基于Voxler平臺的城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的三維可視化

常曉軍 葛偉亞 周丹坤 賈軍元 雷廷

摘? 要：在計算機虛擬的三維環(huán)境下，可以更加直觀、形象的展示地質(zhì)模型，服務于工程建設、科學研究和決策支撐。Voxler平臺具有強大的建模、分析和三維可視功能，可用來支撐“透明城市”的實現(xiàn)，但卻鮮用該方面的應用研究。以丹陽市小城鎮(zhèn)水工環(huán)地質(zhì)綜合調(diào)查項目為依托，采用Voxler平臺中的計算、圖形輸出和通用模塊，探索了該平臺在城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化中的應用潛力。結(jié)果顯示該軟件在鉆孔、地質(zhì)界面、地質(zhì)體和試驗測試數(shù)據(jù)的可視化以及地上地下一體化建模方面，具有良好的應用效果。

關鍵詞：三維可視化;Voxler;城市地質(zhì)調(diào)查;地上地下一體化模型

中圖分類號：TP311.52? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）02-0006-06

Abstract：The geological model can be displayed more intuitively and vividly by 3D-visualization technology， which may serve the engineering construction， scientific research and decision support. The Voxler platform has powerful simulation， analysis， and 3D visualization capabilities， which can be used to support a “transparent city，” but with little research in related area. Based on the geologic comprehensive survey project of the Danyang City， using the computational， graphic output and general module in the Voxler platform， the application potential of the platform in 3D visualization of urban geological survey data is explored. As a result， the Voxler platform shows good application effect in the visualization of boreholes， geological interfaces， geological bodies， test data and integrated modeling of underground and ground.

Keywords：3D visualization; Voxler platform; Urban geological survey; Integrated model of ground and underground

0 前言

近年來，為適應新型城鎮(zhèn)化建設的需求，我國在城市群、大城市和中小城鎮(zhèn)等不同層面組織開展了大量的城市地質(zhì)調(diào)查。建立可視化的三維城市地質(zhì)模型（透明城市）是新時期城市地質(zhì)調(diào)查所要重點考慮的工作（屈紅剛等，2015;林良俊等2017）。自然而成的地質(zhì)體是人類賴以生存的基礎載體，具有非均質(zhì)性和復雜的空間變異性的基本特征。地質(zhì)環(huán)境評估、地質(zhì)災害治理和地質(zhì)工程建設等都離不開對地質(zhì)體屬性的準確把握。運用先進的計算機技術，在虛擬三維環(huán)境下實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化，可以在更加直觀、形象的環(huán)境下進行地質(zhì)模型展示和數(shù)據(jù)分析，服務于工程建設、科學研究和決策支撐（吳沖龍等，2003;潘懋等，2007;容東林等，2016）。

國外開展關于三維地質(zhì)建模及地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的研究較早，在理論方法研究、建模軟件開發(fā)和實際應用方面都取得了較好的發(fā)展。自加拿大學者Houlding（1994）首次提出了三維地學建模（3D Geoscience Modeling）的概念以來至21世紀初，地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的技術已經(jīng)得到了飛速發(fā)展，并廣泛應用于礦產(chǎn)資源勘探、礦山規(guī)劃管理、工程地質(zhì)勘察、城市地下空間管理等多個領域（李青元等，2016）。用于三維地質(zhì)建模的軟件琳瑯滿目，各有技術特色和主要應用領域。國外的軟件如GoCAD、Petrel、MineSight、Vulcan、Surpac vision等，國內(nèi)研發(fā)的軟件有MapGIS K9、Longruan GIS、GeoView、3DMine等（李青元等，2013）。Voxler作為美國Golden Software公司開發(fā)的一款可視化科學制圖軟件，以界面友好、易于操作、成圖快捷和三維可視著稱。地學中已經(jīng)將其應用于物探數(shù)據(jù)解譯、水質(zhì)分析、污染場地調(diào)查、鉆孔軌跡可視化等領域并取得了良好的效果（朱學林，2008;張景華等，2011;竇文武等，2015;李曉璇等，2017;李祖能，2018）。城市地質(zhì)調(diào)查領域中提出的“透明城市”是指利用地質(zhì)調(diào)查手段（遙感、鉆探、物探、化探、實驗測試等）獲得的描述地質(zhì)屬性的數(shù)據(jù)（大多是點上的，也有面上的，但本源上也還是點上的）去推測看不見的整個城市的地下地質(zhì)情況并建立三維模型。抽象的從數(shù)據(jù)角度看，可以認為是利用空間上離散分布的已知點數(shù)據(jù)通過數(shù)學計算獲得整體中的其它點數(shù)據(jù)，并在計算機虛擬三維環(huán)境下實現(xiàn)可視化的過程。已知的點數(shù)據(jù)可以用x，y，z∶C來表示，其中x，y，z為代表空間位置的坐標值，C為代表屬性的特征值且隨x，y，z值的變化而變化。一個點上可具備多個不同類型的屬性，即一個x，y，z可以對應多個C值。而Voxler設計的初衷就是為了展示x，y，z∶C型的數(shù)據(jù)，理論上Voxler平臺應十分適用于實現(xiàn)城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的三維可視化，但卻鮮有相關方面的論述。

