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城市地質(zhì)信息三維可視化研究
一、引言
隨著(zhù)城市建設的不斷深入，各種改建擴建工程此起彼伏，但人們往往忽視了地質(zhì)問(wèn)題。在不同的地質(zhì)帶上進(jìn)行的工程會(huì )不同程度地受到各種地質(zhì)災害的威脅。因此，在掌握和管理各種地表信息的基礎上，對地下各類(lèi)信息的采集與管理尤為重要。對災害地質(zhì)體的正確識別以及對各種潛在的地質(zhì)災害的有效預防將有助于城市的建設和發(fā)展，減少地質(zhì)災害過(guò)程中的生命財產(chǎn)損失。這些都需要借助三維可視化技術(shù)、數據庫技術(shù)以及地理信息系統的相關(guān)技術(shù)。建立一個(gè)真三維的地質(zhì)信息可視化與管理系統，能為城市建設、發(fā)展和管理提供基于三維地質(zhì)數據的信息服務(wù)；便于城市管理人員有效地管理和監控城市地質(zhì)資源；輔助研究城市的地質(zhì)構造。
二、現狀分析
當前，在三維可視化地質(zhì)軟件中比較專(zhuān)業(yè)的軟件有加拿大Gemcom公司的Gemcom、澳大利亞Surpa國際軟件公司的Surpac、Intergraph公司的GeoVoxel等。這些軟件的三維可視化功能較強，在油田勘探、石油開(kāi)采等領(lǐng)域得到了頗有成效的應用。但他們在費用、硬件要求、圖形環(huán)境和文件支持方面不完全符合我國工程地質(zhì)的實(shí)際情況。與此同時(shí)，國內一些大學(xué)與科研機構通過(guò)對國外先進(jìn)軟件的二次開(kāi)發(fā)或自主研發(fā)，來(lái)滿(mǎn)足我國空間地質(zhì)信息的三維可視化需求，但始終沒(méi)有形成一個(gè)標準化、商業(yè)化的產(chǎn)品。
三維可視化模型的建立是為了在計算機上展現虛擬三維場(chǎng)景，它是3DGIS研究的重點(diǎn)�？梢灾噩F地質(zhì)構造的三維地層分布形態(tài)，為工程技術(shù)人員提供準確、直觀(guān)的地質(zhì)構造模型，用于分析、量算工作而設計。3D數據模型主要有三維幾何數據模型和三維拓撲數據模型兩種�？紤]到其適用性，本文側重研究第一類(lèi)模型。
吳立新和史文中提出在不區分準3D和真3D的前提下，根據3D空間模型對地學(xué)空間目標進(jìn)行幾何刻畫(huà)的方式，將三維幾何數據模型分為面元模型和體元模型。其中，面元模型采用表面描述方式對3D空間對象的表面進(jìn)行連續或非連續的幾何描述和特征刻畫(huà)，不研究3D空間對象的內部特征，適合建立物體表面模型。
體元模型采用空間剖分方式對3D空間對象的內部空間進(jìn)行無(wú)縫完整的空間剖分，不僅描述3D空間對象的表面幾何，還研究其內部特征。對比這兩種數據模型，根據它們的特點(diǎn)并結合系統的實(shí)現目標，才能最終確定系統所采用的數據模型。下表列出的是(如表1所示)三維空間數據模型在一定的條件下產(chǎn)生的合理性和缺陷。
三維空間數據模型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
面元模型方便地實(shí)現地層可視化和模型更新不是真3D不描述3D拓撲關(guān)系無(wú)法進(jìn)行開(kāi)采開(kāi)挖設計難以描述實(shí)體的內部信息難以進(jìn)行3D空間查詢(xún)與空間分析
體元模型
規則體元模型真3D模型更新也比較方便難以適應復雜地質(zhì)體建模非規則體元模型真3D可以適應復雜地質(zhì)體建模模型更新比較困難
三、城市地質(zhì)信息三維可視化
首先，由于客觀(guān)世界的地質(zhì)現象存在著(zhù)一定的復雜性，且地層具有層狀展鋪的特性，有些地層存在交叉，層與層之間是緊密的相鄰關(guān)系。對構建三維地層模型而言，要考慮不同地質(zhì)屬性的地層結構分布，如果利用面元模型表達不同地層，會(huì )導致對地層模型操作的復雜化，特別是在任意切割剖面時(shí)，將會(huì )遇到更復雜的情況而導致該操作無(wú)法進(jìn)行。是不可取的方法。
其次，通過(guò)對模型特點(diǎn)的分析可知，非規則體元模型可以解決實(shí)際應用操作與分析問(wèn)題，適用于工程地質(zhì)領(lǐng)域，且可操作性強，數據組織嚴密，推理過(guò)程規范明了，易于編程實(shí)現，可用于工程地質(zhì)領(lǐng)域3DGIS系統的空間建模。
最后，在構造地層三維模型時(shí)，體元可以是各種多面體，常用的有四面體、棱柱體和六面體。四面體體元可以構造非常復雜的地層結構，但四面體數據組織困難，數據冗余量大，對計算機的速度和內存要求較高。棱柱體和六面體結構體元都可以很好地建立地層模型。本模型采用非規則六面體元進(jìn)行構造。如圖1所示。
其中，點(diǎn)Tx(x=1，2，3，4)構成了體元模型的上表面，而點(diǎn)Bx則構成了體元模型的下表面。其余四個(gè)表面分別為體元模型的前、后、左、右面。圖1中給出的是標準的數據模型，即非規則體元模型的特例
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