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三维地质自动建模与可视化

北京国遥新天地信息技术有限公司 遥感应用第一事业部 柳蛟
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一、 前言
1.1项目背景
数字城市建设方兴未艾。现在的数字城市建设正处于基础建设阶段，为完成该阶段的任务，必须采集包括地上、地表和地下等部分的三维数据，并实现其可视化。同时，各城市因其所处地质带的不同而不同程度地受到地震、地面沉降、滑坡、岩溶塌陷等地质灾害的影响。为此，一些城市正在进行有关地质灾害的预警和防治工作。其他很多领域，如城建工程、地下工程、水电工程、交通工程、环境工程、资源开发等都贯穿有地质问题。上述工作的开展和问题的解决迫切需要借助三维可视化技术对地质数据进行可视化，从而为相关工作提供帮助。因而，三维城市地质信息可视化受到很多学者和相关工作者的重视。
基于目前地下管网和地下建构筑物信息的基础，增加地质数据的收集整理，并进行直观的可视化三维建模分析，可更好的为地下工程建设，城市规划等问题提供决策信息支持，使地下空间信息管理单位对相关数据进行有效的管理。
基于现有地质数据采集、处理的成果，结合EV-Globe大型三维地理信息平台，从三维地质数据结构、三维地质钻孔数据展示、三维地质自动建模、三维城市地质信息可视化系统的功能设计等方面对三维城市地质信息可视化进行研究和应用。
1.2历史回顾
2002年开始，当时在海外工作的朱焕春博士和李浩博士试图将他们所应用的一些地质体三维可视化技术推广到国内，即便是在发达国家，当时这项技术也才刚刚开始应用。但是，因为这些国家已经具备了调研和开发过程的积累，以及技术市场商业化体制的优势，推广过程相对很快，到2005年，大部分已经全部采用三维可视化资料，包括地质体几何形态、测试资料、监测数据等全部打包在一个三维计算机图形和信息系统中，电子化和图形化为专业图形处理和分析、跨专业交流提供了极大便利，也促进了配套技术的发展。相比较国外发达国家，国内的三维地质可视化开发更多是处于探索和研究阶段，到目前为止还没有形成商业化的产品。在国际化竞争日趋频繁和激烈的今天，自主开发一个具有竞争力的三维地质可视化产品是必须经过的一个历程。从技术发展和技术进步的角度讲，从底层技术开始的自主开发显然是好事，不但掌握了底层技术，而且对于实际问题便于改进。
1.3存在的问题和解决方案
目前，没有相关的地质采集数据的标准，缺少对地质原始勘探资料的管理和有效应用。当采用三维可视化技术描述地质体和应用于生产实践时，需要改造的环节就很多，总体包括三个方面：
1、地质勘察数据的有效管理和高效应用：其中的高效应用是目标，即勘察数据能否很快捷地应用于建立三维地质模型，这取决于两个方面，一是勘察数据是否有规范地系统管理，二是数据的可靠性。建立和使用数据库可以解决第一个方面、但不能解决第二个方面的问题。因此，最大程度保证数据库中的数据准确可靠是保证三维可视化工作效率和现实可行性的重要环节。
2、目前天津还没有专门针对城市地质体的三维可视化系统。因此，即便是相关地质部门采集到原始勘探资料，可以实现某些形式地质对象的模拟，仍然在一些特定环节还不能很方便地进行操作（如信息的共享），这不是技术上能否实现的问题，而是从实用的角度能否快速方便的问题。
3、建立三维地质模型不是三维可视化设计的目的，而仅仅是开始。利用建立起来的三维地质模型服务生产才是三维可视化设计的目标，这涉及到成果表达方式与行业规范的一致性。系统的功能与生产要求有多大的差距则是影响效率和实用性的关键。
综合地，针对以上地质体可视化技术的发展历程和应用现状、以及天津地质行业的现实条件，地质三维可视化系统开发与应用的总体构想是开发先进和成熟的技术引擎、然后围绕上述三个方面的问题进行研究和应用，图 1表示了这种构想和完成该系统需要开展的工作、以及具备的总体功能。
构建的地质三维可视化系统由三个子系统组成，分别满足现场数据采集和可靠性验证、三维建模、三维模型应用三个方面的需要。

