面向城市地质信息平台的三维技术研究

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1、面向城市地质信息平台的三维技术研究刘修国1,2 朱良峰1,2 尚建嘎1,2 花卫华1,2（1. 中国地质大学 信息工程学院，武汉 430074；2. 武汉中地数码科技有限公司，武汉 430074）摘 要: 城市地质信息平台是一个集城市地表、地上、地下多维、动态空间信息于一体的大型综合性空间信息系统，三维地质建模及其前后处理问题是系统建设面临的主要技术瓶颈。本文简述了城市地质信息平台的建设目标与功能特征，探讨了平台建设中的三维技术瓶颈，如三维空间数据模型、三维地质建模和三维地质数据的可视化表达与分析，同时介绍了作者在相关领域的研究进展与最新成果，指出了下一步需要重点研究和解决的技术难题。关键词：

2、 城市地质信息平台 三维地理信息系统 三维数据模型 三维地质建模 可视化1引言随着城市化进程的加快，城市建设所涉及的地质问题也日益凸现；系列城市地质问题严重影响了城市的可持续发展。城市地质工作是研究和解决现代城市发展进程中面临的一系列地质问题的重要途径，已成为现代地球科学发展与应用的重要前沿。自20 世纪90 年代以来，世界范围内的城市地质工作普遍面临信息技术迅速发展和普及应用的新机遇，以数字式空间数据库、计算机成图和GIS 为依托的新工作模式渐成气候，构建一个基于三维GIS 技术、三维可视化技术的城市地质信息平台已成为当前城市地质工作的必需1。城市三维地质数据的可视化管理与分析是“数字城市”

3、工程的重要支柱，城市地质信息平台通过对城市三维地质多源海量数据进行一体化的存储与管理，并在此基础上进行各种专业分析和各类工程地质信息的网络发布，从而为制定科学合理的城市发展规划提供基础地质资料和决策依据。因此，城市地质信息平台建设是提高城市地质研究水平、有效利用城市地质数据、实现城市地质资料面向政府决策、面向公众服务的有效途径。2城市地质信息平台的功能要求2.1 平台建设的总体目标基于目前城市规划、建设、管理、服务对城市地质信息的需求和城市地质工作的现状，城市地质信息平台的建设就是要：根据城市地质信息不同应用部门、不同用户的实际需求，结合当前GIS 技术、三维建模及可视化技术、空间数据库及计算

4、机网络技术的特点与发展趋势，开发一个集信息输入、数据库管理和城市三维地质空间数据可视化分析于一体的功能全面、性能稳定、智能化的城市地质信息综合管理平台，实现对城市地质及相关数据的有效存贮、管理、可视化再现与网络化服务，为管理人员和工程技术人员提供综合化、智能化、规范化的基础应用平台，为城市规划和社会公众信息需求提供标准化、网络化、可视化的服务平台，为政府和社会搭建城市规划和工程建设的地质数据信息快速响应平台，以满足对城市地质数据管理、应用分析的需求。2.2 平台建设的功能要求根据城市地质信息平台的总体建设目标，平台应实现三个层次的功能和服务：（1）实现对城市地质及相关数据的有效管理城市地质信息

5、平台应是一个集地上、地表、地下三维空间信息于一体的大型综合性三维空间数据管理和服务平台，涉及表征城市地上特征的数码景观和遥感影像数据、表征城市地表特征的城市基础地理数据、表征城市地下地质特征的地下三维地质空间数据等。如何科学有效地管理这些来源广泛、类别众多、数量庞大、时空多维、主题鲜明的空间数据，是平台首先要解决的问题。城市地质信息平台应整合地质多源海量数据，建立城市地质信息综合数据库和信息管理系统，实现地质成果的数字化、成果资料的社会化和数据信息的共享化，为城市地质信息的科学化、网络化管理与服务提供技术支撑。（2）提供对城市地质及相关数据的可视化处理和专业分析在科学有效地管理城市地质及相关数

6、据的基础上，建立各类地质数据的专业模型，并采用三维数字化技术直观、形象的表达地质数据的时空展布特征，并进行相关专业处理、分析，是平台提供面向专业应用和社会服务的基础。平台应能将地质勘查资料解释结果在三维空间中综合起来，重现地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，重建三维地质构造形态模型，并将三维地质模型用三维图形图像生动地表现出来，从而实现地下复杂空间结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化。平台应能利用空间分析与数据挖掘技术支持复杂地质问题的决策研究。（3）面向公众及专业人员提供基于地质数据的基础和增值信息服务在前两个服务层次的基础上，平台应开发辅助决策等综合地质信息服务功能，为政府规划决

