空間集成方式的三維地質圖編繪關鍵技術

張軍強，吳沖龍，2，3，劉 剛，2，3，劉 飛

1.中國地質大學計算機學院，武漢 430074

2.中國地質大學教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，武漢 430074

3.中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室，武漢 430074

0 引言

隨著“玻璃地球”［1］計劃的提出和實施［2］，以及我國“玻璃國土”［3］概念的提出，“開展三維地質建模、填制三維地質圖”已經成為區域地質界的國際風潮。三維地質圖和平面地質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。編繪三維地質圖要求建立一體化的地下－地上、地質－地理、屬性－空間數據模型，并且實現其一體化建模。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結構、構造、礦藏和各種工程設施與構筑物信息，以便在統一的三維環境中進行各種空間查詢、空間分析和空間決策［4－5］。

進行真三維地質圖的編繪，關鍵是要解決多源異構數據的轉換和融合問題，以及具有完全不同介質特征的地質空間和地理空間的拼接和聚合問題［6］。本文的思路是：采用Geodatabase數據模型，設計地上地下一體化的數據庫模型，在ArcGIS Engine環境中分別對地貌、地上和地下空間對象進行建模，并通過特定的處理方法將上述模型兩兩無縫集成起來，進而實現地上地下空間的無縫集成的三維地質圖的編繪［7］。

1 地上地下一體化的數據庫設計

由于空間數據具有多源、多類、多量、多維、多主題的特征，因此，在編繪涉及地上地下空間對象的地質災害領域、城市地質領域、數字礦山等領域的三維地質圖時，所采用的數據模型必須能很好地滿足這些要求，才能在此基礎上進行三維可視化表達、瀏覽、管理、分析等操作［8］。

1.1 數據模型選擇

對于多源數據在三維空間的同時表達，現有的三維地理信息系統大都借鑒了數據模型中基于混合表示模型的思想，采用了如下的處理方式：針對不同的數據類型，根據其特點采取不同的數據模型，進而采取不同方法分別對其進行建模及可視化表達。這種處理方式在數據類型較少時能夠充分發揮各種類型數據的優點和實用性，并且能夠高效地實現對模型的表達和處理；但由于其需要對每種模型分別采用不同的算法實現其可視化和空間分析功能，因此，該方法實現難度高、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縫集成問題，各種數據模型之間的拓撲關系表達比較困難，拓撲一致性算法復雜。

相對地，采用單一的數據模型構造數據結構實現三維空間對象的表達也是利弊共存。其優點是，由于對所有的數據類型采用相同的數據模型定義了統一的數據結構，因此三維模型可視化及拓撲關系表達相對簡單，對三維模型的空間分析算法也比較容易實現。但由于采用了單一的數據模型，無法根據需要表達的數據類型調整算法以優化表達效率；而且其繼承了所采用的數據模型的缺點［9］。

筆者探討的空間集成方式的三維地質圖編繪時涉及的空間數據主要包括以下幾個大類：地上數據（地物模型數據）、地表數據（地形數據及影像數據）、地下數據（地質體數據、鉆孔數據），隨著研究的深入還可能加入更多新的數據類型。當涉及的數據類型越來越多時，多數據模型處理模式的缺點會越來越明顯，算法實現難度加大，系統運行效率降低；另一方面，筆者更關注的是能否在所編繪的三維地質圖上進行一體化的空間分析。因此，在數據模型選擇時更傾向于單一的數據模型。

Geodatabase數據模型是ESRI公司推出的在新的一體化數據存儲技術的基礎上，采用標準的關系數據庫技術來表現地理信息的面向對象的數據模型。它支持利用標準的數據庫管理系統（DBMS）中的數據表來存儲和管理空間信息，它實現了在一個公共模型框架下對矢量、柵格、不規則三角網（TIN）、網絡、地址進行統一描述。由于Geodatabase數據模型具有面向對象的特性，所以其對地理空間特征的表達較之以往的模型更接近我們對現實世界中事物對象的認識和表達［10］。

