與地質(zhì)關(guān)聯(lián)的三維建模與集成應(yīng)用研究

陳曉飛

(中核勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

三維建模方法及其集成應(yīng)用技術(shù)研究是國(guó)內(nèi)外地學(xué)領(lǐng)域面臨的重大科學(xué)問(wèn)題之一，也是地學(xué)信息化的重要組成部分。空間信息三維可視化是數(shù)字化建設(shè)的重要內(nèi)容，其主要研究?jī)?nèi)容包括地表及其上自然地理實(shí)體、人工建構(gòu)實(shí)體為研究對(duì)象的三維地理信息系統(tǒng)和地表及其下自然地質(zhì)實(shí)體為研究對(duì)象的三維地學(xué)模擬系統(tǒng)。目前，地上建(構(gòu))筑物建模研究已較成熟。根據(jù)地物模型的不同細(xì)節(jié)層次程度，形成了多種三維城市建模方法，主要包括：二維數(shù)字地圖或正射影像、基于圖像的建模與繪制技術(shù)IBMR、基于2D底部邊界線數(shù)據(jù)高度屬性的2.5D盒狀建模、帶有圖像紋理映射的2.5D盒狀建模、包括建筑物細(xì)節(jié)如屋頂形狀的2.75D建模、真三維CAD建模。三維城市建模盡管在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中取得了很大進(jìn)展，但是在復(fù)雜建筑物建模、紋理提取、信息獲取和衛(wèi)星遙感圖像矢量化等方面還有一些問(wèn)題尚待解決。近年來(lái)，對(duì)地質(zhì)三維空間建模研究較多，如：李建華等人提出融合單元分解法、構(gòu)造實(shí)體幾何法、邊界表示法表達(dá)地質(zhì)剖面體構(gòu)造的不同階段，李青元等人提出了五種可視化地質(zhì)模型表達(dá)方式，以三維景觀、切片方式、等高線等方式顯示地層模型，地質(zhì)應(yīng)用軟件也趨向成熟，具有代表性的有GOCAD，RMS，Petrel TM，Gemcom，GeoExpress，EVS/MAS，Lynx，MicroMine，Surpac。近年，相關(guān)學(xué)者提出多種空間三維集成建模方法，如：吳立新、李清泉等人提出基于GTP的地質(zhì)體與開(kāi)挖體真三維集成建模，實(shí)現(xiàn)了一體化真三維幾何無(wú)縫集成空間建模，王彥兵等人提出通過(guò)TIN耦合的地上下幾何無(wú)縫集成建模，LI提出邊界表示模型B-Rep+CSG混合建模，Zlatanova提出TIN+CSG集成建模，李青元提出矢量集成3D模型等。其中建模方法理論上比較合理，但算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。以上研究工作雖實(shí)體建模與單純兩個(gè)不同層面(地表與地上、地表與地下)集成的算法研究較多且地上三維景觀的多分辨率表達(dá)已相對(duì)比較成熟，但地質(zhì)體建模及多層不同層面空間實(shí)體集成研究尚欠充分[1]，實(shí)現(xiàn)較為困難，一定程度上制約了空間信息的有效獲取、深層挖掘和廣泛應(yīng)用，因此亟需進(jìn)行地質(zhì)體建模與不同層面集成新一代的研究。很顯然，地上地下建模與無(wú)縫集成涉及面廣、實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜，是極具挑戰(zhàn)性的研究課題。

目前，盡管測(cè)繪、資源地理、計(jì)算機(jī)科學(xué)地理領(lǐng)域的學(xué)者圍繞3D GIS理論與技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，但多以理論為主，技術(shù)實(shí)現(xiàn)不多；采礦、巖土、地質(zhì)領(lǐng)域的學(xué)者圍繞3D GMS理論與方法進(jìn)行了研究，但多以地學(xué)可視化為主，空間關(guān)系考慮不夠全面。地表及其上下空間的統(tǒng)一表達(dá)成為信息科學(xué)與地學(xué)的交叉技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)。圍繞不同領(lǐng)域研究的3D GIS與3D GMS分別以地形、地表建(構(gòu))筑物、地下環(huán)境為研究對(duì)象，基本未將這些空間實(shí)體整合起來(lái)進(jìn)行集成數(shù)字表達(dá)，而空間信息系統(tǒng)應(yīng)為整個(gè)地學(xué)領(lǐng)域服務(wù)，是一種對(duì)空間所有實(shí)體進(jìn)行集成描述、建模、分析與管理的系統(tǒng)。

