三維地學建模與可視化

1、鄒艷紅E-mail:z-三維地學建模與可視化1/60主要內(nèi)容三維地學建模概述三維空間數(shù)據(jù)獲取方法面向地學三維空間模型與算法數(shù)字地形建模與地物建模三維地質(zhì)顯式建模與隱式建模2/60參考書 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， 其它依據(jù)實際項目撰寫相關(guān)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(guān)領(lǐng)域?qū)嵺`. 科學出版社， 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(yù)測.中南大學出版社， 3/60主要期刊雜志 測繪學報 測繪通報地理學報地理信息科學Compute

2、r & GeoscienceInternational Journal of Geographical Information System Geomatics 4/60考評方式選一篇相關(guān)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匯報，參考文件不少于20篇。5/601 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6/601.1地學系統(tǒng)與地學認知地學 Geoscience 可了解為geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地學科（前綴為geo-）統(tǒng)稱。7

3、/601.1地學系統(tǒng)與地學認知1）地理系統(tǒng)與GIS研究范圍 地理系統(tǒng)主要包括地球表層空間，按層次分為巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈和電離層，它們在空間上有交叉。 傳統(tǒng)GIS包括范圍主要在巖石圈和大氣圈之間，即地球表面。 8/609/601）地理系統(tǒng)與GIS研究范圍 GIS不但僅是一個技術(shù)實現(xiàn)，而是與計算機科學、地理學、測繪學親密相關(guān)一門科學。 -Goodchild，1992年 GIS是地理信息學方法一個實現(xiàn)伎倆，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邊緣學科，是以處理資源與環(huán)境等全球性問題而快速發(fā)展起來科學和產(chǎn)業(yè)，是對整個或部分地球表面（

4、包含大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、存貯、管理、分析和描述空間信息系統(tǒng)。 -李德仁，1994 1.1地學系統(tǒng)與地學認知10/601.1地學系統(tǒng)與地學認知2）GIS研究范圍拓展與地學系統(tǒng)伴隨GIS在氣象等包括全球改變以及地下工程（地質(zhì)、礦山）領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展，GIS 向上已滲透到大氣層及地球外層空間，向下進入地球內(nèi)部巖石圈以內(nèi)。 從學科融合與交叉角度，一些學者把包括地球內(nèi)部、表面及外部系統(tǒng)通稱為地學系統(tǒng)。 11/60地下地下商場地鐵地下停車場地表地上人防工程地下管線空氣質(zhì)量天氣地下結(jié)構(gòu)與自然資源GIS研究范圍拓展與地學系統(tǒng)12/601.1地學系統(tǒng)與地學認知3）地學認知與認知模型 地學

5、認知是指人類怎樣認識自己賴以生存地學環(huán)境，包含位置、分布、關(guān)系、改變和規(guī)律等。 依據(jù)GIS數(shù)據(jù)處理與組織方式，當前，地學認知模型大致分為三類： （1）基于對象地學認知模型 （2）基于網(wǎng)絡(luò)地學認知模型 （3）基于域地學認知模型13/60柵格結(jié)構(gòu)矢量結(jié)構(gòu) （1）基于對象地學認知模型 （2）基于網(wǎng)絡(luò)地學認知模型 （3）基于域地學認知模型 表示：矢量數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型 混合數(shù)據(jù)模型地學認知與GIS表示14/601.2 地學三維空間信息系統(tǒng)從描述對象數(shù)據(jù)角度空間信息系統(tǒng)發(fā)展過程 可分為：1）以二維數(shù)據(jù)描述地理對象：數(shù)據(jù)庫管理與機助制圖，含有平面制圖和平面分析功效。2）2.5維空間分析與可視化應(yīng)用：D

