三維地質(zhì)自動建模與可視化

1、三維地質(zhì)自動建模與可視化北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司 遙感應(yīng)用第一事業(yè)部 柳蛟（轉(zhuǎn)載請注明出處和作者，侵權(quán)必究）1.1 項目背景數(shù)字城市建設(shè)方興未艾。 現(xiàn)在的數(shù)字城市建設(shè)正處于基礎(chǔ)建設(shè)階段， 為完成該階段的任 務(wù)，必須采集包括地上、地表和地下等部分的三維數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)其可視化。同時，各城市因 其所處地質(zhì)帶的不同而不同程度地受到地震、 地面沉降、滑坡、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的影響。 為此， 一些城市正在進行有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和防治工作。其他很多領(lǐng)域， 如城建工程、地 下工程、水電工程、交通工程、環(huán)境工程、資源開發(fā)等都貫穿有地質(zhì)問題。上述工作的開展 和問題的解決迫切需要借助三維可視化技術(shù)對地質(zhì)數(shù)據(jù)進行

2、可視化， 從而為相關(guān)工作提供幫 助。因而，三維城市地質(zhì)信息可視化受到很多學者和相關(guān)工作者的重視。基于目前地下管網(wǎng)和地下建構(gòu)筑物信息的基礎(chǔ)， 增加地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集整理， 并進行直觀 的可視化三維建模分析， 可更好的為地下工程建設(shè)， 城市規(guī)劃等問題提供決策信息支持， 使 地下空間信息管理單位對相關(guān)數(shù)據(jù)進行有效的管理?；诂F(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、處理的成果，結(jié)合 EV-Globe 大型三維地理信息平臺，從三 維地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、 三維地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)展示、 三維地質(zhì)自動建模、 三維城市地質(zhì)信息可視化系 統(tǒng)的功能設(shè)計等方面對三維城市地質(zhì)信息可視化進行研究和應(yīng)用。1.2 歷史回顧2002 年開始，當時在海外工作的朱煥春

3、博士和李浩博士試圖將他們所應(yīng)用的一些地質(zhì) 體三維可視化技術(shù)推廣到國內(nèi)， 即便是在發(fā)達國家， 當時這項技術(shù)也才剛剛開始應(yīng)用。 但是， 因為這些國家已經(jīng)具備了調(diào)研和開發(fā)過程的積累， 以及技術(shù)市場商業(yè)化體制的優(yōu)勢， 推廣過 程相對很快，到 2005 年，大部分已經(jīng)全部采用三維可視化資料，包括地質(zhì)體幾何形態(tài)、測 試資料、 監(jiān)測數(shù)據(jù)等全部打包在一個三維計算機圖形和信息系統(tǒng)中，電子化和圖形化為專業(yè)圖形處理和分析、 跨專業(yè)交流提供了極大便利， 也促進了配套技術(shù)的發(fā)展。 相比較國外發(fā)達 國家，國內(nèi)的三維地質(zhì)可視化開發(fā)更多是處于探索和研究階段，到目前為止還沒有形成商業(yè)化的產(chǎn)品。在國際化競爭日趨頻繁和激烈的今天，

4、自主開發(fā)一個具有競爭力的三維地質(zhì)可視化產(chǎn)品是必須經(jīng)過的一個歷程。從技術(shù)發(fā)展和技術(shù)進步的角度講，從底層技術(shù)開始的自主開發(fā)顯然是好事，不但掌握了底層技術(shù)，而且對于實際問題便于改進。1.3存在的問題和解決方案目前，沒有相關(guān)的地質(zhì)采集數(shù)據(jù)的標準，缺少對地質(zhì)原始勘探資料的管理和有效應(yīng)用。當采用三維可視化技術(shù)描述地質(zhì)體和應(yīng)用于生產(chǎn)實踐時，需要改造的環(huán)節(jié)就很多，總體包括三個方面：1、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的有效管理和高效應(yīng)用：其中的高效應(yīng)用是目標，即勘察數(shù)據(jù)能否很快捷地應(yīng)用于建立三維地質(zhì)模型，這取決于兩個方面，一是勘察數(shù)據(jù)是否有規(guī)范地系統(tǒng)管理，二是數(shù)據(jù)的可靠性。建立和使用數(shù)據(jù)庫可以解決第一個方面、但不能解決第二個方面

