三維地學建模與可視化-概述

1、 三維地學建模概述 三維空間數據獲取方法 面向地學的三維空間模型與算法 數字地形建模與地物建模 三維地質顯式建模與隱式建模 1. 史文中，吳立新，李清泉，王彥兵，楊必勝. 三維空間信息系統(tǒng)模型與算法. 電子工業(yè)出版社，2007 其它根據實際項目撰寫的有關地學三維建模書籍：2. 焦養(yǎng)泉，朱培民，雷新榮，楊生科等. 地學空間信息三維建模與可視化-鄂爾多斯盆地及相關領域的實踐. 科學出版社，2006 3. 毛先成，鄒艷紅，陳進，賴建清，彭省臨.隱伏礦體三維可視化預測.中南大學出版社，2011 測繪學報 測繪通報地理學報地理信息科學Computer & GeoscienceInternatio

2、nal Journal of Geographical Information System Geomatics 選一篇相關的英文文章翻譯，英文不少于10頁； 提交地學信息三維建模與可視化實例或進展報告，參考文獻不少于20篇。1 概述地學系統(tǒng)與地學認知模型地學三維空間信息系統(tǒng)3DGIS與3DGMS三維地學建模地學三維可視化地學 Geoscience 可理解為geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地學科（前綴為geo-）的統(tǒng)稱。1）地理系統(tǒng)與GIS的研究范圍 地理系統(tǒng)主要涉及地球表層空間，按層次分為巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈

3、和電離層，它們在空間上有交叉。 傳統(tǒng)的GIS涉及范圍主要在巖石圈和大氣圈之間，即地球表面。 1）地理系統(tǒng)與GIS的研究范圍 GIS不僅僅是一個技術實現，而是與計算機科學、地理學、測繪學密切相關的一門科學。 -Goodchild，1992年 GIS是地理信息學方法的一種實現手段，它作為集計算機科學、測繪遙感學、地圖制圖學、地理學、環(huán)境科學、空間科學、信息科學和管理科學為一體的邊緣學科，是以解決資源與環(huán)境等全球性問題而迅速發(fā)展起來的科學和產業(yè)，是對整個或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關的數據進行采集、存貯、管理、分析和描述的空間信息系統(tǒng)。 -李德仁，1994 2）GIS研究范圍的

4、拓展與地學系統(tǒng)隨著GIS在氣象等涉及全球變化以及地下工程（地質、礦山）領域的應用與發(fā)展，GIS 向上已滲透到大氣層及地球的外層空間，向下進入地球內部巖石圈以內。 從學科融合與交叉的角度，一些學者把涉及地球內部、表面及外部的系統(tǒng)通稱為地學系統(tǒng)。 地下地下地表地表地上GIS研究范圍的拓展與地學系統(tǒng)3）地學認知與認知模型 地學認知是指人類如何認識自己賴以生存的地學環(huán)境，包括位置、分布、關系、變化和規(guī)律等。 根據GIS數據處理與組織方式，目前，地學認知模型大體分為三類： （1）基于對象的地學認知模型 （2）基于網絡的地學認知模型 （3）基于域的地學認知模型柵格結構矢量結構 （1）基于對象的地學認知模型

5、 （2）基于網絡的地學認知模型 （3）基于域的地學認知模型 表達：矢量數據模型 柵格數據模型 混合數據模型地學三維空間信息系統(tǒng)從描述對象的數據角度空間信息系統(tǒng)發(fā)展過程 可分為：1）以二維數據描述地理對象：數據庫管理與機助制圖，具有平面制圖和平面分析功能。2）2.5維的空間分析與可視化應用：DEM的應用3）準三維（2.75維）和真三維空間分析與可視化： GIS是空間信息系統(tǒng)發(fā)展的基礎和重要組成，空間信息系統(tǒng)是GIS 發(fā)展的延拓，其研究對象由地形、地表擴展到地下空間及地形、地表與地下集成空間地學三維空間信息系統(tǒng) 地學三維空間信息系統(tǒng)研究三維空間信息采集、描述、組織、表達、建模、分析與可視化過程。目