7、策和公众需求提供基于城市地质数据的基础和增值信息服务。如提供与城市布局、建设和发展相关的基础地质条件和地质环境质量的评价，提出城市土地综合利用、地下空间资源及地质环境资源合理开发利用、地质灾害防治、地质环境保护和矿产资源开发引起的生态环境整治等方面的对策和建议。基于地质三维数据开展增值应用服务，如基于地质三维数据基础之上，进行大型社区的规划分析；或基于地质三维数据，生成三维有限元单元体，实现三维沉降、变形和稳定性分析；或基于地质三维数据，实现三维高边坡稳定分析等。3. 城市地质信息平台三维技术研究城市地质信息平台本质上是3D GIS 的一个专题型、应用型系统。针对城市三维地质数据本身及其信息共

8、享和服务的特点设计城市三维地质空间数据概念模型，并实现对城市三维地质空间数据的有效存储和快速检索，实现城市三维地质构造的动态建模与地质体物化属性的三维重构，及针对城市三维地质模型的三维可视化与分析处理技术，是构建城市三维地质信息平台必须解决的关键技术难题。事实上，城市地质信息平台涉及的三维技术基础包括：2.5 维的数字高程模型分析技术，三维城市景观浏览与编辑，真3D 地学模拟，地表与地下空间的统一建模与表达，三维空间分析，三维动态地学过程模拟及其可视化等。鉴于二维以及2.5 维空间数据管理与处理技术相对成熟，本文对平台涉及的二维问题不作讨论，重点研究城市三维地质信息的建模与表达之上，探索与之相

9、关的下述三个问题：三维空间数据模型，三维地质建模，三维地质数据的可视化表达与分析。3.1 三维空间数据模型三维空间数据模型是城市地质信息系统的基础，它为描述城市地质空间数据的组织、设计城市地质空间数据库模式、进行三维地质建模乃至三维地质数据的可视化表达与分析提供了最基础的支撑。目前，由于三维空间数据模型理论和技术尚不成熟，导致GIS 的三维空间建模能力和三维空间分析能力都极为薄弱，这也是影响和制约3D GIS 深入发展与应用的瓶颈。3D GIS 采用的空间数据模型可划分为三大类，即三维体元模型、三维矢量模型、混合或集成数据模型；根据具体实现方法的不同，每个大类下又有若干具有代表性的数据模型（表

10、1）。从实际应用效果来看，三维体元模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大、运算速度慢，三维矢量模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。混合或集成数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。由于三维几何和拓扑的复杂性，很难用一个统一的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，采用混合数据模型不失为一种可行的方法。但现有的混合数据模型（如TIN+CSG、TIN+Octree 等）多采用矢栅一体的混合结构，这势必增加实现上的难度，如果做的不好，可能既没有矢量结构简洁、精确的优点，又丧失体元模型的简单、通用的长处。

11、因此，现阶段基于矢量的数据模型特别是边界表示模型（B-Rep）仍然是主流的三维空间数据模型。表1 三维空间数据模型分类类 型 代表性数据模型规则体元1.结构实体几何(CSG); 2.三维栅格结构(3D-raster structure); 3.指针结构(node structure); 4.八叉树(Octree); 5.针体(Needle); 6.规则块体(Regular Block).三维体元模型不规则体元1.四面体格网(TEN); 2.金字塔(Pyramid); 3.三棱柱(TP); 4.广义三棱柱(GTP); 5.地质细胞(Geocellular);6.非规则块体(Irregular B

12、lock); 7.实体(Solid); 8.Voronoi 多面体(3D Voronoi Diagram).三维矢量模型1.格网结构(Grid Structure); 2.面片结构(Facets Model)：如TIN; 3.形状结构(Shape Structure); 4.超图数据结构(HBDS); 5.边界表示模型(B-Rep); 6.线框模型(Wire Frame); 7.非均匀有理B 样条函数(NURBS); 8.三维矢量结构(3D Vector Structure); 9.多层DEM; 10.断面(Section); 11.断面三角网混合(Section-TIN mixed).混合或

