三維地理信息系統(tǒng)在巖層產(chǎn)狀測量的應(yīng)用

韋國舒

（賓陽縣自然資源勘測設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

在地質(zhì)勘探和地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域中，巖層產(chǎn)狀是一個(gè)非常重要的內(nèi)容。通過巖層產(chǎn)狀測量，可以獲得巖層的結(jié)構(gòu)和變形等信息，對(duì)于勘探和防治工作具有重要的指導(dǎo)意義。目前，隨著科技的不斷進(jìn)步和高精度測量技術(shù)的普及，三維地理信息系統(tǒng)被應(yīng)用于巖層產(chǎn)狀測量中，取得了令人矚目的成果。本文旨在探討三維地理信息系統(tǒng)在巖層產(chǎn)狀測量中的應(yīng)用，通過對(duì)其理論基礎(chǔ)、現(xiàn)狀和應(yīng)用案例的分析，揭示其優(yōu)勢(shì)、局限性和未來發(fā)展方向。有望為巖層產(chǎn)狀測量的理論和技術(shù)水平提供新思路或借鑒，為地質(zhì)勘探和地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供支持或指導(dǎo)。

1 三維地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.1 三維地理信息系統(tǒng)的概念和特點(diǎn)

三維地理信息系統(tǒng)是指將空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和分類數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，以三維模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面及其內(nèi)部信息的收集、管理、分析和展示的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)相比，三維地理信息系統(tǒng)具有精度高、直觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。同時(shí)，三維地理信息系統(tǒng)還具有良好的可擴(kuò)展性和普適性，為不同行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。近年來，眾多研究者將三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于地質(zhì)勘探、城市規(guī)劃、資源管理等領(lǐng)域，取得了顯著的應(yīng)用效果[1-2]。

1.2 三維地理信息系統(tǒng)的技術(shù)框架

三維地理信息系統(tǒng)的技術(shù)框架主要包括視覺化技術(shù)、空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)處理、空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)分析等部分。視覺化技術(shù)主要是將空間數(shù)據(jù)以三維模型的形式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并且需要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)圖形、光照、陰影、透視、著色和透明等效果，以保證數(shù)據(jù)的可視化效果?？臻g數(shù)據(jù)采集部分涉及諸如GPS、激光雷達(dá)和攝影測量等技術(shù)，用于獲取三維空間數(shù)據(jù)信息?？臻g數(shù)據(jù)處理主要是將采集獲得的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，包括點(diǎn)云處理、三角網(wǎng)格生成和模型擬合等?？臻g數(shù)據(jù)管理則是通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、分類、查詢和更新等操作，以支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交互等需求?？臻g數(shù)據(jù)分析的主要目的是為了從空間數(shù)據(jù)中提取有用的信息和知識(shí)，以支持科學(xué)決策和應(yīng)用研究。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，基于這些技術(shù)的空間數(shù)據(jù)分析在三維地理信息系統(tǒng)中也將得到廣泛應(yīng)用?？傊?，三維地理信息系統(tǒng)的技術(shù)框架涉及的技術(shù)手段較多，需要綜合考慮應(yīng)用需求和用戶使用習(xí)慣，以更好地發(fā)揮其效能和價(jià)值。

1.3 三維可視化技術(shù)的理論基礎(chǔ)

三維可視化技術(shù)是三維地理信息系統(tǒng)中的一個(gè)重要方面，主要用于將空間數(shù)據(jù)以三維模型的形式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。其理論基礎(chǔ)主要包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、視覺感知和數(shù)據(jù)可視化等方面。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是三維可視化技術(shù)的基礎(chǔ)，包括基礎(chǔ)圖形繪制技術(shù)、幾何變換技術(shù)和光照模型等。視覺感知?jiǎng)t是影響三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素。在三維場景中，人們通過視角、觀察距離、透視等視覺感知方式感知場景，因此在三維可視化技術(shù)中需要考慮這些影響因素。而數(shù)據(jù)可視化則是將大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示的一個(gè)重要技術(shù)，主要目的是為了通過圖形圖表等方式提高用戶對(duì)數(shù)據(jù)的理解和分析能力，從而更好地支持科學(xué)決策和應(yīng)用研究。綜上所述，三維可視化技術(shù)的理論基礎(chǔ)比較復(fù)雜，需要綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、視覺感知、數(shù)據(jù)可視化等多個(gè)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，才能更好地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)。

