三維地學建模與可視化-概述

鄒艷紅E-mail:z-yhongstu@163.com三維地學建模與可視化主要內容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……………主要期刊雜志測繪學報測繪通報地理學報地理信息科學Computer&GeoscienceInternationalJournalofGeographicalInformationSystemGeomatics……………考核方式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1.1地學系統(tǒng)與地學認知地學Geoscience可理解為geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地學科（前綴為geo-）的統(tǒng)稱。1.1地學系統(tǒng)與地學認知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

1.1地學系統(tǒng)與地學認知1.1地學系統(tǒng)與地學認知2）GIS研究范圍的拓展與地學系統(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)。

地下地下商場地鐵地下停車場地表地上人防工程地下管線空氣質量天氣地下構造與自然資源GIS研究范圍的拓展與地學系統(tǒng)1.1地學系統(tǒng)與地學認知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

（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認知與GIS表達1.2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1.2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、表達、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體、人工構建實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“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1.3三維空間構?，F狀空間維數分析:2DGIS2.5DGIS

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?，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?/p>

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