基于ArcGIS 的污染地塊地層及構筑物三維可視化

賈秋剛

（中地泓科（天津）環境科技有限公司 天津 301700）

三維可視化是用于顯示描述和理解地下及地面諸多地質現象特征的一種工具， 廣泛應用于地質和地球物理學的所有領域。 由于三維地質模型可以直觀地表達研究區域內地質體的空間形態，可以克服傳統二維地質分析的不足，對工程決策和科學管理有著重要的輔助作用，而GIS 技術的發展，可以較好地實現地表形態及地面物體（如樹木、建筑物等）的三維可視化［1］。以往ArcGIS 三維可視化模型研究應用中，建立地層三維模型的應用較多，構筑物模型如何建立的研究較少。 在污染地塊調查工作中，構筑物（包括廠房、倉庫、管線、儲罐等）的空間分布決定著潛在污染源的空間分布， 是布設監測點位置及采樣深度的依據。 在土壤污染狀況調查相關的工作中，若能根據鉆孔數據及構筑物屬性建立相應的三維可視化模型， 然后以圖形圖像的方式直觀地顯示， 將十分有利于工作者判斷潛在污染源位置，完善污染地塊的概念模型。 本文將ArcGIS 和AutoCAD 軟件各自特點相結合， 建立一個完整的調查地塊地層及構筑物三維可視化模型方法。

1 地塊地層及構筑物三維可視化建模方法

本文中三維可視化模型的建立是基于ArcGIS 軟件的ArcScene 平臺及輔助軟件AutoCAD。 ArcScene 是ArcGIS 三維分析模塊3D Analyst 所提供的一個三維場景工具， 適合于展示三維透視場景的平臺。 AutoCAD 軟件制圖自動化程度高、精度高、操作簡單，能夠很好地與ArcGIS 實現交互，其CAD 文件可以直接加載到ArcScene 平臺進行展示。 三維可視化模型的建立主要分為兩個步驟， 第一個步驟是根據地層的鉆孔數據加載到ArcScene 平臺構建該地塊的地層三維可視化模型；第二個步驟根據具有構筑物屬性的CAD 文件加載到ArcScene平臺與地層三維可視化模型進行耦合。

第一個步驟，關于地層三維可視化模型的構建，已有許多研究者［2-6］做了大量的研究，思路方法基本相近。 基于多層DEM建模思想， 利用ArcGIS 地統計分析模塊 （Geostatistical Analyst）對鉆孔數據進行插值，得到地層厚度在整個建模區域內的估計值，然后生成各地層分界面TIN 模型，拉伸即可獲得研究區域的三維地層可視化模型［7］。

第二個步驟， 地塊構筑物三維可視化模型與地層三維可視化模型進行耦合，CAD 文件的點、線圖層賦予相應的構筑物屬性數據，直接加載于ArcScene 平臺。 為保持耦合的精確度，構筑物的坐標與地層三維可視化模型坐標相一致。

2 研究實例

某地塊被某食品銷售有限公司使用， 地塊內主要構筑物有輔料倉庫、 污水處理站以及員工宿舍。 因土地利用規劃要求，需要對該地塊進行土壤污染狀況初步調查。 研究區構筑物平面分布及監測點布置見圖1。該地塊調查階段所揭露地層從上到下分別為混凝土層（平均厚度約30 cm）、雜填土層（揭露厚度為1.4 m～3.2 m） 及粉質粘土層 （揭露厚度為0.7 m～1.9 m）。揭露的第一層地下水類型為松散巖類孔隙潛水，主要賦存于雜填土中，水位埋深1.39 m～1.47m，含水層厚度0.72 m～2.09 m。

利用監測點鉆孔數據和構筑物屬性數據， 按照上述建模流程在ArcGIS 中建立該地塊的地層和構筑物（包括監測孔）三維可視化模型。

第一步：地層三維可視化模型的構建

（1）鉆孔數據轉GRID：GRID 是用規則的空間格網點表示表面， 格網點中間任何一點的值可以通過插值的方法進行估計。 ArcGIS 和Surfer 軟件都可以把該地塊的鉆孔數據內插生成GRID 文件，ArcGIS 的統計分析擴展模塊中提供了5 種插值方法來創建GRID 表面模型，而Surfer 內插方法多達12 種，對中、小離散數據進行插值處理有其優勢。 能完成數據差值計算的軟件不止ArcGIS 和Surfer， 所以這里就不具體講鉆孔數據轉GRID 操作步驟了。

