三維地學(xué)建模與可視化-概述

鄒艷紅E-mail:z-yhongstu@163.com三維地學(xué)建模與可視化主要內(nèi)容三維地學(xué)建模概述三維空間數(shù)據(jù)獲取方法面向地學(xué)的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，2007其它根據(jù)實(shí)際項目撰寫的有關(guān)地學(xué)三維建模書籍： 2.焦養(yǎng)泉，朱培民，雷新榮，楊生科等.地學(xué)空間信息三維建模與可視化-鄂爾多斯盆地及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐.科學(xué)出版社，2006

3.毛先成，鄒艷紅，陳進(jìn)，賴建清，彭省臨.隱伏礦體三維可視化預(yù)測.中南大學(xué)出版社，2011……………主要期刊雜志測繪學(xué)報測繪通報地理學(xué)報地理信息科學(xué)Computer&GeoscienceInternationalJournalofGeographicalInformationSystemGeomatics……………考核方式選一篇相關(guān)的英文文章翻譯，英文不少于10頁；提交地學(xué)信息三維建模與可視化實(shí)例或進(jìn)展報告，參考文獻(xiàn)不少于20篇。1概述地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知模型地學(xué)三維空間信息系統(tǒng)3DGIS與3DGMS三維地學(xué)建模地學(xué)三維可視化1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知地學(xué)Geoscience可理解為geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地學(xué)科（前綴為geo-）的統(tǒng)稱。1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知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(shù)實(shí)現(xiàn)，而是與計算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)密切相關(guān)的一門科學(xué)。

-Goodchild，1992年

GIS是地理信息學(xué)方法的一種實(shí)現(xiàn)手段，它作為集計算機(jī)科學(xué)、測繪遙感學(xué)、地圖制圖學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的邊緣學(xué)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(xué)和產(chǎn)業(yè)，是對整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存貯、管理、分析和描述的空間信息系統(tǒng)。-李德仁，1994

1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知2）GIS研究范圍的拓展與地學(xué)系統(tǒng)

隨著GIS在氣象等涉及全球變化以及地下工程（地質(zhì)、礦山）領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)入地球內(nèi)部巖石圈以內(nèi)。從學(xué)科融合與交叉的角度，一些學(xué)者把涉及地球內(nèi)部、表面及外部的系統(tǒng)通稱為地學(xué)系統(tǒng)。

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)量天氣地下構(gòu)造與自然資源GIS研究范圍的拓展與地學(xué)系統(tǒng)1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知3）地學(xué)認(rèn)知與認(rèn)知模型

地學(xué)認(rèn)知是指人類如何認(rèn)識自己賴以生存的地學(xué)環(huán)境，包括位置、分布、關(guān)系、變化和規(guī)律等。

根據(jù)GIS數(shù)據(jù)處理與組織方式，目前，地學(xué)認(rèn)知模型大體分為三類：

（1）基于對象的地學(xué)認(rèn)知模型

（2）基于網(wǎng)絡(luò)的地學(xué)認(rèn)知模型

（3）基于域的地學(xué)認(rèn)知模型柵格結(jié)構(gòu)矢量結(jié)構(gòu)

（1）基于對象的地學(xué)認(rèn)知模型

（2）基于網(wǎng)絡(luò)的地學(xué)認(rèn)知模型

（3）基于域的地學(xué)認(rèn)知模型表達(dá)：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(xué)認(rèn)知與GIS表達(dá)1.2地學(xué)三維空間信息系統(tǒng)從描述對象的數(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(jī)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(yīng)用：DEM的應(yīng)用3）準(zhǔn)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(chǔ)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(kuò)展到地下空間及地形、地表與地下集成空間1.2地學(xué)三維空間信息系統(tǒng)

地學(xué)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(dá)、建模、分析與可視化過程。目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(shí)體、人工構(gòu)建實(shí)體為研究對象的三維地理信息系統(tǒng)2）3DGMS：3Dgeosciencemodelingsystem，是以地球表面及其下自然地質(zhì)實(shí)體、人工開掘?qū)嶓w為研究對象的三維地學(xué)模擬系統(tǒng)

3DGIS：將三維空間坐標(biāo)（x,y,z)作為獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行空間實(shí)體對象的幾何建模，其數(shù)學(xué)表示為:F=f(x,y,z)，所建立的模型不僅可以實(shí)現(xiàn)真三維可視化，而且可以進(jìn)行三維空間分析。

由于缺少三維數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持，現(xiàn)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(dá)與可視化處理受到嚴(yán)重制約，目前還沒有真正的“3DGIS”系統(tǒng)。研究議題包括：三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓?fù)鋽?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。

3DGMS是隨著科學(xué)可視化技術(shù)和地質(zhì)信息計算機(jī)模擬技術(shù)而發(fā)展起來的。針對傳統(tǒng)的地質(zhì)信息模擬和表達(dá)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(dá)地質(zhì)體和地質(zhì)環(huán)境。

將三維空間坐標(biāo)（x,y,z)作為參數(shù)進(jìn)行空間實(shí)體對象的幾何建模。

3DGMS多以三維空間構(gòu)模和地學(xué)可視化為主，拓?fù)淇臻g關(guān)系考慮較少。但由于3DGMS以體元構(gòu)模為主，離散化為柵格模型表達(dá)屬性應(yīng)用較多。因此，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)用的3DGMS軟件1.3三維空間構(gòu)?，F(xiàn)狀空間維數(shù)分析:2DGIS2.5DGIS

準(zhǔn)(quasi)3DGIS：2.75DGIS、假3DGIS準(zhǔn)3DGIS、準(zhǔn)3DGMS

只描述空間實(shí)體的外部輪廓，不表達(dá)其內(nèi)部目標(biāo)拓?fù)潢P(guān)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(shí)體外部輪廓的同時，表達(dá)其內(nèi)部屬性。

地形二維可視化表達(dá)同一地區(qū)不同條件下地貌暈渲圖地貌暈渲加等高線明暗圖地面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可視化三維地面景觀模型三維線框建模1.3三維空間構(gòu)模現(xiàn)狀三維空間構(gòu)模方法分類:

（1）基于幾何描述的分類

針對地學(xué)空間目標(biāo)幾何特征的描述分為面元模型和體元模型。

（2）基于拓?fù)涿枋龅姆诸?/p>

Zlatanova將三維拓?fù)淇臻g模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩組：維護(hù)對象、維護(hù)關(guān)系。拓?fù)淠Ｐ陀啥S向三維發(fā)展困難。三維拓?fù)淠Ｐ屯槍唧w領(lǐng)域。

（3）基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分類

矢量構(gòu)模、柵格構(gòu)模、矢柵混合構(gòu)?；蚣蓸?gòu)模

相關(guān)的主要著作SWHoulding.3DGeoscienceModeling:ComputerTechniquesforGeologicalCharacterization.Berlin:Springer-Verlag,1994.J.-L.Mallet,Geomodeling.NewYork:OxfordUniversityPress.2002.JiyeongLee,SiykaZlatanova.3DGeo-informationScience.Spr