從“三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式”標(biāo)準(zhǔn)到“數(shù)字礦山”三維數(shù)據(jù)源.

李青元， 陳 強(qiáng)，馬梓翔， 劉 勇

(1.中國測繪科學(xué)研究院，地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院， 北京 100083)

1 充分認(rèn)識(shí)該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的重要意義

“數(shù)字礦山”是國家與礦山企業(yè)利用信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高礦山企業(yè)科技水平與市場競爭力的國家戰(zhàn)略與企業(yè)的生存發(fā)展之道[3]。數(shù)字礦山應(yīng)該構(gòu)建于礦區(qū)的三維地質(zhì)模型之上已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)[3-6]。但根據(jù)目前的地質(zhì)勘探報(bào)告的圖件(包括MapGIS、AutoCAD、MapInfo、ArcGIS繪制的平面圖、剖面圖的電子版)或以前的礦井地測圖的圖件構(gòu)建三維地質(zhì)模型與采掘工程系統(tǒng)的三維模型的成本很高。傳統(tǒng)的二維圖件需要經(jīng)過大量的人工編輯才能轉(zhuǎn)換成三維模型。

礦產(chǎn)資源勘探工作的本質(zhì)是通過對(duì)自然露頭的觀測與人工工程的施工，揭露、認(rèn)識(shí)勘查區(qū)礦床的賦存條件、開采技術(shù)條件與成礦規(guī)律，并對(duì)勘探區(qū)進(jìn)行三維地質(zhì)建模。在沒有三維地質(zhì)建模軟件平臺(tái)之前，人們只能通過二維的平面圖與剖面圖，以降維的方式表現(xiàn)三維地質(zhì)模型。地質(zhì)工程師與采礦工程師們能夠通過對(duì)平面圖、剖面圖的讀圖，討論、交流對(duì)礦區(qū)三維地質(zhì)模型的認(rèn)識(shí)與理解，雖然它不夠直觀與精準(zhǔn)。

礦山建設(shè)初期的地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)來自于地質(zhì)勘探。國內(nèi)已有若干對(duì)勘探成果進(jìn)行三維地質(zhì)建模的成功范例[7￣9]，計(jì)算機(jī)三維地質(zhì)建模的優(yōu)越性已經(jīng)越來越為人們所認(rèn)識(shí)。但是目前大部分地質(zhì)勘探單位仍然采用MapGIS、AutoCAD制作二維的平面圖、剖面圖。這其中有很多原因，首先是因?yàn)槎S圖件的規(guī)范成熟，操作相對(duì)容易，地質(zhì)工程師駕輕就熟；再者國產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件還不夠成熟(這種情況正在發(fā)生根本性的改變)，國外先進(jìn)的三維地質(zhì)建模軟件價(jià)格過高(隨著國產(chǎn)軟件的成熟，國外軟件也在大幅度降價(jià))，全英文界面難于使用(有的國外軟件也在提供漢化界面)；總之，妨礙三維地質(zhì)建模技術(shù)推廣應(yīng)用的外部環(huán)境正在逐漸被清除。但是，還有一個(gè)重要的原因就是目前的地質(zhì)勘查規(guī)范中沒有要求提交三維地質(zhì)建模成果，勘探隊(duì)認(rèn)為三維地質(zhì)建模對(duì)于他們來說是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān)，除非這筆費(fèi)用有人付賬。地質(zhì)勘查報(bào)告的用戶(礦權(quán)購買者、礦井設(shè)計(jì)單位、礦山企業(yè))已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到三維地質(zhì)模型能給他們帶來的好處，他們?cè)敢鉃槿S地質(zhì)建模的成本付賬，因?yàn)槿S地質(zhì)建模所產(chǎn)生的這點(diǎn)成本與其所能帶來的投資回報(bào)相比可以忽略不計(jì)[10￣11 ]。

地質(zhì)勘探領(lǐng)域與礦山生產(chǎn)指揮領(lǐng)域是最應(yīng)該使用三維建模技術(shù)的領(lǐng)域。從地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、礦井設(shè)計(jì)、礦山建設(shè)與生產(chǎn)管理的這一條流水線上，三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)應(yīng)該一脈相承，不斷細(xì)化?！叭S地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式”就是保證三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)在這條流水線上流轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，它的貫徹實(shí)施將極大地減少不同環(huán)節(jié)之間數(shù)據(jù)加工、轉(zhuǎn)換造成的精度損失與社會(huì)資源浪費(fèi)。

2 三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)概況

三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)[1-2](下面簡稱標(biāo)準(zhǔn))是基于中立的XML語言，英文名稱為 3D Geological Model Markup Language簡稱Geo3DML。該標(biāo)準(zhǔn)遵循了地理信息標(biāo)記語言GML[12-13]的總體架構(gòu)與語法規(guī)則，參考了SE(符號(hào)編碼規(guī)范)[14]、SLD(樣式化圖層描述實(shí)現(xiàn)規(guī)范)[15]、地理信息城市標(biāo)記語言CityGML[16]、X3D(可擴(kuò)展三維語言)[17]等規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)將模型的幾何、拓?fù)湫畔⑴c模型的可視化信息分開，并分別稱為“地質(zhì)模型”(GeoModel)與“三維地質(zhì)圖”(Geo3DMap)，這兩者組合起來構(gòu)成被交換數(shù)據(jù)的整體，稱為“三維數(shù)據(jù)包”(Geo3DProject)，其概要關(guān)系如圖1所示。