2 巖層產(chǎn)狀測量現(xiàn)狀

2.1 巖層產(chǎn)狀測量的意義和方法

巖層產(chǎn)狀測量是指通過一定的測量手段和方法，對(duì)巖層結(jié)構(gòu)、傾向、傾角、強(qiáng)度、節(jié)理、裂隙等產(chǎn)狀特征進(jìn)行研究和描述的過程。巖層產(chǎn)狀測量是巖土工程領(lǐng)域中極為重要的一項(xiàng)工作，對(duì)于巖石工程設(shè)計(jì)、開采和施工具有重要的意義。巖層產(chǎn)狀的測量可以幫助工程師了解巖層的性質(zhì)和力學(xué)行為，提供有價(jià)值的信息并指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工。巖層產(chǎn)狀測量的方法根據(jù)工程目的及巖層條件的不同，可分為現(xiàn)場測量方法和實(shí)驗(yàn)室測量方法兩種?，F(xiàn)場測量方法主要采用傳統(tǒng)的實(shí)地測量和靜力觀測技術(shù)、程序化、高清晰度攝影技術(shù)、激光掃描技術(shù)和地面雷達(dá)等技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確地獲取巖層的產(chǎn)狀特征。實(shí)驗(yàn)室測量方法主要采用標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)等方法，可以對(duì)大尺度復(fù)雜的構(gòu)造進(jìn)行較為全面的調(diào)查和分析?？傊?，巖層產(chǎn)狀的測量具有重要的實(shí)際意義，不僅是巖土工程領(lǐng)域中必要的一項(xiàng)技術(shù)，也是保障工程安全和減輕對(duì)環(huán)境的不良影響的重要措施。

2.2 巖層產(chǎn)狀測量中存在的問題和挑戰(zhàn)

巖層產(chǎn)狀測量是指測量巖石中的產(chǎn)狀和構(gòu)造要素，這是地質(zhì)學(xué)研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域。在地質(zhì)勘探、煤炭開采、大壩建設(shè)、隧道掘進(jìn)等實(shí)際工程中，進(jìn)行巖層產(chǎn)狀測量是必不可少的。盡管巖層產(chǎn)狀測量技術(shù)發(fā)展迅速，但仍然存在不少困難和挑戰(zhàn)。首先，巖層產(chǎn)狀測量需要進(jìn)行現(xiàn)場測量，受現(xiàn)場環(huán)境所限存在一定難度。在山區(qū)、沙漠等復(fù)雜地形區(qū)域，地形環(huán)境不僅較為復(fù)雜，而且往往無法進(jìn)行水準(zhǔn)測量，因此定點(diǎn)測量較為困難。此外，測量過程中還受到時(shí)間、天氣、環(huán)境等因素的影響，這些因素都會(huì)影響到測量的準(zhǔn)確度和精度。其次，巖層產(chǎn)狀測量所需的設(shè)備和儀器技術(shù)比較高端，價(jià)格昂貴，而巖層產(chǎn)狀測量還需要綜合運(yùn)用多種設(shè)備和方法，例如，經(jīng)常會(huì)使用立體測量儀、GPS 定位設(shè)備和無人機(jī)等現(xiàn)代測量技術(shù)進(jìn)行測量，這些設(shè)備的使用需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，技術(shù)含量高，測量難度大。再次，巖層產(chǎn)狀測量還存在著數(shù)據(jù)處理、數(shù)字建模等方面的問題。一方面，由于巖層的物理特性具有空間異質(zhì)性，因此測量數(shù)據(jù)具有不確定性和誤差，需要采取質(zhì)量控制措施，確保數(shù)據(jù)的可靠性和精度。另一方面，由于數(shù)據(jù)量龐大，測量工作后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)字建模，此時(shí)需要運(yùn)用GIS、CAD、建模軟件等技術(shù)，需要較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析能力。最后，對(duì)于巖層產(chǎn)狀測量工作的相關(guān)人員，需要具備較強(qiáng)的實(shí)際操作能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。他們還需要對(duì)相關(guān)的地質(zhì)學(xué)專業(yè)知識(shí)和現(xiàn)代測量儀器技術(shù)進(jìn)行掌握，并能夠靈活應(yīng)用。此外，還需要進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)和知識(shí)更新，以適應(yīng)新技術(shù)、新領(lǐng)域的發(fā)展變化[3]。

