu)圖Fig.1 UML diagram of up and down integrated data model

2）基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)的巖相、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)年代、相關(guān)的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象的表達(dá)?；A(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括地層分界線、地層產(chǎn)狀、地層面、斷層線。基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)中大部分是具有位置信息的空間數(shù)據(jù)，所以將其從ArcGIS UML提供的要素類(lèi)進(jìn)行派生；還有一部分與位置無(wú)關(guān)的用來(lái)對(duì)地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行描述的屬性數(shù)據(jù)，將其從ArcGIS UML提供的對(duì)象類(lèi)（object class）直接派生。

3）災(zāi)害體數(shù)據(jù)與預(yù)防工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地質(zhì)災(zāi)害體是指那些具有潛在危險(xiǎn)的致災(zāi)因子，是三維災(zāi)害地質(zhì)圖重點(diǎn)表達(dá)的信息。此處僅考慮了滑坡、崩塌和變形體3種災(zāi)害體。預(yù)防工程是指為了阻止地質(zhì)災(zāi)害體狀態(tài)的變化所采取的預(yù)防性措施，此處主要指護(hù)坡工程、庫(kù)岸治理工程和抗滑樁工程等。這2類(lèi)數(shù)據(jù)均具有顯著的空間特征，所以將其從ArcGIS UML提供的要素類(lèi)進(jìn)行派生。

表1 三維災(zāi)害地質(zhì)圖涉及的地上地下數(shù)據(jù)分類(lèi)Table 1 Classification of involved up and down data in disasters geological map

4）三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

基于三維災(zāi)害地質(zhì)圖空間分析和防治工程設(shè)計(jì)的需要，此處的三維模型僅考慮了地上地物模型、地下地質(zhì)體模型、地下管線模型、地下巷道模型、其他城市部件模型（路燈、行道樹(shù)、公共座椅等），隨著研究的進(jìn)一步深入，可以不斷增加模型的種類(lèi)。所有模型都統(tǒng)一采用的基于Geodatabase模型的多片（multipatch）格式。

將設(shè)計(jì)的模型圖輸出為XML文件，然后使用ArcCatalog中的數(shù)據(jù)庫(kù)模式生成向?qū)В瑸閁ML模型修改屬性設(shè)置，創(chuàng)建基于Geodatabase的空間數(shù)據(jù)庫(kù)［13］，如圖2所示。

圖2 地上地下一體化數(shù)據(jù)庫(kù)原型簡(jiǎn)圖Fig.2 Up and down integrated database prototype diagram

2 地上地下空間集成建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地上物體建模

在進(jìn)行地物建模的實(shí)際操作過(guò)程中，數(shù)據(jù)源精度、建模成本和建模效率是選擇建模方法時(shí)要考慮的因素［14］。筆者根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)、研究需要及建模軟件的特點(diǎn)綜合考慮后，決定采用以下的建模方案：對(duì)可以抽象為點(diǎn)狀要素的地物利用點(diǎn)要素三維符號(hào)化的方法建模；對(duì)可以抽象為線要素的地物采用線要素符號(hào)化的方法進(jìn)行建模；對(duì)于可以抽象為面狀要素的地物，若其高度較小（如草坪）時(shí)對(duì)其進(jìn)行紋理建模，高度較大時(shí)對(duì)形狀比較規(guī)則的地物根據(jù)其二維數(shù)據(jù)和高度信息進(jìn)行拉伸建模，結(jié)合CityEngine軟件進(jìn)行規(guī)則、自動(dòng)建模，對(duì)復(fù)雜的、標(biāo)志性的地物采用CityEngine軟件進(jìn)行手工精細(xì)建模。