5、的問題。因此，最大程度保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)準確可靠是保證三維可視化工作效率和現(xiàn)實可行性的重要環(huán)節(jié)。2、目前天津還沒有專門針對城市地質(zhì)體的三維可視化系統(tǒng)。因此，即便是相關(guān)地質(zhì)部門采集到原始勘探資料， 可以實現(xiàn)某些形式地質(zhì)對象的模擬，仍然在一些特定環(huán)節(jié)還不能很方便地進行操作（如信息的共享），這不是技術(shù)上能否實現(xiàn)的問題，而是從實用的角度能否 快速方便的問題。3、建立三維地質(zhì)模型不是三維可視化設(shè)計的目的，而僅僅是開始。利用建立起來的三維地質(zhì)模型服務(wù)生產(chǎn)才是三維可視化設(shè)計的目標，這涉及到成果表達方式與行業(yè)規(guī)范的一致性。系統(tǒng)的功能與生產(chǎn)要求有多大的差距則是影響效率和實用性的關(guān)鍵。綜合地，針對以上地質(zhì)體可視化

6、技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀、以及天津地質(zhì)行業(yè)的現(xiàn)實條件，地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的總體構(gòu)想是開發(fā)先進和成熟的技術(shù)引擎、然后圍繞上述三個方面的問題進行研究和應(yīng)用，圖1表示了這種構(gòu)想和完成該系統(tǒng)需要開展的工作、以及具備的總體功能。構(gòu)建的地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，分別滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和可靠性驗證、三維建模、三維模型應(yīng)用三個方面的需要。地質(zhì)數(shù)據(jù)檢 查系統(tǒng)EV-Globe三維引擎d版本可編輯.應(yīng)用與管理系統(tǒng)地質(zhì)可視化系統(tǒng)系統(tǒng)框架與開發(fā)據(jù) 據(jù)建據(jù)地說,準檢概括查 ，宀流程完成三個據(jù)地質(zhì)三維可視化工作系纟帝以子T多媒體EV-Globe為技術(shù)引擎,據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)地 質(zhì) 數(shù) 據(jù)在此基礎(chǔ)上查衣昭八、勺工作

7、， 一是向前拓展到地質(zhì)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，和規(guī)劃行業(yè)特性需要的功能，三是向后服務(wù)到成果理成和成果管理環(huán)節(jié)。圖塊方面的充和定制城市建設(shè) 清楚地表示地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)的基本構(gòu)成和相關(guān)內(nèi)容。該系統(tǒng)由二個部分（子系統(tǒng)）組成，滿足地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的需要。各子系統(tǒng)的開發(fā)目的和主要功能分述如下:2.1地質(zhì)數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)地質(zhì)數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)：該子系統(tǒng)脫離EV-Globe，在整個系統(tǒng)中起到 EV-Globe的數(shù)據(jù)輸入接口的作用，但自身由可以滿足現(xiàn)場編錄在若干環(huán)節(jié)的需要。開發(fā)目的：三維建模的效率與數(shù)據(jù)格式規(guī)范程度和可靠性密切相關(guān)，數(shù)據(jù)錄入和檢查系統(tǒng)開發(fā)的目的就是解決這兩個環(huán)節(jié)的問題，確保三維建模的效率（數(shù)天即可完成一個模型