3 三維地理信息系統(tǒng)在巖層產(chǎn)狀測量中的應(yīng)用內(nèi)容

3.1 巖層產(chǎn)狀測量的數(shù)據(jù)處理

巖層產(chǎn)狀測量是巖石工程中重要的一項(xiàng)工作，其中數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法主要基于二維手繪圖方法，效率低、準(zhǔn)確性差，并不能滿足現(xiàn)代工程的需要。而三維地理信息系統(tǒng)（GIS）則是目前處理和管理空間數(shù)據(jù)的最佳技術(shù)手段之一，取得了廣泛的應(yīng)用。在巖層產(chǎn)狀測量中，三維GIS 技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)輸入、處理、分析、可視化等重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)巖層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確、高效處理。以下將對(duì)三維GIS 在巖層產(chǎn)狀測量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)敘述。巖層產(chǎn)狀測量數(shù)據(jù)的輸入包括測量數(shù)據(jù)和地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)兩個(gè)方面。測量數(shù)據(jù)包括巖層傾向、傾角、節(jié)理、裂隙等參數(shù)，而地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)則包括地圖和地形等數(shù)據(jù)。三維GIS 技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)投影、格式轉(zhuǎn)換等方法將這些數(shù)據(jù)整合到GIS 中。數(shù)據(jù)處理和分析是三維GIS 技術(shù)在巖層產(chǎn)狀測量中的重要應(yīng)用。在數(shù)據(jù)處理方面，通過三維可視化技術(shù)，將二維平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維建模。在數(shù)據(jù)分析方面，可以通過地理空間數(shù)據(jù)挖掘和地圖測量等方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，提取關(guān)鍵參數(shù)，形成產(chǎn)狀分析報(bào)告。三維GIS 技術(shù)的可視化功能是巖層產(chǎn)狀測量中應(yīng)用最為廣泛的環(huán)節(jié)。通過三維可視化技術(shù)，可以將巖層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在三維虛擬空間中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。此外，三維可視化技術(shù)還能夠進(jìn)行立體交互和模擬，使得用戶能夠直觀而快速地掌握巖層的產(chǎn)狀信息，明確工程地質(zhì)問題和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

三維GIS 技術(shù)在巖層產(chǎn)狀測量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，通過提高數(shù)據(jù)處理和分析效率，降低數(shù)據(jù)處理成本、比較巖層的穩(wěn)定性、可行性等，三維GIS 技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，并將促進(jìn)巖層工程領(lǐng)域的快速發(fā)展。

3.2 三維建模與可視化

三維建模與可視化是三維GIS 技術(shù)在巖層產(chǎn)狀測量中的重要環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒍S的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為完整的三維建模模型，通過三維可視化技術(shù)將其呈現(xiàn)在虛擬的三維空間中，以便用戶直觀而準(zhǔn)確地掌握巖層的產(chǎn)狀信息。三維建模是將二維巖層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為立體三維實(shí)體模型的過程。其主要涉及數(shù)據(jù)采集、處理和建模等環(huán)節(jié)，其中最核心的是立體建模技術(shù)。三維建模技術(shù)有多種，包括三角剖分法、立體掃描技術(shù)、三維可視化技術(shù)和多次重采樣法等。通過這些技術(shù)，可以將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確、完整而立體的三維模型。三維可視化技術(shù)是將三維模型實(shí)現(xiàn)展示的重要手段，其包括場景渲染、模型展示和動(dòng)態(tài)交互等多方面內(nèi)容。在巖層產(chǎn)狀測量中，三維可視化技術(shù)可以通過不同的渲染方法，包括貼圖技術(shù)、光線跟蹤技術(shù)和陰影渲染技術(shù)等，把三維模型表現(xiàn)得更加真實(shí)，通過動(dòng)態(tài)交互，提高用戶的訪問、查詢和操作的效率，使得用戶能夠更好地了解和分析巖層產(chǎn)狀的信息。三維建模與可視化技術(shù)的應(yīng)用，可使巖層產(chǎn)狀測量變得更加準(zhǔn)確、高效而優(yōu)雅，不僅能為巖層工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和施工提供重要的動(dòng)態(tài)信息，并且極大地提升工程的競爭力和應(yīng)用價(jià)值。