2.1 地質(zhì)模型

地質(zhì)模型用于記錄地質(zhì)現(xiàn)象及現(xiàn)象之間的關(guān)系，它包括名稱(Name)、類型(Type)、元數(shù)據(jù)(Metadata)、要素類集合(FeatureClasses)、要素之間的關(guān)系(FeatureRealationship)5個(gè)成員。其中，類型(type)是下列5種元素之一：鉆孔(Drill)、剖面(Section)、三維地質(zhì)模型(3DModel)、等值線(Isogram)、其他(Other)；要素類集合(FeatureClasses)是要素類(FeatureClass)的集合，要素類是地質(zhì)要素(GeoFeature)的集合，地質(zhì)要素包括幾何數(shù)據(jù)(Geometry)和非幾何數(shù)據(jù)(Fields)。下面重點(diǎn)介紹幾何數(shù)據(jù)模塊。

幾何數(shù)據(jù)是用于描述地質(zhì)要素的幾何形態(tài)，其概要如圖2所示。

圖1 三維數(shù)據(jù)包的構(gòu)成關(guān)系

圖2 幾何數(shù)據(jù)概要

其中可旋轉(zhuǎn)格網(wǎng)是由格網(wǎng)加上旋轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)成，體(Solid)由四面體(Tetrahedron)和平行六面體(Cuboid)兩種類型的體元構(gòu)成。

2.2 三維地質(zhì)圖

三維地質(zhì)圖(Geo3DMap)定義了三維地質(zhì)模型的三維可視化參數(shù)，它是以圖層(Geo3DLayer)為基本單元來組織可視化信息的。在圖層中有一個(gè)關(guān)聯(lián)的要素類(FeatureClass)及其三維可視化樣式(Geo3DStyle)。三維可視化樣式由要素類型樣式(FeatureTypeStyle)和覆蓋樣式(CoverageStyle)構(gòu)成，分別用于對(duì)要素(即矢量數(shù)據(jù))和覆蓋(即柵格數(shù)據(jù))進(jìn)行可視化,見圖3。

要素類型樣式下有若干子元素，分別對(duì)不同的要素定義了不同的可視化參數(shù)，例如面參數(shù)(GeoSurfaceSymbolizer)定義了對(duì)于地質(zhì)曲面的三維可視化參數(shù)，它包括正面的顏色與紋理以及背面的顏色與紋理，其中正面的顏色是必選，其它項(xiàng)都是可選。另外，Geo3DMap還專門定義了對(duì)于場景參數(shù)(GeoSceneStyle)用于描述三維可視化場景的背景顏色和全局光照。

圖3 可視化樣式概要

Geo3DML的內(nèi)容十分豐富，其格式描述都在Geo3DML.xsd(三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換)、GeoModel.xsd(三維地質(zhì)模型)、Geo3DMap.xsd(三維地質(zhì)圖)、GeoMetaData.xsd(元數(shù)據(jù))、Geo3DStyle.xsd(三維樣式)、Geo3DStyleLib.xsd(三維樣式庫)、GeoFeatureClass.xsd(要素類)、GeoFeature.xsd(要素)、GeoGeometry.xsd(幾何)、GeoBasicTypes.xsd(三維基本類型)、GeoProperty.xsd(屬性數(shù)據(jù))這10個(gè)XML模式文件中。

3 標(biāo)準(zhǔn)的試用情況

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢，中地?cái)?shù)碼的MapGISTDE軟件)、北京大學(xué)(超維創(chuàng)想的Creatar軟件)、北京航空航天大學(xué)(網(wǎng)格天地的3D-Grid軟件)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試用。這3個(gè)三維地質(zhì)建模軟件的試用報(bào)告表明[2]，Geo3DML與參與試驗(yàn)的建模軟件之間能夠?qū)崿F(xiàn)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(簡單空間數(shù)據(jù)、非空間屬性數(shù)據(jù)、可視化參數(shù))無損交換。但各個(gè)軟件還有一些特殊的數(shù)據(jù)無法進(jìn)入Geo3DML交換格式。例如GapGIS-TDE對(duì)地質(zhì)關(guān)系支持較少，而Geo3DML暫不支持多分辨率模型；Creatar沒有直接定義地質(zhì)模型和斷層等地質(zhì)要素，但是可以通過屬性判斷哪個(gè)數(shù)據(jù)集是斷層，哪個(gè)數(shù)據(jù)集是模型，因此在導(dǎo)出時(shí)需要有所過濾；3D-Grid關(guān)于三維地質(zhì)模型的存儲(chǔ)方式與Geo3DML有所差異，地層、斷層、剖面、鉆井等雖然都按照對(duì)象(要素)保存，但層面保存的數(shù)據(jù)和Geo3DML格式還是有較大的不同，例如3D-Grid會(huì)在三角網(wǎng)的邊界三角形的邊界邊上保留邊界的信息，以標(biāo)記斷層邊界、一般三角網(wǎng)邊界以及三角網(wǎng)的鄰接關(guān)系等，而Geo3DML目前僅支持記錄三角形的鄰接關(guān)系，將3D-Grid導(dǎo)出為Geo3DML時(shí)可以忽略這些信息，但導(dǎo)入時(shí)由于缺失這些信息，3D-Grid不能直接依賴于導(dǎo)入的這些數(shù)據(jù)執(zhí)行某些分析操作，而需要先設(shè)法重建數(shù)據(jù)中的這些關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)編制者正在評(píng)估這些不同三維地質(zhì)建模軟件的特有數(shù)據(jù)項(xiàng)哪些具有普遍意義，應(yīng)該在下一個(gè)修訂版本中增加。