13、集成数据模型1.TIN+CSG; 2.TIN+Octree; 3.Octree+TEN; 4.Octree+CSG; 5.Wireframe+Block;6.面向对象的数据模型.具体到城市环境下的三维地学模拟，其研究对象的特殊性对三维空间数据模型的实用性提出了更高的要求：它不仅要能表达和显示地学对象本身，而且还要能表达地学对象间的相互关系即拓扑关系和实体关系，另外还要能存储地学对象众多的属性信息。另外，目前既没有统一的标准地学模型，也没有形成能为大多数人所接受的理论与模式，这更增加了面向城市地质应用的三维空间数据模型的复杂程度。因此，为城市三维地学表达和分析服务的三维数据模型和数据结构设计，应

14、当针对城市地质数据的获取方式、地学对象本身的形态特征和主要的应用目的设计具体的数据模型。基于面向城市地质这一具体应用领域设计专用空间数据模型的指导思想，结合自身的研究实践，笔者提出了基于边界表示、面向地质实体并兼顾拓扑关系的三维矢量数据模型及其点三角形 边面简单体 线复杂体结点三维实体属性三维几何实体环图1 面向实体顾及拓扑的三维矢量模型三维空间数据库空间参照系三维要素数据集对象类三维要素类属性图形信息域集三维注记类三维几何实体图2 城市三维矢量空间数据库模型库组织模型（见图1、图2）。这一数据模型所采用的拓扑元素有点（Vertex）、结点（Node）、边（Edge）、线（Line）、三角形（

15、Triangle）、三角网（TIN）、环（Loop）和多面体（Polyhedron）等8 种，具体的拓扑层次关系如图1 所示。另外，还将三维地质模型中的地质元素划分为位置、地质边界、层块、层、块和地质模型等6 个层次（其与拓扑元素的对应关系见图3），实现了三维地质现象的拓扑表示和地质表示之间的无缝结合。这一数据模型结合了城市三维地质数据自身特征以及城市地质信息系统进行信息共享与服务的应用需求，吸收借鉴了国内外具有代表性的三维空间数据模型的设计思想，是一种典型的面向地质实体并兼顾拓扑的数据模型，可用来有效组织和描述城市三维地质结构模型。针对这一矢量空间数据模型的特点，开发出了结合Octree、R

16、tree 并支持实体LoD 的空间数据索引技术LoD-OR 树，较好地解决了城市地质信息系统涉及的三维空间数据对空间数据模型与数据组织调度的要求。另外，采用三维栅格数据结构来组织表征地质体内部物化属性的规则体数据，并将二维栅格数据分块和金字塔式存储调度技术用于三维栅格数据的存储组织，设计并实现了地质体物化属性数据的分块和金字塔式多尺度组织管理模式，解决了大规模三维规则体数据的快速提取与检索问题。3.2 三维地质建模三维地质建模是实现地质数据可视化的前提和基础。目前三维空间构模方法的研究逐渐由面模拟向体模拟发展，由2.5 维建模向真三维建模发展，由单一的几何构模向几何与属性集成构模方向发展。根据

17、三维地质建模采用的空间数据模型的不同，可分为基于面模型的建模、基于体模型的建模和混合数据结构建模等，依照具体实现方法的差异可分为三维空间插值建模、几何建模、人工交互建模等。图4 详细的描述了三维地质建模及地质数据体视化的基本流程。需要指出的是，对不同类型和特性的地质数据，可能需要采用不同的建模方法。例如：常见的层状地质实体或者与层状地质体空间分布相关的地质数据具有沿地层方向的强约束条件，对其建模一般不宜采用常规的空间自动插值方法，可考虑使用几何建模方法或者进行地质元素拓扑元素层块地质边界（接触关系、断层、地层和外边界）位置多面体面顶点块（垂向上相连接的层块）层（侧向上相连接的层块）地质模型多面

