組件式三維地質建模系統(tǒng)研究

顏玫 ，明鏡

(1.重慶市勘測院，重慶 400020; 2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶 400020;3.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 400020; 4.重慶市地理信息云服務企業(yè)工程技術研究中心，重慶 400020)

1 前 言

GIS 的不斷發(fā)展使其在空間信息各相關研究領域得到了廣泛的應用。GIS 引入地質研究中，極大地推動了計算機技術和空間信息技術在地質中的應用，客觀上帶動了地質學信息化的發(fā)展，使得三維地質建模成為當前的一個研究熱點［1－5］。

三維地質建模是根據(jù)鉆孔、剖面、地質圖等各種原始數(shù)據(jù)建立地下地質體數(shù)字化模型的過程，旨在揭示其地質構造形態(tài)和構造關系、反映地質體內部屬性變化規(guī)律，廣泛地應用于城市地質、巖土工程、石油開發(fā)等多個領域。三維地質建模的結果，以真三維的形式為用戶展示了虛擬的現(xiàn)實地質環(huán)境，加深了用戶對地質情況的理解。基于模型的數(shù)值模擬和空間分析結果，能夠更好地輔助用戶進行科學決策，以規(guī)避可能的風險。

現(xiàn)實中，各生產(chǎn)和研究單位不僅需要能夠反映實際地質規(guī)律的三維地質模型，對于物美價廉的三維地質建模軟件的需求亦愈發(fā)強烈。

COM(Component Object Model)即組件對象模型，是一種跨應用和語言共享二進制代碼的方法［6］，采用組件式技術進行GIS 研發(fā)已成為當前主流趨勢［7～9］。基于COM 技術開發(fā)三維地質建模軟件，將系統(tǒng)劃分成為相對獨立的功能模塊，能夠極大地方便功能的相互調用、系統(tǒng)的并行開發(fā)、跨語言的系統(tǒng)集成，使得三維地質建模軟件系統(tǒng)的設計與開發(fā)效率達到最優(yōu)。

本文設計一種基于COM 技術的組件式三維地質建模系統(tǒng)的設計方案，詳述了研發(fā)實踐中三維地質建模系統(tǒng)的結構與功能，并利用三維地質建模實例對已研發(fā)軟件系統(tǒng)的功能與運行效率進行了測試。

2 系統(tǒng)設計

三維地質建模系統(tǒng)是一個專業(yè)性較強的軟件系統(tǒng)，不僅需要對建模原始數(shù)據(jù)進行組織和管理，還需要結合地質學、數(shù)學、計算機圖形學等知識進行各種建模工具和功能的開發(fā)以及建模流程的組織，因此該系統(tǒng)具有一定的綜合性，需在系統(tǒng)設計基礎上有效組織系統(tǒng)功能模塊，指導原型系統(tǒng)開發(fā)。

系統(tǒng)的主要模塊及邏輯層次設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊

2.1 數(shù)據(jù)轉換導入

多種來源多種格式的建模原始數(shù)據(jù)，需經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換導入模塊進入到系統(tǒng)中。通過數(shù)據(jù)轉換接口，將多源數(shù)據(jù)整合轉化為系統(tǒng)中的點、線、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)面、鉆孔、含拓撲剖面等數(shù)據(jù)對象。

2.2 二維圖件生成及管理

在三維地質建模系統(tǒng)中，需要提供對二維平面圖和二維剖面圖的生成及管理功能，以此提供對原始建模數(shù)據(jù)的進一步加工功能和對三維建模的數(shù)據(jù)支持。二維圖件生成及管理模塊主要包括對二維地質圖、等值線圖和二維剖面圖的生成、編輯等功能，也包括二維數(shù)據(jù)向三維的轉化導出等功能。

2.3 數(shù)據(jù)組織管理

進入系統(tǒng)內的各種類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)組織管理模塊將對它們進行有效的組織管理，以方便系統(tǒng)其他模塊對數(shù)據(jù)的訪問和存儲。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織管理將按照“數(shù)據(jù)源→數(shù)據(jù)集→數(shù)據(jù)對象”的邏輯層級進行管理。

2.4 三維地質建模

三維地質建模模塊是該系統(tǒng)的重要模塊，主要專注于從系統(tǒng)中各種低維數(shù)據(jù)對象(點、線、TIN 面、鉆孔、含拓撲剖面等)生成反映地質實際的三維模型。本系統(tǒng)建模總體框架設計中整合集成了三大類地質建模方法:基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質建模［10］、基于網(wǎng)狀含拓撲剖面的三維地質建模［11］以及基于多源數(shù)據(jù)的一般建模方法。因此，該模塊又向下分為鉆孔建模子模塊、剖面建模子模塊、多源數(shù)據(jù)一般建模子模塊、工程體建模子模塊、多模型融合子模塊等。其中，鉆孔建模子模塊實現(xiàn)了基于鉆孔的三維地質模型快速構建方法［10］;剖面建模子模塊能夠利用相互交叉形成網(wǎng)狀的含拓撲剖面進行三維地質模型的構建［11］;多源數(shù)據(jù)一般建模子模塊利用鉆孔、剖面、地質圖、等值線圖等多種來源的地質數(shù)據(jù)，采用人機交互的方式構建地質界面及三維地質體;工程體建模子模塊用于構建樁基、隧道、基坑等較為規(guī)則的工程體。利用多種方法構建的三維地質模型，還需利用多模型融合子模塊，基于體布爾操作等方式，實現(xiàn)多模型間的融合，保證模型之間沒有空隙和交疊。

