與地質(zhì)關(guān)聯(lián)的三維建模與集成應用研究

陳曉飛

(中核勘察設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

三維建模方法及其集成應用技術(shù)研究是國內(nèi)外地學領(lǐng)域面臨的重大科學問題之一，也是地學信息化的重要組成部分?？臻g信息三維可視化是數(shù)字化建設(shè)的重要內(nèi)容，其主要研究內(nèi)容包括地表及其上自然地理實體、人工建構(gòu)實體為研究對象的三維地理信息系統(tǒng)和地表及其下自然地質(zhì)實體為研究對象的三維地學模擬系統(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際應用中取得了很大進展，但是在復雜建筑物建模、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題尚待解決。近年來，對地質(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)造實體幾何法、邊界表示法表達地質(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)體與開挖體真三維集成建模，實現(xiàn)了一體化真三維幾何無縫集成空間建模，王彥兵等人提出通過TIN耦合的地上下幾何無縫集成建模，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，但算法實現(xiàn)比較復雜。以上研究工作雖實體建模與單純兩個不同層面(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已相對比較成熟，但地質(zhì)體建模及多層不同層面空間實體集成研究尚欠充分[1]，實現(xiàn)較為困難，一定程度上制約了空間信息的有效獲取、深層挖掘和廣泛應用，因此亟需進行地質(zhì)體建模與不同層面集成新一代的研究。很顯然，地上地下建模與無縫集成涉及面廣、實現(xiàn)技術(shù)復雜，是極具挑戰(zhàn)性的研究課題。

目前，盡管測繪、資源地理、計算機科學地理領(lǐng)域的學者圍繞3D GIS理論與技術(shù)進行了廣泛研究，但多以理論為主，技術(shù)實現(xiàn)不多；采礦、巖土、地質(zhì)領(lǐng)域的學者圍繞3D GMS理論與方法進行了研究，但多以地學可視化為主，空間關(guān)系考慮不夠全面。地表及其上下空間的統(tǒng)一表達成為信息科學與地學的交叉技術(shù)的前沿熱點。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)境為研究對象，基本未將這些空間實體整合起來進行集成數(shù)字表達，而空間信息系統(tǒng)應為整個地學領(lǐng)域服務，是一種對空間所有實體進行集成描述、建模、分析與管理的系統(tǒng)。

本文圍繞這一熱點問題，適時展開地表及其上下實體三維建模與集成關(guān)鍵技術(shù)的探索性研究[2]，集中解決了地學三維研究與應用中的部分關(guān)鍵技術(shù)問題，恢復并能三維顯示、操作地表及其上下所建實體的結(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)域提供相對可靠的數(shù)據(jù)支撐和信息保障，尤其對地裂縫建模生成空間面狀連續(xù)曲面有效地推動了地裂縫地面沉降災害防治的研究工作，解決了地域性的城市、地裂縫地質(zhì)災害信息可視化問題。西安地裂縫自1959年發(fā)現(xiàn)以來，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)災害，對生產(chǎn)及地質(zhì)應用起到了指導和決策作用，具有重大的經(jīng)濟與社會效益。

2 場景與實體建模

本文將相互聯(lián)系、彼此影響的空間實體按類型劃分為地表場景實體(主要由DOM，DEM)、地上建(構(gòu))筑物實體(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。其建模工作分別進行，完成后需在統(tǒng)一的地理坐標框架下集成方可能以三維形式集中展現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理、三維建模與無縫集成是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 地表場景建模

建筑物底面、地裂縫曲面、地鐵頂面及地形表面等對象在空間上直接相互疊加時，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題，采用基于規(guī)則格網(wǎng)的地物模型與地形模型幾何無縫集成算法構(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；4)根據(jù)點在多邊形內(nèi)的判別算法，判斷所得格網(wǎng)點落入地物地面多邊形之內(nèi)的所有點，并將其刪除，得到更新后的地形格網(wǎng)點集；5)在更新后的格網(wǎng)點集中逐個插入地物底面邊界點，根據(jù)Delaunay法則進行Delaunay局部重構(gòu)，并內(nèi)插計算每個邊界點的地面高程；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∶5萬高程點作為基本數(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建立三維地表場景模型。

2.2 地上建模

為了與地表進行無縫集成并兼顧建筑物的形態(tài)特點，本文地上模型采用結(jié)構(gòu)實體模型CSG方式建立。該模型將幾何形體通過滿足集合論的正則幾何運算構(gòu)造復雜3D對象，采用樹結(jié)構(gòu)表述一個復雜對象[7]。