鑒于以上原因，筆者決定采用Geodatabase來建立地上地下一體化的空間數據模型，以此為基礎進行數據庫的建立。

1.2 利用Geodatabase構建數據一體化的數據庫模型

地上地下環境的空間數據包括矢量數據、柵格數據（數字高程模型DEM和數字正射影像DOM）、三維模型數據和元數據等，其中矢量數據又包含了多種比例尺、多種數據類型的數據，因而顯得比較復雜。而且各個領域關注的對象又不盡相同，因此每種類型的三維地質圖中有哪些專題數據應納入圖面表示范疇，目前還沒有統一意見。這里僅以生成三維災害地質圖所需要的數據為例，對牽涉到的地理空間數據和地質空間數據進行了分類分析，圖層名稱的編碼依據中華人民共和國地質礦產行業標準《數字化地質圖圖層及屬性文件格式DZ/T 0197－1997》［11］。依據數據的性質及表達對象的不同，遵循上述圖層命名規則，對地上地下數據的分類結果如表1所示。

在仔細分析各類數據的基礎上，利用ArcGIS UML模板和Microsoft Visio設計了地上地下一體化的數據模型［12］，生成的地上地下一體化數據模型UML結構圖如圖1所示，結構圖中的字段類型為Geodatabse中的字段類型。涉及到部分數據結構簡述如下。

1）基礎地理數據結構

基礎地理數據是地理空間基礎框架的核心和基礎，為其他空間數據的定位提供了參考。基礎地理數據主要包括自然地理信息中的地貌、水系 、植被以及社會地理信息中的居民地、交通、境界、特殊地物、地名等要素。由于基礎地理數據大多是具有空間位置信息的數據，因此應該從ArcGIS UML提供的要素類（feature class）中進行派生。

圖1 地上地下一體化數據模型UML結構圖Fig.1 UML diagram of up and down integrated data model

2）基礎地質數據結構

基礎地質數據用來實現對該地區的巖相、巖性、地質構造、地質年代、相關的地質體和地質現象的表達。基礎地質數據主要包括地層分界線、地層產狀、地層面、斷層線。基礎地質數據中大部分是具有位置信息的空間數據，所以將其從ArcGIS UML提供的要素類進行派生；還有一部分與位置無關的用來對地質體或地質現象進行描述的屬性數據，將其從ArcGIS UML提供的對象類（object class）直接派生。

3）災害體數據與預防工程數據結構

地質災害體是指那些具有潛在危險的致災因子，是三維災害地質圖重點表達的信息。此處僅考慮了滑坡、崩塌和變形體3種災害體。預防工程是指為了阻止地質災害體狀態的變化所采取的預防性措施，此處主要指護坡工程、庫岸治理工程和抗滑樁工程等。這2類數據均具有顯著的空間特征，所以將其從ArcGIS UML提供的要素類進行派生。

表1 三維災害地質圖涉及的地上地下數據分類Table 1 Classification of involved up and down data in disasters geological map

4）三維模型數據結構

基于三維災害地質圖空間分析和防治工程設計的需要，此處的三維模型僅考慮了地上地物模型、地下地質體模型、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、公共座椅等），隨著研究的進一步深入，可以不斷增加模型的種類。所有模型都統一采用的基于Geodatabase模型的多片（multipatch）格式。

將設計的模型圖輸出為XML文件，然后使用ArcCatalog中的數據庫模式生成向導，為UML模型修改屬性設置，創建基于Geodatabase的空間數據庫［13］，如圖2所示。