本文以江蘇鎮(zhèn)江丹陽市小城鎮(zhèn)水工環(huán)地質(zhì)綜合調(diào)查項目為依托，介紹了利用Voxler平臺實現(xiàn)鉆孔、地質(zhì)界面、地質(zhì)體和實驗測試結(jié)果三維可視化的方法，并以丹陽為例展示了該平臺在城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化中的應用效果。

1? Voxler建模流程

Voxler可視化制圖軟件具有強大三維建模及顯示功能，自2006年問世以來目前已更新至4.3版本。它通過對離散的空間數(shù)據(jù)點進行插值處理，生成矢量圖、等值面圖、切片圖、流線圖、三維散點圖、體積渲染圖等三維模型。在計算機交互的可視化環(huán)境中可對圖像進行集成展示，并可對模型進行任意比例的放縮和任意角度的觀察。

采用Voxler可視化建模的一般過程分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出3個步驟（圖1）。Voxler對數(shù)據(jù)的兼容性良好，支持多種類型的數(shù)據(jù)輸入，主要類別有離散點數(shù)據(jù)（文件類型可以是txt、xls、dat、csv等）、網(wǎng)格數(shù)據(jù)（由一維、二維或三維數(shù)據(jù)陣列組成）、井孔數(shù)據(jù)和幾何形狀（由三角形、紋理貼圖、線段或其他對象組成，如DXF、SHP、BLN等文件），數(shù)據(jù)類型也決定了其可以連接的處理模塊類型。數(shù)據(jù)被導入軟件后，通過Module Manager（模塊管理器）、Network Manager（網(wǎng)絡管理器）、Property Manager（屬性管理器）等數(shù)據(jù)處理工具以完成添加、連接、編輯和顯示對象的任務（表1、圖2）。

2 Voxler在城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化的應用

2.1 鉆孔的可視化

鉆孔是查明地下地質(zhì)情況最直接有效的手段。鉆孔數(shù)據(jù)是經(jīng)過測量、整理后的鉆孔資料，是對地質(zhì)現(xiàn)象進行分析評價的基礎依據(jù)，是對鉆孔資料的高度抽象。Voxler為鉆孔提供專門的錄入格式，其可視化的關鍵操作步驟如下：①導入Collars數(shù)據(jù)。單擊“import（導入）”命令，在導入對話框中選擇已編輯好的Collar文件（Collar文件為XLSX格式，初始數(shù)據(jù)格式如圖3所示），將數(shù)據(jù)添加到Network Manger窗口。在Property Manager中查看其屬性，注意在Output部分將輸出類型設置為Wells，而不是Points。②導入Trajectories數(shù)據(jù)，步驟同上。③導入Sample數(shù)據(jù)，步驟同上。④點擊模塊管理窗口中的Well功能，并將其與上面步驟導入的Collars、Trajectories、Sample數(shù)據(jù)連接。⑤點擊模塊管理窗口中的WellRender功能，與以上步驟生成的Well數(shù)據(jù)（圖3中所示的BoreholeData）連接。⑥選定WellRender文件（圖3中所示的BoreholeRender），在屬性管理窗口可調(diào)整鉆孔的顯示效果（圖4）。

2.2 地質(zhì)界面的可視化

Voxler中地質(zhì)界面可視化的實現(xiàn)往往需要借助Surfer中生成的.grd類型的文件（圖5）。Voxler和Surfer是Golden Software公司推出的姊妹軟件：Voxler擅長處理x，y，z∶C型的數(shù)據(jù)，Surfer擅長處理x，y，z型的數(shù)據(jù)（地質(zhì)界面形態(tài)的控制點數(shù)據(jù)通常都是x，y，z型的）。地質(zhì)界面可視化的關鍵操作步驟如下：①在Sufer中導入編輯好的數(shù)據(jù)（地質(zhì)界面的初始數(shù)據(jù)格式如圖5所示），并將插值結(jié)果導出為GRD格式的文件。②將GRD文件直接導入Voxler，然后點擊模塊管理窗口中的HeightField功能與導入的GRD文件相連。③選中Network Manger中的HeightField，在屬性管理窗口中調(diào)整地質(zhì)界面的顯示效果（圖6）。