本文地上建模以該市某校區(qū)為例進行。首先，在無精確平面圖情況下，將高分遙感影像作為基本數(shù)據(jù)源，通過調(diào)色、裁剪、配準、數(shù)字化等系列操作得到校區(qū)DLG圖。其次，通過實地采集紋理數(shù)據(jù)、屬性信息等，建立地上實體空間數(shù)據(jù)庫。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)建的建筑物對象通過拆分處理或布爾運算，逐個創(chuàng)建幾何實體(其流程見圖2)。將各三維對象組合，構(gòu)成區(qū)域地表的地上模型三維場景(見圖3)。由于地鐵屬地下的人工空間實體，建模方法應與地上實體類似，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，用于表達復雜地層。其為ArcGIS所支持的三維格式，于基于ArcEngine的組件開發(fā)有利。

根據(jù)所掌握的鉆孔資料，對西安市核心城區(qū)可用的各類有效鉆孔980個(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個以上的鉆孔可見前提下[9]，按地質(zhì)專家意見從中選定大套地層建模所需的代表性鉆孔155個,用以建立核心城區(qū)的大套地層模型。

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

對初選的155個樣本鉆孔，需據(jù)剖面精細程度一致性且空間分布互補的原則進行二次篩選，由此得到91個鉆孔，并進行由精細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)?？死锝鸩逯捣椒ㄊ蔷€性、無偏、方差小的一種插值法(如式(1)所示)，應用較為廣泛，在此被使用。

(1)

首先，通過91個離散鉆孔點不同層面的高程插值獲得大套地層各TIN面的高程結(jié)點。利用地學統(tǒng)計中模型擬合與比較方法將內(nèi)插值與實測值進行比較，得到兩者交叉驗證的參數(shù)指標為2.56 m。因該市核心區(qū)相對較平坦，而國家平坦地區(qū)DEM精度標準不大于4 m，故內(nèi)插值符合國家精度標準，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)點聯(lián)結(jié)生成TIN面(見圖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體(見圖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進行抽稀處理，得到抽稀后的地裂縫控制點。其次，將抽稀的點均勻化，使地裂縫上相鄰點為邊構(gòu)成的不規(guī)則網(wǎng)格邊邊長大體相當。同時適當夸大相鄰地層間距或通過比例變換將地層縱向間距在豎向進行拉伸，以使相鄰兩個地層TIN面之間間距與抽稀并均勻化的地裂縫線樣本點間距量級匹配[10-11]。最后，由于西安地裂縫南傾特征明顯(經(jīng)驗值為65°～80°)，在適當假設(shè)前提下，將每條地裂縫上的控制點按照70°傾角投影到對應的各地層TIN面上(如圖7所示)以產(chǎn)生一個自北向南的偏移量。

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)曲面可通過編程實現(xiàn)(見圖8)。

3 模型集成

單一的三維空間數(shù)據(jù)模型均不能對不同層面實體進行完整、有效統(tǒng)一與集成建模，嚴重阻礙了相關(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，有效的表達了地上建(構(gòu))筑物、地表、地下地質(zhì)體的相互關(guān)系，為實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體模型的生成算法和無縫集成等系列關(guān)鍵算法，為此，本文采用以下方式進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，重新進行地表局部約束Delaunay剖分，進而建立(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縫集成。首先將鉆孔點預處理，通過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MultiPatch技術(shù)編程實現(xiàn)連接，達到地表與大套地層的無縫集成。然后，基于3D編輯器，將MultiPatch轉(zhuǎn)化為Collada，在Skechup軟件中導入Collada，進而轉(zhuǎn)換為模型集成識別的.X格式。

3.2 集成顯示

運用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、景觀樹等實體模型，構(gòu)建集地表、地上和地下于一體的三維場景(見圖9)。

4 模型對比

本文通過不同層面實體三維建模實例化，對三維空間建模進行了總結(jié)(見表1,表2)。指出了集成應用中各模型的優(yōu)缺點，方便使用時借鑒。

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)缺點比較

5 三維系統(tǒng)開發(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體模型的平臺，可進行模型集成管理基礎(chǔ)上的三維查詢、空間量測、場景瀏覽漫游、通視分析等操作(見圖10)。本系統(tǒng)采用Skyline開發(fā)包Terra Developer，基于C#.NET開發(fā)完成。其主要功能如下：

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

2)空間量測：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：包括單點之間的通視、一對多點之間的通視、某點的可視域。

6 結(jié)語

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，并在所開發(fā)的三維原型系統(tǒng)下以統(tǒng)一的坐標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，推進了以往僅兩層模型無縫集成或全部模型采用TIN建模并耦合的地上、下幾何無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)的應用研究)提供了示范和參考。