圖2 地上地下一體化數據庫原型簡圖Fig.2 Up and down integrated database prototype diagram

2 地上地下空間集成建模關鍵技術

2.1 地上物體建模

在進行地物建模的實際操作過程中，數據源精度、建模成本和建模效率是選擇建模方法時要考慮的因素［14］。筆者根據數據特點、研究需要及建模軟件的特點綜合考慮后，決定采用以下的建模方案：對可以抽象為點狀要素的地物利用點要素三維符號化的方法建模；對可以抽象為線要素的地物采用線要素符號化的方法進行建模；對于可以抽象為面狀要素的地物，若其高度較小（如草坪）時對其進行紋理建模，高度較大時對形狀比較規則的地物根據其二維數據和高度信息進行拉伸建模，結合CityEngine軟件進行規則、自動建模，對復雜的、標志性的地物采用CityEngine軟件進行手工精細建模。

2.2 地表模型的構建

地表模型是在地形數據、計算機三維顯示技術的基礎上，采取一定的方法建立地表模型，來實現對地形表面起伏的三維表達，其實現方法總體上可以分為兩大類：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，通過不斷的細分和插值來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的地形情況，僅適用于對地形真實性要求不高的情況；而基于數字高程模型可以建立真實的地表模型，實現對地表景觀的精確表達。由于本文研究的是地表和地質信息的真實表達，因此采用了基于DEM的地形建模方法。使用了Delaunay三角剖分法將不規則點集生成TIN，并在此基礎上進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構的地層建模、人工開挖的地下隧道和巷道的建模、地下各種類型的管線的建模、地下構筑物的建模等［16－17］。本文采用面模型實現地層的三維可視化，因此如何利用鉆孔資料、結合地質剖面圖及專家對地質現象的解譯將地層資料轉化為直觀的三維模型，是地層三維可視化的關鍵問題。本研究針對鉆孔數據是既有隨機性又有結構性特點的“區域化變量”，對原始的鉆孔數據進行處理、分層后，對各層面的鉆孔數據進行Kriging插值生成地層面，再根據得到的地層面生成其對應的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面的基礎上，利用一個面的拉伸擴充來達到兩層TIN之間的實體填充，用來拉伸的面的大小和TIN可以完全一致，事實上，常用表示TIN范圍的多邊形來進行拉伸，因此這種方式建立的地質體模型從外觀看起來比較真實［18］。而且建立的過程比較簡單，不需要預先設定面的標高。同時，其拉伸生成的地質體是一個整體，有利于對其進行分析操作，而且其格式為上文所介紹過的Multipatch，便于進行統一管理。該方法通過ArcGIS提供的三維分析工具Extruded Between來實現。圖3為基于“面拉伸”構建的某地區的地層模型。

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、樹木、郵箱、報亭、休閑凳等）對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，直接將模型插入到地形模型中，不用重構地形模型，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，而且對地形的影響較大，因此，將這類地物模型與地形集成時必須考慮其對地形的影響。

由于本研究的初始地形模型是基于不規則三角網和規則格網的混合模型，因此將地物模型和地形模型集成，其本質是將地物模型的邊界點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地形進行修正的算法。其算法思想是：求地物模型的最小外界矩形MinBox及邊界點集合；根據MinBox確定其所覆蓋的地形表面；根據范圍求其內的所有格網點和TIN頂點并刪除；根據剩余的格網點和TIN頂點以及地物的范圍界限，依帶約束邊的內插Delaunay算法重構地形模型。由于該算法的計算量不小，對于范圍較大的區域可以分塊進行，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數據模型的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數據模型的Multipatch格式。而且在建模過程中考慮了地物模型對地形的影響，通過算法實現了地上地物和地形模型的集成；在利用多層TIN面“面拉伸”進行地層建模時，地形數據已參與到了三維地層模型的構建，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三維城市地質圖。從圖4上可以看出，該三維地質圖能很好地表達該地區的地層空間結構及屬性特征，而且實現了地層模型與地物模型的無縫集成和表達。同時，由于本建模方法得到的最終模型都是基于Geodatabase的數據格式，因此，在后期實現對三維地質圖的剖切、開挖等剪切分析時，算法就比較容易。圖5是使用該方法建立的某地區的三維災害地質圖以及對模型進行剪切分析的效果。