本文圍繞這一熱點(diǎn)問(wèn)題，適時(shí)展開(kāi)地表及其上下實(shí)體三維建模與集成關(guān)鍵技術(shù)的探索性研究[2]，集中解決了地學(xué)三維研究與應(yīng)用中的部分關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，恢復(fù)并能三維顯示、操作地表及其上下所建實(shí)體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征以及空間展布等，為研究區(qū)域內(nèi)城市規(guī)劃等領(lǐng)域提供相對(duì)可靠的數(shù)據(jù)支撐和信息保障，尤其對(duì)地裂縫建模生成空間面狀連續(xù)曲面有效地推動(dòng)了地裂縫地面沉降災(zāi)害防治的研究工作，解決了地域性的城市、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害信息可視化問(wèn)題。西安地裂縫自1959年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，目前已經(jīng)發(fā)展到14條，分布面積約250 km2，呈NEE向橫穿西安市區(qū)和郊區(qū)。地裂縫作為一種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)生產(chǎn)及地質(zhì)應(yīng)用起到了指導(dǎo)和決策作用，具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

2 場(chǎng)景與實(shí)體建模

本文將相互聯(lián)系、彼此影響的空間實(shí)體按類型劃分為地表場(chǎng)景實(shí)體(主要由DOM，DEM)、地上建(構(gòu))筑物實(shí)體(包括房屋建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、綠化地等)和地下地質(zhì)、人工空間實(shí)體(如大套地層、地裂縫、地鐵)等三種基本類型。其建模工作分別進(jìn)行，完成后需在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)框架下集成方可能以三維形式集中展現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理、三維建模與無(wú)縫集成是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 地表場(chǎng)景建模

建筑物底面、地裂縫曲面、地鐵頂面及地形表面等對(duì)象在空間上直接相互疊加時(shí)，將不可避免產(chǎn)生形態(tài)各異的幾何縫隙[3]，為了解決地形與地物、地裂縫三類之間匹配問(wèn)題，采用基于規(guī)則格網(wǎng)的地物模型與地形模型幾何無(wú)縫集成算法構(gòu)建地形DEM不失為一種明智的選擇[4-6]。

1)將地形規(guī)則格網(wǎng)剖分成規(guī)則三角形網(wǎng)；2)根據(jù)地物模型底面數(shù)據(jù)求其最小外接矩形MinBOX和邊界邊集{Edge}，根據(jù)MinBOX確定其覆蓋的地形表面范圍{(row1，col1)，(row2，col2)}；3)根據(jù){(row1，col1)，(row2，col2)}，求出該范圍內(nèi)所有格網(wǎng)點(diǎn)；4)根據(jù)點(diǎn)在多邊形內(nèi)的判別算法，判斷所得格網(wǎng)點(diǎn)落入地物地面多邊形之內(nèi)的所有點(diǎn)，并將其刪除，得到更新后的地形格網(wǎng)點(diǎn)集；5)在更新后的格網(wǎng)點(diǎn)集中逐個(gè)插入地物底面邊界點(diǎn)，根據(jù)Delaunay法則進(jìn)行Delaunay局部重構(gòu)，并內(nèi)插計(jì)算每個(gè)邊界點(diǎn)的地面高程；6)根據(jù)約束Delaunay算法，把{Edge}中的所有邊逐條插入，構(gòu)建含約束邊的Delaunay三角網(wǎng)；7)得到地形模型的整體規(guī)則、局部非規(guī)則的Delaunay三角形網(wǎng)。

據(jù)此，利用西安1∶5萬(wàn)高程點(diǎn)作為基本數(shù)據(jù)源，將地上建(構(gòu))筑物底面輪廓線、地裂縫線、地鐵頂輪廓線作為構(gòu)建地形的約束條件，按照上述無(wú)縫集成步驟構(gòu)建地形算法，得到西安局部地區(qū)整體規(guī)則、局部非規(guī)則的Delaunay TIN(見(jiàn)圖1)，之后借助Skyline軟件中Terra Builder疊加正攝影像DOM建立三維地表場(chǎng)景模型。

2.2 地上建模

為了與地表進(jìn)行無(wú)縫集成并兼顧建筑物的形態(tài)特點(diǎn)，本文地上模型采用結(jié)構(gòu)實(shí)體模型CSG方式建立。該模型將幾何形體通過(guò)滿足集合論的正則幾何運(yùn)算構(gòu)造復(fù)雜3D對(duì)象，采用樹(shù)結(jié)構(gòu)表述一個(gè)復(fù)雜對(duì)象[7]。

本文地上建模以該市某校區(qū)為例進(jìn)行。首先，在無(wú)精確平面圖情況下，將高分遙感影像作為基本數(shù)據(jù)源，通過(guò)調(diào)色、裁剪、配準(zhǔn)、數(shù)字化等系列操作得到校區(qū)DLG圖。其次，通過(guò)實(shí)地采集紋理數(shù)據(jù)、屬性信息等，建立地上實(shí)體空間數(shù)據(jù)庫(kù)。最后，根據(jù)CSG模型框架結(jié)構(gòu)和建模原理，利用3D Max軟件將所創(chuàng)建的建筑物對(duì)象通過(guò)拆分處理或布爾運(yùn)算，逐個(gè)創(chuàng)建幾何實(shí)體(其流程見(jiàn)圖2)。將各三維對(duì)象組合，構(gòu)成區(qū)域地表的地上模型三維場(chǎng)景(見(jiàn)圖3)。由于地鐵屬地下的人工空間實(shí)體，建模方法應(yīng)與地上實(shí)體類似，故采用同法構(gòu)建。