3.3 巖層產(chǎn)狀的定量分析和模擬

巖層產(chǎn)狀的定量分析和模擬是三維GIS 技術(shù)在巖層產(chǎn)狀測量中的重要應(yīng)用方向。采用三維GIS 技術(shù)進(jìn)行巖層產(chǎn)狀分析，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石結(jié)構(gòu)特性的各項(xiàng)參數(shù)的分析和計(jì)算。這些特性包括，在裂隙中的相對(duì)位置、裂隙類型和裂隙長度、相互聯(lián)系的裂隙系數(shù)、穩(wěn)定性、預(yù)測等。通過巖層產(chǎn)狀的定量分析，可以進(jìn)行巖石工程特性的表征，如判斷穩(wěn)定性，代碼規(guī)范定量化分析、評(píng)估巖體的支持為巖石支撐、巖石工程爆炸及山地溝通等。這個(gè)分析過程采用的軟件包括MATLAB，F(xiàn)ORTRAN等，同時(shí)采用三維GIS 模型數(shù)據(jù)，更利于巖層產(chǎn)狀的可視化和分析，優(yōu)化解決挑戰(zhàn)工程中的問題。巖層產(chǎn)狀的模擬是巖層產(chǎn)狀分析中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一?；趲r層產(chǎn)狀的精確數(shù)據(jù)，在三維GIS 軟件中進(jìn)行巖層產(chǎn)狀的模擬，可以使用有限元法、物理性質(zhì)模擬等方法，同時(shí)集成巖石物理參數(shù)，通過數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算、分析和顯示的一系列過程，對(duì)所需要的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測、優(yōu)化、計(jì)算和分析，進(jìn)而確定特定的工程參數(shù)，解決巖石工程中的實(shí)際問題[4]。

3.4 巖層產(chǎn)狀測量中應(yīng)用

隨著科技進(jìn)步和工程技術(shù)的不斷提高，三維測量技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的一種測量技術(shù)。在巖層產(chǎn)狀測量中，三維測量技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。首先，三維測量技術(shù)可以更加準(zhǔn)確地對(duì)巖層產(chǎn)狀進(jìn)行測量和記錄。傳統(tǒng)的二維測量方法往往只能提供巖層產(chǎn)狀的局部信息，而難以反映整個(gè)巖石體的產(chǎn)狀特征和空間結(jié)構(gòu)。而三維測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)巖石體的產(chǎn)狀信息進(jìn)行獲取和記錄，使得分析和評(píng)估更加全面、準(zhǔn)確。其次，三維測量技術(shù)可以提高對(duì)巖石體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的理解與模擬。通過利用三維測量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，可以建立高度精確的巖石體模型，以觀察不同類型的裂隙、節(jié)理和缺陷，并進(jìn)行三維仿真分析。這對(duì)于巖石體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的深入理解和全面研究具有重要意義。最后，三維測量技術(shù)可以提高巖體穩(wěn)定性分析的精度。通過三維測量技術(shù)采集的三維空間數(shù)據(jù)和信息，可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算巖石體的各項(xiàng)參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)，以支持巖體穩(wěn)定性分析和評(píng)估[5]。這可以為工程師提供重要的參考，以便制定更加完整、安全的工程設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

在巖層產(chǎn)狀測量領(lǐng)域，三維GIS 技術(shù)不斷創(chuàng)新，不斷提升著巖石工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和施工效率。其在巖層產(chǎn)狀的數(shù)據(jù)采集、處理、建模、可視化和定量分析等方面的應(yīng)用和優(yōu)化，為巖石工程提供了更為完整、準(zhǔn)確、高效和優(yōu)雅的解決方案。三維GIS 技術(shù)的應(yīng)用有效地縮短了工期、降低了成本、強(qiáng)化了掌握巖石工程安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，為各工程的規(guī)范化管理和可持續(xù)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。