2.5 三維模型可視化

可視化是對模型的三維直觀展示，以圖形的方式來反饋建模結果。該模塊基于OpenGL 實現(xiàn)各種可視化渲染和三維交互功能。

2.6 模型空間分析

模型空間分析模塊是在三維模型的基礎上，對模型進行幾何或可視化切割以分析模型內部結構，主要包括剖面切割、隧道開挖、虛擬鉆探、體積量算等分析功能。

2.7 模型轉換導出

三維地質模型還可以通過體元剖分和三維空間屬性插值轉化為三維地質屬性模型，以方便對地質變量的空間變化做深入研究。通過模型轉換導出，還可將地質模型轉化為有限元網(wǎng)格，為工程的有限元分析和數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持。導出的有限元網(wǎng)格為FLAC3D 文本文件格式，不僅可以導入到FLAC3D 軟件中，還可利用數(shù)據(jù)格式轉換工具，方便地轉換為ANSYS、MIDAS 等常用有限元計算軟件能夠直接利用的數(shù)據(jù)格式。

3 系統(tǒng)架構

以GeoBase 地質信息系統(tǒng)平臺為基礎，進行若干與三維地質建模相關功能插件的二次開發(fā)，建立了一個專業(yè)的三維地質建模原型系統(tǒng)V3DModel(如圖2所示)，系統(tǒng)體系結構圖如圖3所示。

圖2 V3DModel 系統(tǒng)界面

圖3 系統(tǒng)體系結構圖

3.1 GeoBase 地質信息系統(tǒng)平臺

GeoBase 地質信息系統(tǒng)平臺是一個基于COM 技術開發(fā)的基礎平臺，它基于PC 機運行于Microsoft Windows 操作系統(tǒng)上，其中實現(xiàn)了最基本的插件管理、數(shù)據(jù)組織與管理、二維和三維視圖管理等功能。

GeoBase 是具有自主知識產(chǎn)權的基礎平臺。基于GeoBase，可通過組件式開發(fā)有效整合各模塊功能，集成多種針對不同實際地質情況研發(fā)的建模方法，切實降低開發(fā)難度、提高研發(fā)效率，同時保證系統(tǒng)具有良好的擴展性，故選取其作為三維地質建模開發(fā)的基礎平臺。

GeoBase 平臺分為兩個功能層次，其底層包含基礎平臺和基礎組件，上層包含3 個系統(tǒng)插件。

其中，底層的基礎平臺是整個系統(tǒng)的運行時環(huán)境，實現(xiàn)了系統(tǒng)的主界面，暴露了工具欄、菜單、按鈕項、工具視圖、主視圖的擴展點，使其他插件可以通過二次開發(fā)豐富界面功能;系統(tǒng)主界面基于MFC(Microsoft 基礎類庫)實現(xiàn)，由主窗口、工具欄、工具視圖和主視圖組成。基礎平臺還實現(xiàn)了插件的管理功能，以管理、執(zhí)行系統(tǒng)的所有插件(功能模塊)，包括經(jīng)過注冊新加入到系統(tǒng)中的插件。底層的基礎組件實現(xiàn)了基本的地質數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)庫存取、三維場景和二維地圖等基本功能，是構造上層應用的基礎工作。

在基礎平臺和基礎組件之上，實現(xiàn)了平臺的基礎應用功能模塊，包括工作空間、三維場景視圖和二維地圖視圖3個系統(tǒng)插件。其中，工作空間插件是應用系統(tǒng)組織管理數(shù)據(jù)的頂層結構，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的組織管理;空間數(shù)據(jù)組織管理方面，工作空間插件按照“數(shù)據(jù)源→數(shù)據(jù)集→數(shù)據(jù)對象”這一從上到下的層次關系實現(xiàn)了對所有空間數(shù)據(jù)的有效管理，方便了系統(tǒng)其他插件對空間數(shù)據(jù)的讀取和存放;顯示數(shù)據(jù)組織管理方面，工作空間插件對三維場景和二維地圖的各個圖層以及圖層中所引用的空間數(shù)據(jù)進行了組織和管理。三維場景視圖和二維地圖視圖插件均為擴展界面框架主視圖的插件，分別用于顯示三維場景和二維地圖。