4 建 議

4.1 國家應(yīng)組織實(shí)施幾個(gè)示范工程

空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換總是或多或少地存在信息與精度損失的。二維空間數(shù)據(jù)尚且如此，三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)復(fù)雜度遠(yuǎn)高于二維空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜度。要求三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)一出來就盡善盡美是不切實(shí)際的。不同礦種賦存規(guī)律與勘查規(guī)范也存在很大差異，因此該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用實(shí)施中還有很多的工作要做。

從國家層面應(yīng)該組織實(shí)施幾個(gè)不同類型的礦種的從勘查到設(shè)計(jì)到數(shù)字礦山建設(shè)的示范應(yīng)用。這需要三維地質(zhì)建模軟件開發(fā)商、地質(zhì)勘探隊(duì)的積極參與。國土資源部、中國地質(zhì)調(diào)查局以及各專業(yè)部門的地質(zhì)局，例如中國冶金地質(zhì)勘查總局、中國煤炭地質(zhì)總局應(yīng)該組織實(shí)施一批應(yīng)用示范工程，在應(yīng)用示范工程中增加對(duì)勘探成果三維地質(zhì)建模的要求，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，并給予一定的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)組織對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的修改完善。

在國家層面還應(yīng)組織實(shí)施幾個(gè)項(xiàng)目吸引礦井設(shè)計(jì)部門、礦山生產(chǎn)單位與數(shù)字礦山軟件開發(fā)企業(yè)的參與，使得地質(zhì)勘探成果的三維模型能夠直接為下游企業(yè)所使用，實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)社會(huì)效益的最大化。

4.2 在勘探規(guī)范中增加三維地質(zhì)建模的要求

三維地質(zhì)建模軟件要在地質(zhì)勘探中廣泛應(yīng)用，需要得到國家儲(chǔ)委的認(rèn)可，應(yīng)通過一些三維地質(zhì)建模應(yīng)用示范工程的試驗(yàn)，逐步在勘查規(guī)范中增加對(duì)三維地質(zhì)建模的要求，只有在勘探規(guī)范中增加了對(duì)三維地質(zhì)建模的要求，地質(zhì)勘探隊(duì)才會(huì)由可做可不做變?yōu)楸仨氉?，并且勘探?duì)也可以名正言順地要求業(yè)主增加用于地質(zhì)報(bào)告提交中三維地質(zhì)建模的工作費(fèi)用。

4.3 與數(shù)字礦山軟件的接軌

雖然，勘探隊(duì)在提交傳統(tǒng)地質(zhì)報(bào)告的同時(shí)提交勘探區(qū)的三維地質(zhì)建模成果會(huì)受到礦井設(shè)計(jì)單位與未來礦山企業(yè)的歡迎與擁護(hù)，因?yàn)檫@可以降低他們重新數(shù)字化構(gòu)建三維模型帶來的麻煩與成本。但是還有一個(gè)必須注意的問題就是目前大多數(shù)數(shù)字礦山軟件，例如國外的Micromine、Surpac，國產(chǎn)的三地曼(3DMine)、地邁(Dimine)、龍軟(Longrun GIS)、藍(lán)光等軟件大都采用AutoDesk公司的AutoCAD的DXF交換文件作為三維模型交換格式。DXF也支持三維實(shí)體表達(dá)，因而在數(shù)字礦山界被廣泛接受。因此，Geo3DML的制定者們?cè)诮窈髴?yīng)該考慮Geo3DML與DXF的轉(zhuǎn)換問題，使地質(zhì)勘探的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)直接成為數(shù)字礦山的數(shù)據(jù)源，以減少地質(zhì)勘探的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)到數(shù)字礦山的轉(zhuǎn)換成本，減少社會(huì)資源的浪費(fèi)。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)與修訂

任何一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要一步到位是不可能的。標(biāo)準(zhǔn)只有被廣泛應(yīng)用，并且在應(yīng)用中不斷維護(hù)與修訂才具有生命力，才能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，Geo3DML也不例外，中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)將該標(biāo)準(zhǔn)的修訂維護(hù)放在一個(gè)比較重要的位置，使得該標(biāo)準(zhǔn)的修訂維護(hù)工作受到應(yīng)有的重視與支持。

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