8、的建?；蛏壨晟疲Ｖ饕獌?nèi)容：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫：該子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。地質(zhì)數(shù)據(jù)標準：即建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)錄入格式，現(xiàn)場人員要保證完成這些常規(guī)表格的錄入，即可進入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)規(guī)則檢查功能：這是非常適用和重要環(huán)節(jié)，由數(shù)據(jù)庫接口的一個自主開發(fā)的圖形系統(tǒng)組成，目的是把不同人員、 不同部位獲得的地質(zhì)體幾何信息用三維圖形顯示出來，判斷現(xiàn)場地質(zhì)人員在勘探數(shù)據(jù)解譯、以及錄入操作過程可能出現(xiàn)的錯誤，最大程度保證數(shù)據(jù)的可靠性。最大程度上減少建模過程中因原始資料出錯而導致的時間消耗。2.2地質(zhì)可視化系統(tǒng)基于EV-Globe的二次開發(fā)：針對不同行業(yè)特定需求的補充性開發(fā)。開發(fā)目的： 針對地質(zhì)工作需要對系統(tǒng)進行補充開發(fā)和完善性開發(fā)，

9、使得系統(tǒng)更適應(yīng)三維地質(zhì)可視化建模需要。主要內(nèi)容：地質(zhì)建模模塊：在 EV-Globe 基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)和專業(yè)的插值方法生產(chǎn)三維地 質(zhì)模型，并針對一些特定條件和需求的完善性開發(fā)，使得 EV-Globe 處理這些行業(yè)性問題是 更方便和快捷。多媒體數(shù)據(jù)管理：在基本勘探資料基礎(chǔ)上，補充相應(yīng)的文本， 圖片，視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù) 據(jù)。2.3 應(yīng)用與管理系統(tǒng)應(yīng)用與管理系統(tǒng)：方便成果的推廣應(yīng)用，減少資金投入和應(yīng)用難度，實現(xiàn) EV-Globe 所 建立模型的應(yīng)用，包括對模型幾何和模型中信息的應(yīng)用。開發(fā)目的： 實現(xiàn)模型的生產(chǎn)應(yīng)用， 為城市建設(shè)和規(guī)劃提供輔助信息， 更好的為地下空間 信息數(shù)據(jù)管理部門服務(wù)。主要內(nèi)容

10、：地質(zhì)數(shù)據(jù)顯示模塊： 這是滿足成果完成審查后進行三維展示需要的開發(fā)， 目的是保證地 質(zhì)數(shù)據(jù)以直觀的三維可視化方式展現(xiàn)其空間特征，模型具有不可修改性。地質(zhì)數(shù)據(jù)查詢模塊： 空間查詢屬性信息， 并關(guān)聯(lián)多媒體等相關(guān)數(shù)據(jù)信息， 方便不同行業(yè) 大面積推廣應(yīng)用。地質(zhì)專業(yè)分析模塊： 快速生成任意地質(zhì)切面， 對其進行直觀三維展示， 并輸出相應(yīng)數(shù)據(jù) 信息，提供相關(guān)應(yīng)用部門。三、關(guān)鍵技術(shù)與可行性論證客觀地講， 如果沒有足夠的開發(fā)和應(yīng)用積累， 幾乎不可能在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)預(yù)期目標， 即便能完成開發(fā)， 其穩(wěn)定性也會受到制約。 為此， 我們在過去幾年中進行了大量的研發(fā)和相 關(guān)的應(yīng)用研究，以說明系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的可行性。3.1 鉆孔剖面圖自動生成根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，自動生成二維剖面圖。3.2 鉆孔柱狀圖自動生成根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，自動生成鉆孔柱狀圖。3.3 三維地質(zhì)鉆孔根據(jù)原始的鉆孔數(shù)據(jù)， 在三維場景中生成鉆孔數(shù)據(jù)的三維展示效果， 直觀的反應(yīng)出鉆孔 的空間位置，深度以及各地層之間的關(guān)系。3.4 三維地質(zhì)體自動建模3.5 剖面分析指定任意的剖面，生成地質(zhì)三維剖面，直觀進行地質(zhì)剖面分析。3.6 隧道分析指定隧道的路徑和截面， 動態(tài)快速生成隧道， 反應(yīng)出隧道開挖處地質(zhì)層相關(guān)信息及可視 化展示。3.7 開挖分析指定開挖深度，反應(yīng)出開挖范圍內(nèi)地質(zhì)層相關(guān)信息及可視化展示。3.