2.2 地表模型的構(gòu)建

地表模型是在地形數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)三維顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上，采取一定的方法建立地表模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形表面起伏的三維表達(dá)，其實(shí)現(xiàn)方法總體上可以分為兩大類(lèi)：基于分形理論的方法和基于DEM的方法［15］。分形理論采用的是遞歸算法，通過(guò)不斷的細(xì)分和插值來(lái)建立分形的地形模型。這種方法雖然生成的地形比較漂亮美觀，生成速度也較快，但其生成的地形不能很好地反映真實(shí)的地形情況，僅適用于對(duì)地形真實(shí)性要求不高的情況；而基于數(shù)字高程模型可以建立真實(shí)的地表模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表景觀的精確表達(dá)。由于本文研究的是地表和地質(zhì)信息的真實(shí)表達(dá)，因此采用了基于DEM的地形建模方法。使用了Delaunay三角剖分法將不規(guī)則點(diǎn)集生成TIN，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了地表的紋理映射。

2.3 地下空間的建模

地下空間建模包括展示地層空間結(jié)構(gòu)的地層建模、人工開(kāi)挖的地下隧道和巷道的建模、地下各種類(lèi)型的管線的建模、地下構(gòu)筑物的建模等［16－17］。本文采用面模型實(shí)現(xiàn)地層的三維可視化，因此如何利用鉆孔資料、結(jié)合地質(zhì)剖面圖及專(zhuān)家對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象的解譯將地層資料轉(zhuǎn)化為直觀的三維模型，是地層三維可視化的關(guān)鍵問(wèn)題。本研究針對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)是既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)的“區(qū)域化變量”，對(duì)原始的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分層后，對(duì)各層面的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值生成地層面，再根據(jù)得到的地層面生成其對(duì)應(yīng)的TIN，然后利用基于多層TIN面的“面拉伸”方法建立地層的三維模型。

基于面拉伸擴(kuò)充建立三維地層模型的原理是，在所建立的表示各地層分界TIN面的基礎(chǔ)上，利用一個(gè)面的拉伸擴(kuò)充來(lái)達(dá)到兩層TIN之間的實(shí)體填充，用來(lái)拉伸的面的大小和TIN可以完全一致，事實(shí)上，常用表示TIN范圍的多邊形來(lái)進(jìn)行拉伸，因此這種方式建立的地質(zhì)體模型從外觀看起來(lái)比較真實(shí)［18］。而且建立的過(guò)程比較簡(jiǎn)單，不需要預(yù)先設(shè)定面的標(biāo)高。同時(shí)，其拉伸生成的地質(zhì)體是一個(gè)整體，有利于對(duì)其進(jìn)行分析操作，而且其格式為上文所介紹過(guò)的Multipatch，便于進(jìn)行統(tǒng)一管理。該方法通過(guò)ArcGIS提供的三維分析工具Extruded Between來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3為基于“面拉伸”構(gòu)建的某地區(qū)的地層模型。

2.4 地上地下空間模型的集成

地物模型中占地面積較小的地物（路燈、樹(shù)木、郵箱、報(bào)亭、休閑凳等）對(duì)地形模型的影響比較小，因此，在這些地物模型與地形模型集成時(shí)，直接將模型插入到地形模型中，不用重構(gòu)地形模型，以提高效率。地物中占地面積比較大的地物，如河流、湖波、道路、建筑物等都有自己固定的邊界，而且對(duì)地形的影響較大，因此，將這類(lèi)地物模型與地形集成時(shí)必須考慮其對(duì)地形的影響。

由于本研究的初始地形模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)和規(guī)則格網(wǎng)的混合模型，因此將地物模型和地形模型集成，其本質(zhì)是將地物模型的邊界點(diǎn)插入到地形模型中去，并保留邊界特征。本研究最終采用的是用地物的邊界對(duì)地形進(jìn)行修正的算法。其算法思想是：求地物模型的最小外界矩形MinBox及邊界點(diǎn)集合；根據(jù)MinBox確定其所覆蓋的地形表面；根據(jù)范圍求其內(nèi)的所有格網(wǎng)點(diǎn)和TIN頂點(diǎn)并刪除；根據(jù)剩余的格網(wǎng)點(diǎn)和TIN頂點(diǎn)以及地物的范圍界限，依帶約束邊的內(nèi)插Delaunay算法重構(gòu)地形模型。由于該算法的計(jì)算量不小，對(duì)于范圍較大的區(qū)域可以分塊進(jìn)行，以提高效率。