18、体集合多面体的子集图3 三维地质模型中地质元素与拓扑元素的对应关系人工交互建模。另外，由于地质问题的高度复杂性和多解性，三维地质建模应是一个反复迭代的过程，任何建模方法都应该允许并且需要用户进行必要的人工干预，期待采用一种建模方法完全自动的解决所有的地质建模问题是不切实际的。笔者从城市三维地质信息平台中地质体结构建模的实际需要出发，针对城市三维地质数据中两类主要的数据钻孔数据和物探剖面数据，分别实现了相应的建模方案。基于钻孔数据，设计并实现了“地层实体”建模算法，该算法基于主TIN 的思想构建三维地层实体模型，算法简单、健壮，并允许用户自定义剖面修正模型，很好地解决了单独使用手工连接地层进行建

19、模效率低下，而单纯使用自动建模方法有时又无法完全满足建模要求的问题。对于物探剖面数据建模，采用基于图论的优化面重构算法，该算法可用于平行或非平行剖面上的轮廓线进行面或体重构，突破了传统轮廓线重构面算法要求剖面必须平行的限制，甚至可以实现三维空间中任意轮廓线的面重构。对于地质体内属性特征空间分布模型的三维重构，较传统的方法是把地质属性变量与其空间位置及其空间变化关联起来的距离反比加权法、克里金法等；笔者在研究中意思到神经网络较强的模式识别和参数预测（外推内插）能力可以用于地质体属性参数的最优估值，设计了一个多维地质参数三维插值BP 神经网络，用于成因复杂、背景知识尚不清晰、推理规则尚不明确的受多

20、变量影响控制的地质属性参数的三维估值上，取得了一些成果，为地质体内多维地质参数的三维插值探索了一条新的途径。3.3 三维地质数据的可视化表达与分析城市地质体的空间形状没有统一的模式，在不同空间区域、不同计算精度下的结果是千差万别、形态各异的，如何对这些结构复杂的地质体及相关地质数据进行可视化的分析与表达，如何充分、完整、交互式的展示、切割、综合、分析三维地质图形，一直是相关领域的研究热点。体视化技术的出现和发展给三维地质模拟提供了有力的理论依据和良好的可视化途径，但由于体视化技术本身目前还面临着一些难点，如没有高效可靠的分割方法、体数据的显示速度慢、缺乏有效的非规则数据场或向量型数据场可视化算

21、法等，加之地学对象本身又极其复杂。因此着力解决体视化技术本身的难点，综合应用体视化技术和传统的可视化技术，探索三维地质数据更有效的可视化途径和实现其算法是三维地质数据可视化表达与分析的重要发展方向。针对平台中两种空间数据模型，笔者实践了两种典型的模型剖切算法用于非规则三维矢量体数据的基于OBB 树的三角网切割方法和用于三维规则体数据的插值式剖面切割方图4 三维地质建模基本流程法；基于这两种算法，平台很好地实现了对两类模型的任意剖切图、任意栅状图、基坑开挖、虚拟钻探、隧道漫游动画生成等分析处理功能（见效果图4 的a i）。笔者在比较分析三维空间数据场面绘制、体绘制及混合绘制各类算法的基础上，结合

22、城市三维地质数据及模型的特点，对光线投射法和子区域投射法进行了改进，省去了光线投射法内部体元光照效应的计算，将采样点的三线性插值变为双线性插值，并且利用了硬件加速的优势，在降低计算量的同时，增加了绘制过程的动态感和绘制结果的立体感；对子区域投射算法，通过设置任意的视点视线方向和利用凸网格的深度排序算法对可见体元进行排序，使之可以沿任意方向进行模型的体绘制，同时扩展使得该方法既可用于规则地质体数据也可用于不规则地质体数据的直接体绘制。4结语城市地质信息平台的建设无疑是提高城市地质研究水平、有效利用城市地质数据、实现城市地质数据面向政府决策、面向公众服务的有效途径。平台建设的实质是真三维GIS 技

23、术、三维地质模拟技术在城市地质工作中的应用，三维及其相关问题是平台建设的主要技术瓶颈。 现有的三维空间数据模型、建模及可视化系统不能完全满足城市地质信息平台建设的要求，城市地质数据三维空间数据模型与建模方法、三维地质体可视化的基本理论与关键技术仍是需要重点解决的问题。在三维地质数据的数据结构与数据模型方面，应加强对城市地质多维、动态空间数据模型的理论研究，深化对地质空间现象（地质实体）的多维、动态特性的认识，研究对多维、动态地质实体的描述和表达方法，发展地质实体的多维、动态空间数据模型；研究并设计面向地质实体的无显式拓扑的地理空间数据结构与数据模型来表达城市三维地质数据。在城市a 钻孔与地质模

