基于3D—GIS技術的地質勘察信息系統研究

摘 要：3D-GIS技術在資源與環境領域中，發揮著技術先導的作用，它的應用與發展推動了地質、石油、化工、環境等眾多行業的發展。本文首先從3D-GIS的定義、特點、基本功能三個方面簡單介紹了3D-GIS技術，其次詳細分析了基于3D-GIS技術的地質勘察領域，最后重點研究了地質勘察信息系統構架及其功能實現。

關鍵詞：3D-GIS；地理信息；地質勘察；三維

中圖分類號：P20 文獻標識碼：A

1概述

3D-GIS一直是GIS理論和應用研究中的熱點問題，也是數字地球的核心技術問題。“數字地球”對建立三維地理信息系統提出了更為迫切的要求。“數字地球計劃”是信息社會的主要組成部分，是遙感、遙測、全球定位系統、GIS、仿真與虛擬現實技術的高度綜合，是當代科技發展的制高點。由于數字地球中的現實空間是一個動態三維空間，因此4D-GIS可以說是GIS發展的必然趨勢。而所謂的3D-GIS就是從數據結構到空間查詢和建模分析都建立在三維（x，y，z）數據模型基礎上的地理信息系統，3D/4D-GIS研究的突破必然推動GIS在地質、礦業、環境、海洋、城市以及相關信息管理領域的應用。

2 3D-GIS技術簡介

2.1 3D-GIS的定義

3D-GIS是能夠對空間對象進行真三維描述和分析，從數據結構到空間查詢和建模分析都建立在三維數據模型基礎上的地理信息系統。

Breunig認為3D-GIS是布滿整個三維空間的GIS，與傳統的基于平面的二維GIS明顯不同，尤其體現在空間位置與拓撲關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中空間目標通過X、Y、Z三個坐標軸來定義，復雜程度高，它與二維GIS定義在二維平面上的目標具有完全不同的性質。

2.2 3D-GIS的特點

3D-GIS作為二維GIS在空間和功能上的擴展，具有二維GIS的功能之外還具有自己本身強大的功能。肖樂斌等眾多學者總結出三維GIS獨有的功能

1）包容一維、二維對象。三維GIS不僅要表達三維對象，而且還要研究一維、二維對象在三維空間中的表達。

2）可視化2.5維、三維對象。三維GIS的首要特色是要能對2.5維、三維對象進行可視化表現。三維對象的幾何建模與可視表達在三維GIS建設的整個過程中都是需要的，這是其一項基本功能。

3）三維空間DBMS管理。三維GIS的核心是三維空間數據庫。它可由擴展的關系數據庫系統也可由面向對象的空間數據庫系統存儲管理三維空間對象。

4）三維空間分析。直接在三維空間中進行空間操作與分析，對空間對象進行三維表達與管理，使三維GIS明顯不同于二維GIS，在功能上更加強大。

2.3 3D-GIS的基本功能

由于3D-GIS尚處于研究階段，不同學者對其不同領域三維GIS功能的理解也不甚相同。由于地質勘察主要以地學對象為研究載體，所以筆者主要對地學方面三維GIS的基本功能加以總結，主要包括以下幾個方面：

三維數據管理：主要包括三維數據錄入、與其他系統數據的轉換、數據基本分析、三維坐標轉換、入庫數據的有效整合和查詢等；

三維對象管理：基于三維數據的三維對象建模、三維對象模型可視化選擇與查詢、三維對象變化（平移、旋轉等）；

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

3 地質勘察信息系統研究

3.1 地質勘察領域分析

地質勘察是利用勘探、物探、試驗和監測等工程技術手段，調查、分析和評價區域（又稱勘察場區）的地質、環境特征、巖土工程條件等，以獲取定性和定量的結果，并用專題圖、報表和文字報告表現，這是一個復雜的綜合過程。采用面向對象的思想和方法，綜合分析地質勘察涉及的主要對象（實體）及其相互關系，有利于整體把握地質勘察領域的實質問題。圖1是地質勘察領域圖示分析。地質勘察領域涉及地質實體/現象、基礎地理和勘察專題三大類數據。地質實體/現象是工程地質勘察要揭示的區域（如城市）地表以下所有物質的抽象，包括區域地和構造、環境地質及地質災害等綜合信息。基礎地理對象包括控制點、建筑物與構筑物、工礦及設施、交通線路及設施、行政區劃與境界、地貌等十大專題，是地質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區、地層、鉆孔三類對象。勘察場區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體。勘察場區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則空間實體———地層構成。經歸納抽象，地層具有如下特征：地層具有一定層理特征和地質年代、地質成因、巖土特征等關鍵特性，在空間連續分布，相同的地層具有相同的關鍵特性；不同地層按一定層序在垂直方向上疊加，水平分布受地質構造和外力影響也呈一定規律。

通過在勘察場區設置觀測點，典型地點布置鉆孔進行勘探、物探，并進行原位測試或取樣進行室內試驗，獲取原始的物理幾何、巖土力學和化學組分等特征的離散數據。原位測試通常有標貫試驗、靜力觸探、動力觸探、載荷試驗、十字板剪切和抽（注）水試驗等，室內試驗有土工試驗、水質分析、巖石單軸抗壓試驗和點荷載試驗等。鉆孔是具有狹小地表面積和一定深度的柱狀三維空間實體，相當于垂直方向上的多個觀測點，具有不同深度的巖土特征分層數據，即對應真實的地層。通過制作各類圖表表現鉆孔的垂直分層特征以及原位測試數據和室內試驗數據，進而反映整個場區地表以下的地質狀況。

3.2 信息系統架構

地質勘察三維輔助信息系統體系結構如圖2所示，可分為二維工程勘察輔助建模子系統和三維工程勘察建模子系統兩部分，利用二維工程勘察輔助建模子系統可對鉆孔等勘察數據和工程設計圖件進行檢查和預處理，形成三維剖面、鉆孔和設計文件，再經三維工程勘察建模子系統處理得到三維地質結構模型、三維工程對象模型和三維地質屬性模型，基于三維GIS功能，這三類模型均具有對三維空間數據和屬性數據進行一體化管理、顯示和空間分析的功能。

3.3 信息系統功能實現

現有CAD型的巖土工程勘察系統，全面升級轉變為GIS型地質勘察系統。將城市地質勘察信息及相關數據統一存儲在數據庫中，消除了信息孤島，實現城市基礎地形、基礎地質和工程地質勘察信息的高度共享和圖文一體化管理。具體實現了工程勘察成果管理（包括數據編輯、制圖輸出、報表報告制作和三維顯示）、查詢分析、數據維護（地形數據和地質數據）和系統管理維護（數據字典維護和用戶權限管理）等功能。圖3是系統主要功能實現圖。

結語

近年來，地理信息技術在國內發展迅速，并且邁入了國際先進行列。我國的地理信息產業經過多年的發展已具有一定規模，系統集成化、數據標準化、平臺網絡化和應用社會化等是地理信息系統未來的發展趨勢。具體來說，3D-GIS技術會與無線通信技術相結合，與高分辨率遙感影像相結合，與虛擬現實技術相結合等，它的應用將推動各行各業的發展。

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