在最終的地上地下空間三維模型中，地表模型是基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型的TIN格式和Grid格式，地上地物模型和三維地層模型均是基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型的Multipatch格式。而且在建模過(guò)程中考慮了地物模型對(duì)地形的影響，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)了地上地物和地形模型的集成；在利用多層TIN面“面拉伸”進(jìn)行地層建模時(shí)，地形數(shù)據(jù)已參與到了三維地層模型的構(gòu)建，所以，地形模型和三維地層模型也能很好地吻合。因此，本研究的建模方法所建立的地上、地表、地下模型能夠很好地集成。

圖4為使用本文介紹的建模方法編繪的某地區(qū)三維城市地質(zhì)圖。從圖4上可以看出，該三維地質(zhì)圖能很好地表達(dá)該地區(qū)的地層空間結(jié)構(gòu)及屬性特征，而且實(shí)現(xiàn)了地層模型與地物模型的無(wú)縫集成和表達(dá)。同時(shí)，由于本建模方法得到的最終模型都是基于Geodatabase的數(shù)據(jù)格式，因此，在后期實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地質(zhì)圖的剖切、開(kāi)挖等剪切分析時(shí)，算法就比較容易。圖5是使用該方法建立的某地區(qū)的三維災(zāi)害地質(zhì)圖以及對(duì)模型進(jìn)行剪切分析的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

圖3 基于“面拉伸”構(gòu)建的地層模型Fig.3 Stratigraphic model based on“Surface tension”

圖4 以空間集成方式建立的三維城市地質(zhì)圖Fig.4 Three-dimensional urban geologic map established by space integrated way

圖5 三維災(zāi)害地質(zhì)圖及其矢量剪切分析Fig.5 Three-dimensional geo-disaster geological map and vector shear analysis

本文以地上下空間集成建模的方式進(jìn)行三維地質(zhì)圖的編繪，將地上地下空間集成建模劃分為地表模型的構(gòu)建、地上地物模型的構(gòu)建和地下模型的構(gòu)建三部分。在此基礎(chǔ)上，采用TIN模型和Grid模型建立了地形模型，并在此技術(shù)上采用紋理映射技術(shù)將地表正射影像疊加到地形模型上，實(shí)現(xiàn)了地表模型的構(gòu)建；充分利用現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，采用三維符號(hào)化法、規(guī)則地物的自動(dòng)建模法、復(fù)雜地物的手工建模法，實(shí)現(xiàn)了地上物體的建模；利用鉆孔數(shù)據(jù)，并綜合地質(zhì)剖面圖、勘察報(bào)告的信息，結(jié)合專(zhuān)家認(rèn)識(shí)，采用多TIN之間“面拉伸”的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維地層模型的構(gòu)建，并利用三維剪切技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的開(kāi)挖、切割等操作；并在建模過(guò)程中充分考慮的地物模型、地表模型、三維地層模型和集成問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了地上下空間模型的集成顯示與統(tǒng)一管理。實(shí)例驗(yàn)證表明，本文提出的空間集成方式的三維地質(zhì)圖的編繪方法具有一定的可行性。

然而，本方法所建立的三維地質(zhì)圖中，三維對(duì)象的拓?fù)浞治雠c查詢(xún)能力較弱，應(yīng)加強(qiáng)拓?fù)潢P(guān)系的建立。此外，該方法對(duì)近似于層狀的地層結(jié)構(gòu)建模效果較好，對(duì)倒轉(zhuǎn)、扭曲、斷層等復(fù)雜的情況難以表達(dá)，需要進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)。

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