24、型的组合显示 b 选择某些地层进行单独显示 c 切割感兴趣的地层d 斜切三维地质模型 e 水平切割模型 f 隧道漫游示意图g 立体剖面栅状图 h 工勘应用的桩基分析 i 工勘应用的开挖分析图城市地质信息平台处理的三维模型效果图示三维地质模型的构建方面，应进一步研究复杂地质构造（如侵入体、透镜体、复杂褶皱以及多种地质构造的混合）对三维地质模型的影响与作用，解决这些复杂地质构造的模拟问题；应进一步研究考虑到各向异性及地质体的不连续性的地质数据的空间插值技术。在城市三维地质数据的可视化表达与分析方面，应加强对三维地质结构模型与地质体属性数据的融合显示技术（即混合体视化技术）的研究，并探讨对融合显示的

25、模型进行进一步的分析的方法与技术。参考文献：1. 方海东，刘义怀，施斌 等三维地质建模及其工程应用J水文地质工程地质，2002，29(3)：52-552. 侯恩科，吴立新三维地学模拟几个方面的研究现状与发展趋势J煤田地质与勘探，2000，28（6）：5-83. 吴立新，张瑞新，戚宜欣 等.三维地学模拟与虚拟矿山系统J.测绘学报，2002，31(1)：28-33.4. 贺怀建，白世伟，赵新华 等. 三维地层模型中地层划分的探讨J. 岩土力学,2002,23(5): 637-639.5. 董德茂，吕金波开拓北京城市地质环境调查的新思路J中国地质，2000，27（1）：38-406. 娄华君，王宏，

26、夏军 等地质信息可视化的应用城市环境地质研究之发展方向J中国地质，2002，29（3）：330-3347. 石宏仁城市地质工作的机遇和挑战J中国地质，1999，26（11）：34-378. 吴冲龙，牛瑞卿 等城市地质信息系统建设的目标与解决方案J地质科技情报，2003，22（3）：67-729. 张时忠. Info-Geotech 工程勘察管理信息系统开发方案J地质科技情报，2001，20(3):105-109.10. 孙敏，马蔼乃重新认识三维地理信息系统A陈军，邬伦数字中国地理空间基础框架C北京：科学出版社，200367-7411. 李清泉基于混合结构的三维GIS 数据模型与空间分析研究D.

27、武汉测绘科技大学，199812. 侯恩科，吴立新面向地质建模的三维体元拓扑数据模型研究J武汉大学学报(信息科学版)，2002，27(5)：467-47213. Kelk B., 3-D modelling with geoscientific infromation systems: the problemA. In: Turner A. K. (ed),Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information SystemsC, NATO ASI 354, 1992, 29-37,Kluwer Academic Publishers,

28、 Dordrecht.14. Qiang Wu, Hua Xu. An approach to computer modeling and visualization of geological faults in 3DJ.Computers & Geosciences,2003,29( 3)：503-509.15. Victor JD, Alan P. Delaunay tetrahedral Data Modeling for 3D GIS ApplicationC. Proc. GIS/LIS93, 1993.671-678.16. Jennifer Horsman. Methods o

29、f constructing a 3D geological model from scatter dataDB/OL.17. SHI Wen-zhong. Development of a hybrid model for three-dimensional GISJ.Geo-Spatial InformationScience, 2000, 3(2): 612.18. Alan M. Lemon, Norman L. Jones. Building solid models from boreholes and user-defined cross-sectionsJ.Computers

30、& Geosciences,2003,29( 3)：547-555.19. Mark Jessell. Three-dimensional geological modeling of potential-field dataJ. Computer & Geosciences,2001, 27(3): 455-465.20. Molenaar M A. Topology for 3D Vector Maps. ITC Journal,1992;(1):25-33.21. Donald M. Geometric Modeling Using Octree Encoding. Computer Graphics and ImageProcessing,1982,19:129147.基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）项目（No.2001AA135170）。作者简介：刘修国（1969-），男，教授，博士。主要研究方向： 三维GIS 技术与应用工程、遥感数据处理与应用。通讯地址：湖北武汉 中国地质大学信息工程学院（邮编：430074）。Email：LiuXg。_