6、EM應(yīng)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)展基礎(chǔ)和主要組成，空間信息系統(tǒng)是GIS 發(fā)展延拓，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15/601.2 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、表示、建模、分析與可視化過程。當前形成了兩大并行發(fā)展支流：1）3DGIS：以地球表面及其上自然地理實體、人工構(gòu)建實體為研究對象三維地理信息系統(tǒng)2）3DGMS：3D geoscience modeling system，是以地球表面及其下自然地質(zhì)實體、人工開掘?qū)嶓w為研究對象三維地學模擬系統(tǒng)16/60 3DGIS：

7、將三維空間坐標（x,y,z)作為獨立參數(shù)進行空間實體對象幾何建模，其數(shù)學表示為: F=f(x,y,z)，所建立模型不但能夠?qū)崿F(xiàn)真三維可視化，而且能夠進行三維空間分析。 因為缺乏三維數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持，現(xiàn)有商用GIS系統(tǒng)難以執(zhí)行三維空間操作與分析，三維空間信息有效表示與可視化處理受到嚴重制約，當前還沒有真正“3DGIS”系統(tǒng)。研究議題包含：三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓撲數(shù)據(jù)模型、三維空間數(shù)據(jù)庫、三維空間查詢與三維可視化。 17/60 3DGMS是伴隨科學可視化技術(shù)和地質(zhì)信息計算機模擬技術(shù)而發(fā)展起來。針對傳統(tǒng)地質(zhì)信息模擬和表示方法（平面圖、剖面圖、透視圖）不足與缺點，直接從三維空間角度去了解和表示

8、地質(zhì)體和地質(zhì)環(huán)境。將三維空間坐標（x,y,z)作為參數(shù)進行空間實體對象幾何建模。 3DGMS多以三維空間構(gòu)模和地學可視化為主，拓撲空間關(guān)系考慮較少。但因為3DGMS以體元構(gòu)模為主，離散化為柵格模型表示屬性應(yīng)用較多。所以，國外、國內(nèi)都相繼推出了一批在礦山、巖土與地質(zhì)領(lǐng)域廣為應(yīng)用3DGMS軟件18/601.3 三維空間構(gòu)?，F(xiàn)實狀況空間維數(shù)分析: 2DGIS 2.5DGIS 準(quasi)3DGIS：2.75DGIS 、假3DGIS 準3DGIS、準3DGMS 只描述空間實體外部輪廓，不表示其內(nèi)部目標拓撲關(guān)系及屬性。 真3DGIS（有爭議）、真3DGMS 以體元方式在描述三維空間實體外部輪廓同時，

9、表示其內(nèi)部屬性。 19/6020/60地形二維可視化表示21/60同一地域不一樣條件下地貌暈渲圖22/60地貌暈渲加等高線明暗圖23/60地面DTM24/6025/6026/60基于地物疊加DEM可視化27/60基于遙感、航空影像地形三維景觀（航空）正射影像+DEM28/60基于地物疊加DEM可視化29/60三維地面景觀模型30/6031/60三維線框建模32/6033/6034/6035/6036/6037/601.3 三維空間構(gòu)模現(xiàn)實狀況三維空間構(gòu)模方法分類: （1）基于幾何描述分類 針對地學空間目標幾何特征描述分為面元模型和體元模型。 （2）基于拓撲描述分類 Zlatanova將三維拓撲

10、空間模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩組：維護對象、維護關(guān)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詳細領(lǐng)域。 （3）基于節(jié)點數(shù)據(jù)分類 矢量構(gòu)模、柵格構(gòu)模、矢柵混合構(gòu)?；蚣蓸?gòu)模 38/60相關(guān)主要著作S W Houlding. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization. Berlin: Springer-Verlag, 1994. J.-L. Mallet, Geomodeling. New York: Oxford University Press. .Jiyeong Lee, Siy