6、前形成了兩大并行發(fā)展的支流：1）3DGIS：以地球表面及其上自然地理實體、人工構建實體為研究對象的三維地理信息系統(tǒng)2）3DGMS：3D geoscience modeling system，是以地球表面及其下自然地質實體、人工開掘實體為研究對象的三維地學模擬系統(tǒng) 3DGIS：將三維空間坐標（x,y,z)作為獨立參數進行空間實體對象的幾何建模，其數學表示為: F=f(x,y,z)，所建立的模型不僅可以實現真三維可視化，而且可以進行三維空間分析。 由于缺少三維數據模型與數據結構的支持，現有的商用GIS系統(tǒng)難以執(zhí)行三維空間操作與分析，三維空間信息的有效表達與可視化處理受到嚴重制約，目前還沒有真正的“

7、3DGIS”系統(tǒng)。研究議題包括：三維空間數據模型、三維拓撲數據模型、三維空間數據庫、三維空間查詢與三維可視化。 3DGMS是隨著科學可視化技術和地質信息計算機模擬技術而發(fā)展起來的。針對傳統(tǒng)的地質信息模擬和表達方法（平面圖、剖面圖、透視圖）的不足與缺陷，直接從三維空間的角度去理解和表達地質體和地質環(huán)境。將三維空間坐標（x,y,z)作為參數進行空間實體對象的幾何建模。 3DGMS多以三維空間構模和地學可視化為主，拓撲空間關系考慮較少。但由于3DGMS以體元構模為主，離散化為柵格模型表達屬性應用較多。因此，國外、國內都相繼推出了一批在礦山、巖土與地質領域廣為應用的3DGMS軟件空間維數分析: 2DG

8、IS 2.5DGIS 準(quasi)3DGIS：2.75DGIS 、假3DGIS 準3DGIS、準3DGMS 只描述空間實體的外部輪廓，不表達其內部目標拓撲關系及屬性。 真3DGIS（有爭議）、真3DGMS 以體元的方式在描述三維空間實體外部輪廓的同時，表達其內部屬性。 地形二維可視化表達地面DTM基于地物疊加的DEM可視化基于遙感、航空影像的地形三維景觀（航空）正射影像+DEM基于地物疊加的DEM可視化三維線框建模三維空間構?，F狀三維空間構模方法分類: （1）基于幾何描述的分類 針對地學空間目標幾何特征的描述分為面元模型和體元模型。 （2）基于拓撲描述的分類 Zlatanova將三維拓撲空

9、間模型數據結構分為兩組：維護對象、維護關系。拓撲模型由二維向三維發(fā)展困難。三維拓撲模型往往針對具體領域。 （3）基于節(jié)點數據的分類 矢量構模、柵格構模、矢柵混合構?；蚣蓸嬆?S W Houlding. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization. Berlin: Springer-Verlag, 1994. J.-L. Mallet, Geomodeling. New York: Oxford University Press. 2002. Jiyeong Lee, Siyka Zla

10、tanova. 3D Geo-information Science. Springer, 2008 Thomas H. Kolbe, Gerhard Knig, Claus Nagel. Advances in 3D Geo-Information Sciences. Springer, 2011用戶需求管理需求專業(yè)需求安全需求地學三維建模應用與需求地學信息可視化服務對三維建模的要求地學信息可視化服務對三維建模的要求公眾服務專業(yè)應用分析要求技術支撐：要求技術支撐： 多維地學數據的一體化組織與管理 地面三維景觀建模與可視化地下管線、各類設施建模與可視化三維地質體建模與可視化虛擬地質環(huán)境模擬可視