3 結語

圖3 基于“面拉伸”構建的地層模型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圖Fig.4 Three-dimensional urban geologic map established by space integrated way

圖5 三維災害地質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行三維地質圖的編繪，將地上地下空間集成建模劃分為地表模型的構建、地上地物模型的構建和地下模型的構建三部分。在此基礎上，采用TIN模型和Grid模型建立了地形模型，并在此技術上采用紋理映射技術將地表正射影像疊加到地形模型上，實現了地表模型的構建；充分利用現有GIS數據庫中的空間數據和屬性數據，采用三維符號化法、規則地物的自動建模法、復雜地物的手工建模法，實現了地上物體的建模；利用鉆孔數據，并綜合地質剖面圖、勘察報告的信息，結合專家認識，采用多TIN之間“面拉伸”的技術實現了三維地層模型的構建，并利用三維剪切技術實現了對模型的開挖、切割等操作；并在建模過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題，實現了地上下空間模型的集成顯示與統一管理。實例驗證表明，本文提出的空間集成方式的三維地質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圖中，三維對象的拓撲分析與查詢能力較弱，應加強拓撲關系的建立。此外，該方法對近似于層狀的地層結構建模效果較好，對倒轉、扭曲、斷層等復雜的情況難以表達，需要進一步探索實驗。

（

）：

［1］Esterle J A C G.The Glass Earth［J］.AIG News，2003，72：1-6.

［2］Carr G R，Andrew A S，Denton G，et al.The“Glass-Earth”：Geochemical Frontiers in Exploration Through Conver［J］. Australian Institute of Geoscientists Bulletin，1999，28：33-40.

［3］吳沖龍，翁正平，劉剛，等.論中國“玻璃國土”建設［J］.地質科技情報，2012，31（6）：1-8.

Wu Chonglong，Weng Zhengping，Liu Gang，et al.Discussion on“Glass Land”of China［J］.Geological Science and Technology Information，2012，31（6）：1-8.

［4］齊信，唐川，鐵永波，等.基于GIS技術的汶川地震誘發地質災害危險性評價：以四川省北川縣為例［J］.成都理工大學學報：自然科學版，2010，37（2）：160-167.

Qi Xin，Tang Chuan，Tie Yongbo，et al.Hazard Assessment of Geohazards Triggered by the Wenchuan Earthquake Using GIS Technology：Taking Beichuan County of Sichuan Province for Example［J］.Journal of Chengdu University of Technology：Science ＆Technology Edition，2010，37（2）：160-167.

［5］Olivier Kaufmann，Thierry Martin.3DGeological Modelling from Boreholes， Cross-Sections and Geological Maps，Application over Former Natural Gas Storages in Coal Mines［J］.Computers ＆Geosciences，2008，34（3）：278-290.

［6］劉軍旗，綦廣，程溫鳴，等.滑坡透明化研究與應用：以黃土坡滑坡為例［J］.地質科技情報，2012，31（6）：52-58.

Liu Junqi， Qi Guang， Cheng Wenming，et al.Research and Application of Hyaline Landslide：An Example of Huangtupo Landslide［J］.Geological Science and Technology Information，2012，31（6）：52-58.

［7］張軍強.基于ArcGISEngine的地上下集成建模關鍵技術研究［D］.武漢：中國地質大學，2012.

Zhang Junqiang.Key Technology Research of Above Ground and Under Ground Integrated Modeling Based on ArcGIS Engine［D］.Wuhan：China University of Geosciences，2012.

［8］劉剛，吳沖龍，何珍文，等.地上下一體化的三維空間數據庫模型設計與應用［J］.地球科學：中國地質大學學報，2011，36（2）：367-374.