3.2 建模應用插件

為了實現(xiàn)V3DModel 三維地質建模系統(tǒng)的各個功能模塊，在GeoBase 平臺上開發(fā)了若干應用插件，主要包括數(shù)據(jù)轉換導入、二維圖件生成及管理、三維場景交互、三維地質建模、模型空間分析及模型轉換導出插件。

三維地質建模插件組主要包括鉆孔解譯及自動建模、平行剖面建模、網(wǎng)狀剖面建模、空間對象轉化創(chuàng)建、添加約束及離散光滑插值(DSI)、TIN 面編輯等插件，包含了絕大部分三維地質建模功能。其中，空間對象轉化創(chuàng)建、添加約束及DSI 插值、TIN 面編輯這3 個插件共同實現(xiàn)了基于多源數(shù)據(jù)的一般建模方法。由于建模過程中經(jīng)常需要用到三維場景中的交互，三維地質建模插件組依賴于三維場景交互插件。

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)已有主要功能如圖4所示。

開展實際建模時，用于建模的原始數(shù)據(jù)類型多樣，其刻畫的地質情況的復雜程度是不同的。同時，三維地質建模系統(tǒng)是一個專業(yè)性較強的軟件系統(tǒng)，應有效結合多種建模方法。建模時，需要根據(jù)原始數(shù)據(jù)的實際情況，選擇合適的建模方法，才可能最快速地建立相應復雜程度的地質模型，以求最大限度減少用戶交互，提高建模效率。

本文系統(tǒng)通過組件式開發(fā)，有效結合了鉆孔建模、平行剖面建模、網(wǎng)狀剖面建模等自動化程度較高的建模方法，可快速實現(xiàn)模型建立。同時，若待建模型的地質情況特別復雜，該系統(tǒng)還通過“空間對象轉化創(chuàng)建”、“約束及DSI 插值”、“TIN 編輯”等插件組，實現(xiàn)了基于多源數(shù)據(jù)通用建模方法。該方法以三維空間曲面為核心，圍繞TIN 面的創(chuàng)建、編輯、約束、插值、形變、交切、拼合，能夠以人機交互的方式建立復雜的三維地質模型。因此，該系統(tǒng)兼具自動化及交互式建模方法，既能保證簡單模型的快速建立，又能實現(xiàn)復雜模型的交互式創(chuàng)建，系統(tǒng)具有較高的實用性。

未來研究形成的新建模方法和新功能，可通過開發(fā)新組件的方式，方便快捷地添加到現(xiàn)有系統(tǒng)中，實現(xiàn)三維地質建模方法的深入與擴展。

5 應用實驗

V3DModel 在北京等城市地質調查項目中的多個三維地質模型構建課題中得到了實際應用。系統(tǒng)利用“基于含拓撲網(wǎng)狀剖面的三維地質建模方法”，成功地建立起了北京市的工程層、新生界和基巖地質這三大類三維地質模型［10］。圖5(a)展示了模型的全貌，頂面的第四系地層模型上貼有該地區(qū)的真實遙感圖像。為了更好地展示模型的內部結構，切割模型形成的柵欄圖與斷層疊加顯示見圖5(b)。圖5(c)和圖5(d)是對模型進行隧道虛擬開挖的效果。通過沿虛擬隧道可視化漫游的方式，用戶將更好地觀察模型的內部情況。主城區(qū)基巖地質結構模型的成功建立，證明該系統(tǒng)可以針對含有相交復雜斷層的區(qū)域進行三維地質模型構建。

實際應用實驗的結果表明，該系統(tǒng)有效地結合了各種建模方法，兼具了快捷簡單建模和交互式復雜建模，同時，系統(tǒng)能夠利用多種來源的原始數(shù)據(jù)，能夠針對復雜地質情況進行建模，因此，該系統(tǒng)具有較強建模能力和很高實用價值，本文提出的系統(tǒng)設計與開發(fā)策略是正確可行的。

圖4 系統(tǒng)主要功能

圖5 北京主城區(qū)基巖地質結構模型

6 結 語

本文基于COM 技術進行了三維地質建模系統(tǒng)設計與研發(fā)，在系統(tǒng)設計的基礎上，不僅討論了系統(tǒng)模塊的劃分以及模塊間的邏輯層次，還闡述了系統(tǒng)體系結構，并簡要介紹了系統(tǒng)的主要功能。若干三維地質建模實例的建立，證明了V3DModel 三維地質建模系統(tǒng)的成功，同時也證明了利用COM 技術完成如此專業(yè)性較強軟件系統(tǒng)的功能模塊設計與高效并行開發(fā)是合理且明智的。采用組件式的系統(tǒng)開發(fā)策略，降低了系統(tǒng)模塊之間的耦合度，方便了系統(tǒng)的集成和功能擴展，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)的研發(fā)成本，對于三維地質建模方法的理論研究以及三維地質建模軟件系統(tǒng)的研發(fā)也具有重要的積極意義，必將極大地促進三維地質建模的研究。

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