2.3 地質(zhì)體的可視化

Voxler中地質(zhì)體的可視化可通過兩種方式實現(xiàn)：1）通過地質(zhì)界面的包圍顯示。地質(zhì)體的邊界即為地質(zhì)界面，基于已知的地質(zhì)界面，通過Math計算模塊（算式格式為Z>B？ 0：A或Z<B？ 0：A）對地質(zhì)界面包圍的內(nèi)部空間數(shù)據(jù)進行白化，最終連接到VolRender模塊導出顯示。2）通過離散的屬性點插值顯示。比如已知各個鉆孔所揭露出的某個地層的位置及其厚度數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)，通過Gridder計算模塊對數(shù)據(jù)進行插值分析，最終連接到Isosurface模塊導出顯示（圖7）。

2.4 試驗測試數(shù)據(jù)的可視化

將整理好的土工試驗數(shù)據(jù)導入Voxler平臺，通過ScatterPlot模塊可實現(xiàn)土樣取樣點及其物理力學性質(zhì)指標的可視化。此外，城市地質(zhì)調(diào)查所獲得的物探、化探數(shù)據(jù)均可借助Voxler平臺實現(xiàn)可視化。點數(shù)據(jù)屬性可視化的關鍵操作步驟如下：①導入整理好的散點屬性數(shù)據(jù)（初始巖土屬性數(shù)據(jù)的格式如圖8所示），注意在Property Manager中的Output部分將輸出類型設置為Points，而不是Wells。②點擊模塊管理窗口中的ScatterPlot功能，與以上步驟生成的點數(shù)據(jù)連接。③選定ScatterPlot文件，在屬性管理窗口中調(diào)整屬性點的顯示效果。

2.5 多種城市調(diào)查數(shù)據(jù)的集成

前已述及，鉆孔、地質(zhì)界面、地質(zhì)體、實驗測試結(jié)果等多種類型的城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)均可通過Voxler平臺實現(xiàn)可視化。只要以上數(shù)據(jù)是按照統(tǒng)一的坐標系導入的，便可在Voxler的三維空間內(nèi)集成顯示。除此之外，地表的建筑物、道路、河流等地理信息也可通過DXF和SHP等格式的文件導入，實現(xiàn)地表和地下信息的集成展示，更有助于相關的分析、研究和決策（圖9）。

3 結(jié)論和討論

（1）Voxler為城市地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的可視化提供了良好的平臺，在交互的可視化環(huán)境中實現(xiàn)地質(zhì)模型的三維重構，并可對模型進行任意比例的放縮和任意角度的觀察。基于城市地質(zhì)調(diào)查獲得的三維控制點信息（x，y，z∶C型數(shù)據(jù)），通過Well功能聯(lián)結(jié)Collars、Trajectories和Sample數(shù)據(jù)并借助WellRender模塊可實現(xiàn)鉆孔真實軌跡、地層劃分、沿鉆孔地層屬性改變的可視化;通過HeightField模塊，借助Surfer中生成的GRD文件可實現(xiàn)地質(zhì)界面的可視化;通過Math模塊結(jié)合VolRender模塊或者Gridder模塊結(jié)合Isosurface模塊可實現(xiàn)地質(zhì)體的可視化;通過ScatterPlot等模塊可實現(xiàn)試驗測試數(shù)據(jù)的可視化。除此之外，Voxler平臺支持DXF和SHP類型的地表數(shù)據(jù)導入，從而實現(xiàn)地上地下信息的集成展示，服務于分析研究和決策支撐。

（2）盡管Voxler平臺對三維空間數(shù)據(jù)具有良好的展示效果，但它并非專門用于地質(zhì)建模。在實際應用過程中尚存在以下幾個問題有待進一步的探索和改進：①對巖體侵入、斷層切割等地質(zhì)現(xiàn)象的可視化。②對地質(zhì)體的展示僅能通過色彩標識，不能填充專業(yè)的地質(zhì)符號。③該軟件本身不支持中文，需要加載額外的漢化包方可使用中文界面。

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