2.3 地下建模

鉆孔數(shù)據(jù)量化反映地層或巖性特征，是地層建模的主要依據(jù)。MultiPatch為一種表面集合多面體空間數(shù)據(jù)模型[8]，主要由三角條帶、三角形扇面、環(huán)等要素部件組成，用于表達(dá)復(fù)雜地層。其為ArcGIS所支持的三維格式，于基于ArcEngine的組件開(kāi)發(fā)有利。

根據(jù)所掌握的鉆孔資料，對(duì)西安市核心城區(qū)可用的各類有效鉆孔980個(gè)(深淺不一、用途各異、分布不均)，在保證大套地層各地質(zhì)單元至少有3個(gè)以上的鉆孔可見(jiàn)前提下[9]，按地質(zhì)專家意見(jiàn)從中選定大套地層建模所需的代表性鉆孔155個(gè),用以建立核心城區(qū)的大套地層模型。

鉆孔高程預(yù)處理是獲取鉆孔地表及其地下不同層面高程的必要手段，需通過(guò)基于1∶5萬(wàn)DEM模型插值算法計(jì)算并推算取得(見(jiàn)圖4)，其精度與可靠性有賴于DEM精度。預(yù)處理工作還包括城市坐標(biāo)圖解及轉(zhuǎn)換等。

對(duì)初選的155個(gè)樣本鉆孔，需據(jù)剖面精細(xì)程度一致性且空間分布互補(bǔ)的原則進(jìn)行二次篩選，由此得到91個(gè)鉆孔，并進(jìn)行由精細(xì)到概略的地層歸并以形成大套地層建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。克里金插值方法是線性、無(wú)偏、方差小的一種插值法(如式(1)所示)，應(yīng)用較為廣泛，在此被使用。

(1)

首先，通過(guò)91個(gè)離散鉆孔點(diǎn)不同層面的高程插值獲得大套地層各TIN面的高程結(jié)點(diǎn)。利用地學(xué)統(tǒng)計(jì)中模型擬合與比較方法將內(nèi)插值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，得到兩者交叉驗(yàn)證的參數(shù)指標(biāo)為2.56 m。因該市核心區(qū)相對(duì)較平坦，而國(guó)家平坦地區(qū)DEM精度標(biāo)準(zhǔn)不大于4 m，故內(nèi)插值符合國(guó)家精度標(biāo)準(zhǔn)，可靠亦可用。

其次，利用ArcGIS Engine中的ITinEdit接口將克里金插值生成的結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)生成TIN面(見(jiàn)圖5)，該面即為地層頂面擬合曲面。

最后，利用MultiPatch方法將地層表面擬合曲面圍合成容器型的大套地層實(shí)體(見(jiàn)圖6)。

盡管空間地質(zhì)體擬合生成算法比較多，但構(gòu)建具有空間連續(xù)曲面特征的地裂縫尚無(wú)現(xiàn)成算法可用。本文采用TIN的方式生成空間地裂縫曲面，使空間連續(xù)曲面的描述和再現(xiàn)成為可能。

首先，采用道格拉斯-普克算法將單條地裂縫上樣本點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理，得到抽稀后的地裂縫控制點(diǎn)。其次，將抽稀的點(diǎn)均勻化，使地裂縫上相鄰點(diǎn)為邊構(gòu)成的不規(guī)則網(wǎng)格邊邊長(zhǎng)大體相當(dāng)。同時(shí)適當(dāng)夸大相鄰地層間距或通過(guò)比例變換將地層縱向間距在豎向進(jìn)行拉伸，以使相鄰兩個(gè)地層TIN面之間間距與抽稀并均勻化的地裂縫線樣本點(diǎn)間距量級(jí)匹配[10-11]。最后，由于西安地裂縫南傾特征明顯(經(jīng)驗(yàn)值為65°～80°)，在適當(dāng)假設(shè)前提下，將每條地裂縫上的控制點(diǎn)按照70°傾角投影到對(duì)應(yīng)的各地層TIN面上(如圖7所示)以產(chǎn)生一個(gè)自北向南的偏移量。

由此，相鄰地層間的豎向傾斜TIN面即為可表征相鄰地層間的空間地裂縫空間曲面，而由相鄰地裂縫空間TIN面連接而成的縱向貫穿各地層TIN面的整體性的地裂縫空間面即成為某條地裂縫空間上具有完整意義上的連續(xù)曲面。此地裂縫連續(xù)曲面可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖8)。