11、ka Zlatanova. 3D Geo-information Science. Springer, Thomas H. Kolbe, Gerhard Knig, Claus Nagel. Advances in 3D Geo-Information Sciences. Springer, 39/60用戶需求社會公眾服務(wù)可視化輔助決議管理需求三維空間數(shù)據(jù)中心專業(yè)分析應(yīng)用專業(yè)需求可視化應(yīng)急指揮安全需求1.4 地學三維建模應(yīng)用與需求40/60地學信息可視化服務(wù)對三維建模要求多維地學數(shù)據(jù)公眾服務(wù)專業(yè)應(yīng)用分析要求技術(shù)支撐： 多維地學數(shù)據(jù)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(shè)施建模

12、與可視化三維地質(zhì)體建模與可視化虛擬地質(zhì)環(huán)境模擬可視化 三維屬性查詢與空間分析 ?？梢暬瘺Q議41/60地上景觀地形、地層地上下一體化三維數(shù)字城市多維地上下三維空間實體一體化數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一坐標基準統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫引擎統(tǒng)一三維可視化引擎地上下空間對象無縫集成42/60多源數(shù)據(jù)耦合層狀體建模三維剖面圖地層實體模型層頂、底、厚等值線圖選取建模范圍二維剖面圖地層結(jié)構(gòu)建模及可視化分析43/60不一樣空間實體三維建模方法44/60 地層結(jié)構(gòu)建模及可視化分析45/60基于切割技術(shù)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(jié)構(gòu)建模及可視化分析46/6047大規(guī)模復(fù)雜實體模型多視點實時動態(tài)剖切技術(shù)

13、47/60面向過程三維實體動態(tài)模擬分析技術(shù)依據(jù)地下水位數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)進行三維水位模擬，并結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型對指定區(qū)域內(nèi)地下水位歷年改變進行動態(tài)模擬。48/60三維地質(zhì)隱式建模與應(yīng)用 帶約束條件三維距離反比插值建模三維空間統(tǒng)計學Kriging插值建?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)多維地質(zhì)非線性插值建模提供基于面繪制與直接體繪制等可視化方法提供三維剖切、等值面提取、等值線套合等分析功效49選取數(shù)據(jù)屬性體模型等值面追蹤等值體追蹤屬性模型剖切49/60 三維地學建?？梢暬瘧?yīng)用-以下資料源自中地數(shù)碼50/60三維地質(zhì)信息可視化服務(wù)平臺51/601、服務(wù)于城市總體規(guī)劃-功效區(qū)規(guī)劃、工程選址上海臨港新城基礎(chǔ)穩(wěn)定性評定與區(qū)劃依據(jù)

14、城區(qū)活動結(jié)構(gòu)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(zhì)災(zāi)害和工程地責問題、山區(qū)滑坡與泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和工程地責問題進行分析和評價，結(jié)果直接用于城市發(fā)展總體規(guī)劃。北京奧運公園規(guī)劃52/602、地下空間開發(fā)適宜性評價地下空間環(huán)境巖土工程評價：從巖土工程性質(zhì)、開發(fā)條件和環(huán)境影響等方面綜合評定，確定未來城市發(fā)展適宜地下空間開發(fā)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信息。工程地質(zhì)模型爆炸顯示53/60基于工程地質(zhì)三維模型城市地下市政綜合管溝適建性分區(qū)54/603、基于三維地層模型工程建設(shè)方案優(yōu)選在三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，利用三維技術(shù)模擬地下空間開發(fā)過程，并按隧道不一樣設(shè)計深度，綜合評價地層結(jié)構(gòu)改變對隧道工程影響。55/604、地面沉降監(jiān)測與防治研究結(jié)合水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、地下水采灌及地下水位動態(tài)，深入研究地面沉降規(guī)律和機理，有針對性制訂控制辦法。地鐵安全運行管道損毀56/60戰(zhàn)略應(yīng)急水源地評價：評價戰(zhàn)略應(yīng)急水源地分布格局、水量、開采時限及優(yōu)化配置技術(shù)方案；應(yīng)急供水條件下潛在環(huán)境效應(yīng)