11、化 三維屬性查詢與空間分析 ?？梢暬瘺Q策地上景觀地形、地層地上下一體化三維數字城市 地上下三維空間實體一體地上下三維空間實體一體化的數據模型化的數據模型統(tǒng)一的坐標基準統(tǒng)一的數據結構統(tǒng)一的數據庫引擎統(tǒng)一的三維可視化引擎地上下空間對象的無縫集成地上下空間對象的無縫集成多多源源數數據據耦耦合合的的層層狀狀體體建建模模三維剖面圖三維剖面圖地層實體模型地層實體模型層頂、底、厚等值線圖層頂、底、厚等值線圖選取建模范圍選取建模范圍二維剖面圖二維剖面圖地層結構建模及可視化分析地層結構建模及可視化分析不同空間實體的三維建模方法不同空間實體的三維建模方法 地層結構建模及可視化分析地層結構建模及可視化分析基于切割技

12、術的基坑開挖 軸向剖面切割任意角度剖面切割垂直折剖面切割地層結構建模及可視化分析地層結構建模及可視化分析47大規(guī)模復雜實體模型的多視點實時動態(tài)剖切技術大規(guī)模復雜實體模型的多視點實時動態(tài)剖切技術面向過程的三維實體動態(tài)模擬分析技術面向過程的三維實體動態(tài)模擬分析技術根據地下水位數據、流場數據進行三維水位模擬，并結合地質結構模型對指定區(qū)域內的地下水位歷年變化進行動態(tài)模擬。三維地質隱式建模與應用三維地質隱式建模與應用 u 帶約束條件的三維距離反比插值建模u 三維空間統(tǒng)計學的Kriging插值建模u 基于神經網絡的多維地質非線性插值建模u 提供基于面繪制與直接體繪制等可視化方法u 提供三維剖切、等值面提取

13、、等值線套合等分析功能49選取數據選取數據屬性體模型屬性體模型等值面追蹤等值面追蹤等值體追蹤等值體追蹤屬性模型剖切屬性模型剖切 三維地學建模可視化應用三維地學建?？梢暬瘧?以下資料源自中地數碼以下資料源自中地數碼1 1、服務于城市總體規(guī)劃、服務于城市總體規(guī)劃-功能區(qū)規(guī)劃、工程選址功能區(qū)規(guī)劃、工程選址上海臨港新城上海臨港新城基礎穩(wěn)定性評估與區(qū)劃基礎穩(wěn)定性評估與區(qū)劃根據城區(qū)活動構造的分布和活動性，對城市地殼穩(wěn)定性進行區(qū)域劃分，并對地面沉降等主要平原區(qū)地質災害和工程地質問題、山區(qū)滑坡與泥石流等地質災害和工程地質問題進行分析和評價，成果直接用于城市發(fā)展的總體規(guī)劃。北京奧運公園規(guī)劃北京奧運公園規(guī)劃地下

14、空間環(huán)境巖土工程評價：從巖土的工程性質、開發(fā)條件和環(huán)境影響等方面綜合評估，確定未來城市發(fā)展適宜地下空間開發(fā)的地段和高風險區(qū)，為地下空間可利用規(guī)劃編制與修編提供必要的信息。工程地質模型爆炸顯示基于工程地質基于工程地質三維模型的城市地下市政綜合管溝適建性分區(qū)三維模型的城市地下市政綜合管溝適建性分區(qū)3、基于三維地層模型的工程建設方案優(yōu)選、基于三維地層模型的工程建設方案優(yōu)選 在三維地質結構模型基礎上，利用三維技術模擬地下空間開發(fā)過程，并按隧道不同設計深度，綜合評價地層結構變化對隧道工程的影響。結合水文地質結構模型、地下水采灌及地下水位動態(tài)，進一步研究地面沉降規(guī)律和機理，有針對性制定控制措施。地鐵安全運營管道損毀 戰(zhàn)略戰(zhàn)略應急應急水源地評價水源地評價