Liu Gang，Wu Chonglong，He Zhenwen，et al.Design and Application of 3DSpatial Database Model for Integrated Mangement of Aboveground and Underground Features［J］.Earth Science：Journal of China University of Geosciences，2011，36（2）：367-374.

［9］吳立新，車德福，郭甲騰.面向地上下無縫集成建模的新一代三維地理信息系統［J］.測繪工程，2006，15（5）：1-6.

Wu Lixin，Che Defu，Guo Jiateng.The New 3DGIS for Seamless Integration of Terrain Overground and Underground Entities［J］.Enginering of Surveying and Mapping，2006，15（5）：1-6.

［10］朱傳華，胡光道.基于Geodatabase的滑坡災害空間數據庫設計［J］.災害學，2010，25（2）：54-57.

Zhu Chuanhua，Hu Guangdao.Geodatabase-Based Spatal Database Design of Landslide Hazards［J］.Journal of Catastrophology，2010，25（2）：54-57.

［11］DZ/T0197-1997數字化地質圖圖層及屬性文件格式［S］.北京：中國標準出版社，1998.

DZ/T0197-1997Digitize Layers of Grology-Graph and Format of Attribute File［S］.Beijing：Standards Press of China，1998.

［12］張軍強，吳沖龍，劉軍旗.三峽庫區災害地質立體圖數據庫的設計與實現［J］.人民長江，2012，43（7）：47-49.

Zhang Junqiang，Wu Chonglong，Liu Junqi.Design and Realization of Database of Disastrous Geologic Gtereo Map of Three Gorges Reservoir Area［J］.Yangtze River，2012，43（7）：47-49.

［13］何勇，辜寄蓉，江瀏光艷.基于CASE工具的地理空間數據庫建模方法研究［J］.成都理工大學學報：自然科學版，2007，34（2）：185-189.

He Yong，Gu Jirong，Jiang Liuguangyan.Design of the Geodatabase Based on CASE Tools［J］.Journal of Chengdu University of Technology：Science ＆Technology Edition，2007，34（2）：185-189.

［14］王彥兵，吳立新，李小娟.3維GIS空間建模方法評述［J］.中國圖象圖形學報，2007，12（8）：1430-1434.

Wang Yanbing，Wu Lixin，Li Xiaojuan.On 3DGIS Spatial Modeling［J］.Journal of Image and Graphics，2007，12（8）：1430-1434.

［15］吳沖龍，何珍文，翁正平，等.地質數據三維可視化的屬性、分類和關鍵技術［J］.地質通報，2011，30（5）：642-649.

Wu Chonglong，He Zhenwen，Weng Zhengping，et al.Property，Classification and Key Technologies of Three-Dimensional Geological Data Visualization［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（5）：642-649.

［16］田宜平，沈建業.三峽庫區地質災害體三維地層可視化實現［J］.人民長江，2011，42（5）：26-29.

Tian Yiping，Shen Jianye. Visualization of 3D Stratum of Geological Disaster Mass in Three Gorges Reservoir Area［J］.Yangtze River，2011，42（5）：26-29.

［17］尚北川，陳建平，鄭嘯，等.個舊高松礦田斷裂構造三維信息定量特征［J］.吉林大學學報：地球科學版，2013，43（5）：1448-1456.

Shang Beichuan，Chen Jianping，Zheng Xiao，et al，Three Dimensional Quantitative Characteristics of Fault Structures in Gaosong Ore Field，Gejiu［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（5）：1448-1456.

［18］程朋根，王承瑞，甘衛軍，等.基于多層 DEM 與QTPV的混合數據模型及其在地質建模中的應用［J］.吉林大學學報：地球科學版，2005，35（6）：806-811.

Cheng Penggen，Wang Chengrui，Gan Weijun，et al.A Hybrid 3DData Model Based on Multi-DEMs and QTPVs and Its Application in Geological Modeling［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2005，35（6）：806-811.