（2）GRID 轉TIN：TIN 是一種有許多相鄰但又不互相重疊的三角形組成的對地形表面的連續鋪蓋。 點擊“3D Analyst”工具下的“柵格轉TIN”命令，輸入柵格和輸出TIN 為必選項，其它為默認即可。 點擊確定自動加載生成的文件加載的TIN 文件，就是巖層之間的分界面。 為了達到真實效果，我們需要修改圖層屬性。 因為該地塊概化為3 個不同巖性的地層，需要4個巖性界面外加1 個地下水界面， 也就是需要生成5 個TIN文件。

圖1 研究區構筑物平面分布及監測點布置圖

（3）TIN 之間拉伸：通過在2 個不規則三角網（TIN）數據集間拉伸各輸入要素創建3D 要素。 首先點擊“3D Analyst”工具下的“柵格范圍”命令，輸入柵格為原始柵格數據（第一或第二界面的GRID 文件），輸出要素類型為“POLYGON”。 然后點擊“3D Analyst”工具下的“在兩個TIN 間拉伸”命令，輸入“TIN”為需要拉伸的第一和第二個界面， 輸入要素為上個步驟生成的“柵格范圍”文件。 輸出加載生成第一個混凝土地層。 同理，在第二個和第三個界面、在第三個和第四個界面間進行拉伸，生成其他兩個巖性的地層。 可以根據需求，對圖層屬性進行修改，調整各地層的顏色和透明度等參數。生成立體圖（見圖2）。

圖2 研究區調查地塊地層三維可視化模型圖

第二步： 地塊構筑物三維可視化模型與地層三維可視化模型進行耦合

（1）CAD 文件的點、線圖層賦予相應的構筑物屬性數據：構筑物CAD 的坐標與地層三維可視化模型坐標相一致都是平面直角坐標。構筑物的CAD 標高屬性，與研究地塊的表層高程相一致。

（2）CAD 文件直接加載于ArcScene 平臺：在ArcScene 平臺添加CAD 文件，加載線或面數據。構筑物的圖層屬性可以進行修改，調整構筑物的顏色和透明度等參數。在ArcScene 平臺加載的構筑物為平面圖，需要把平面圖拉伸為立體圖，修改圖層屬性的“拉伸”參數，可將點拉伸成垂直線，將線拉伸成墻面，將面拉伸成塊體。 “拉伸值”也就是構筑物的高度。

由建模實例可知，與圖1 二維平面圖相比，三維可視化模型圖可以更加直觀立體展示該地塊信息（圖3），比如：①地層垂直方向的巖性分布情況；②監測點位置與構筑物（潛在污染源）的空間關系；③采樣深度與地層巖性的垂向關系；④地下水流向、埋深及賦存情況。

圖3 研究區調查地塊地層及構筑物三維可視化模型圖

3 總結

本文結合前人研究成果提出了利用ArcGIS 建立地塊地層及構筑物三維可視化模型的方法。 第一個步驟是地層的鉆孔數據加載到ArcScene 平臺構建地層三維可視化模型； 第二個步驟是具有的構筑物屬性的CAD 文件加載到ArcScene 平臺與地層三維可視化模型進行耦合。 通過研究實例得出，與二維平面圖相比， 研究區調查地塊地層及構筑物三維可視化模型圖可以更加直觀、立體展現地塊信息，尤其在向非專業人士傳達地塊信息時，三維可視化立體模型具有生動形象、直觀易懂等優勢。本研究是基于ArcGIS 平臺構建三維場景，但沒有充分應用ArcGIS 空間分析功和空間數據處理功能。 利用土壤樣品的監測數據進行空間差值計算， 展示土壤污染物立體空間分布是下一步的研究方向。