3 模型集成

單一的三維空間數(shù)據(jù)模型均不能對(duì)不同層面實(shí)體進(jìn)行完整、有效統(tǒng)一與集成建模，嚴(yán)重阻礙了相關(guān)領(lǐng)域三維可視化的發(fā)展[12-14]。本文為解決這一問(wèn)題，在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，選擇若干模型按照一定方法集成起來(lái)，有效的表達(dá)了地上建(構(gòu))筑物、地表、地下地質(zhì)體的相互關(guān)系，為實(shí)際工程提供一定的決策支持。

3.1 集成關(guān)鍵技術(shù)

模型集成的紐帶是地表模型的有效建立，而關(guān)鍵技術(shù)則是地表及其上下各種實(shí)體模型的生成算法和無(wú)縫集成等系列關(guān)鍵算法，為此，本文采用以下方式進(jìn)行不同層面三維空間模型集成：

1)地表與地上模型、地裂縫的無(wú)縫集成。綜合權(quán)衡數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度，選擇將地形Grid細(xì)分為規(guī)則三角網(wǎng)，再以建筑物輪廓、地裂縫線、地鐵頂輪廓線作為邊界約束條件，重新進(jìn)行地表局部約束Delaunay剖分，進(jìn)而建立(在3D Max與C# 編程下)并集成(在Skyline下)地表、地裂縫與地上三維空間數(shù)據(jù)模型。

2)地表與地層模型的無(wú)縫集成。首先將鉆孔點(diǎn)預(yù)處理，通過(guò)克里金插值生成地層TIN面，將帶有約束條件的地表CD-TIN、第一層、第二層、第三層大套地層之間相鄰TIN面通過(guò)MultiPatch技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)連接，達(dá)到地表與大套地層的無(wú)縫集成。然后，基于3D編輯器，將MultiPatch轉(zhuǎn)化為Collada，在Skechup軟件中導(dǎo)入Collada，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為模型集成識(shí)別的.X格式。

3.2 集成顯示

運(yùn)用CD-TIN模型生成DEM，疊加DOM表示區(qū)域地表，以CSG模型表示城市建(構(gòu))筑物和地鐵，以MultiPatch表示大套地層，以TIN面表示地裂縫模型，以TIN+CSG+MultiPatch集成方式，借助Skyline軟件中Terra Explorer建模功能添加地上部分基礎(chǔ)設(shè)施、景觀樹(shù)等實(shí)體模型，構(gòu)建集地表、地上和地下于一體的三維場(chǎng)景(見(jiàn)圖9)。

4 模型對(duì)比

本文通過(guò)不同層面實(shí)體三維建模實(shí)例化，對(duì)三維空間建模進(jìn)行了總結(jié)(見(jiàn)表1,表2)。指出了集成應(yīng)用中各模型的優(yōu)缺點(diǎn)，方便使用時(shí)借鑒。

表1 三維地質(zhì)空間模型的原理比較

表2 三維地質(zhì)空間模型的優(yōu)缺點(diǎn)比較

5 三維系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

西安三維空間模型集成管理信息系統(tǒng)是展示地表及其上下實(shí)體模型的平臺(tái)，可進(jìn)行模型集成管理基礎(chǔ)上的三維查詢、空間量測(cè)、場(chǎng)景瀏覽漫游、通視分析等操作(見(jiàn)圖10)。本系統(tǒng)采用Skyline開(kāi)發(fā)包Terra Developer，基于C#.NET開(kāi)發(fā)完成。其主要功能如下：

1)三維查詢：提供對(duì)地層、地裂縫、地鐵、地上建(構(gòu))筑物等場(chǎng)景中所有三維實(shí)體屬性的查詢。

2)空間量測(cè)：提供了四種量算工具，分別為水平距離量算、垂直距離量算、空間距離量算和空間面積量算。

3)通視分析：包括單點(diǎn)之間的通視、一對(duì)多點(diǎn)之間的通視、某點(diǎn)的可視域。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在西安局部地區(qū)地表三維模型TIN基礎(chǔ)上，借助三維建模與編程工具(如3D Max,Visual C#.NET)建立CSG,MultiPatch模型，并在所開(kāi)發(fā)的三維原型系統(tǒng)下以統(tǒng)一的坐標(biāo)框架集成展示了地上下建構(gòu)筑物及地質(zhì)體(以地裂縫、大套地層為例)模型，推進(jìn)了以往僅兩層模型無(wú)縫集成或全部模型采用TIN建模并耦合的地上、下幾何無(wú)縫集成建模的研究工作，采用TIN+CSG+MultiPatch三層層面模型集成，為一體化的空間三維建模與集成分析(特別是與地質(zhì)相關(guān)的應(yīng)用研究)提供了示范和參考。