应用与管理系统
EV-Globe三维引擎
地质数据检查系统

地质数据查询模块
地质数据显示模块
地质专业分析模块
地质建模
子模块
多媒体数据
管理
地质可视化系统
地质数据标准
地质数据库
数据规则检查

图1

二、 系统框架与开发
概括地说，地质三维可视化工作系统以EV-Globe为技术引擎，在此基础上依照地质工作流程完成三个方面的工作，一是向前拓展到地质数据采集环节，二是补充和定制城市建设和规划行业特性需要的功能，三是向后服务到成果生成和成果管理环节。图 1清楚地表示地质三维可视化系统的基本构成和相关内容。
该系统由三个部分（子系统）组成，满足地质数据管理和应用的需要。各子系统的开发目的和主要功能分述如下：

2.1地质数据检查系统
地质数据检查系统：该子系统脱离EV-Globe，在整个系统中起到EV-Globe的数据输入接口的作用，但自身由可以满足现场编录在若干环节的需要。
开发目的：三维建模的效率与数据格式规范程度和可靠性密切相关，数据录入和检查系统开发的目的就是解决这两个环节的问题，确保三维建模的效率（数天即可完成一个模型的建模或升级完善）。
主要内容：
地质数据库：该子系统的基础。
地质数据标准：即建立统一标准的数据录入格式，现场人员要保证完成这些常规表格的录入，即可进入数据库。
数据规则检查功能：这是非常适用和重要环节，由数据库接口的一个自主开发的图形系统组成，目的是把不同人员、不同部位获得的地质体几何信息用三维图形显示出来，判断现场地质人员在勘探数据解译、以及录入操作过程可能出现的错误，最大程度保证数据的可靠性。最大程度上减少建模过程中因原始资料出错而导致的时间消耗。

2.2地质可视化系统
基于EV-Globe的二次开发：针对不同行业特定需求的补充性开发。
开发目的：针对地质工作需要对系统进行补充开发和完善性开发，使得系统更适应三维地质可视化建模需要。
主要内容：
地质建模模块：在EV-Globe基础上，根据地质钻孔数据和专业的插值方法生产三维地质模型，并针对一些特定条件和需求的完善性开发，使得EV-Globe处理这些行业性问题是更方便和快捷。
多媒体数据管理：在基本勘探资料基础上，补充相应的文本，图片，视频等非结构化数据。

2.3应用与管理系统
应用与管理系统：方便成果的推广应用，减少资金投入和应用难度，实现EV-Globe所建立模型的应用，包括对模型几何和模型中信息的应用。
开发目的：实现模型的生产应用，为城市建设和规划提供辅助信息，更好的为地下空间信息数据管理部门服务。
主要内容：
地质数据显示模块：这是满足成果完成审查后进行三维展示需要的开发，目的是保证地质数据以直观的三维可视化方式展现其空间特征，模型具有不可修改性。
地质数据查询模块：空间查询属性信息，并关联多媒体等相关数据信息，方便不同行业大面积推广应用。
地质专业分析模块：快速生成任意地质切面，对其进行直观三维展示，并输出相应数据信息，提供相关应用部门。

三、关键技术与可行性论证
客观地讲，如果没有足够的开发和应用积累，几乎不可能在较短的时间内实现预期目标，即便能完成开发，其稳定性也会受到制约。为此，我们在过去几年中进行了大量的研发和相关的应用研究，以说明系统开发和应用的可行性。
3.1钻孔剖面图自动生成
根据钻孔数据，自动生成二维剖面图。

3.2钻孔柱状图自动生成
根据钻孔数据，自动生成钻孔柱状图。

3.3三维地质钻孔
根据原始的钻孔数据，在三维场景中生成钻孔数据的三维展示效果，直观的反应出钻孔的空间位置，深度以及各地层之间的关系。

3.4三维地质体自动建模

3.5 剖面分析
指定任意的剖面，生成地质三维剖面，直观进行地质剖面分析。

3.6隧道分析
指定隧道的路径和截面，动态快速生成隧道，反应出隧道开挖处地质层相关信息及可视化展示。

3.7开挖分析
指定开挖深度，反应出开挖范围内地质层相关信息及可视化展示。

3.8地层炸开

3.9地质体在数字地球中的展示
地质体建模的成果可以结合影像、矢量、三维建筑模型等空间数据信息，在数字地球的三维大场景中展示。

图 三维场景地上模式

图 地表透明模式

图 地下模式
四、总结
目前，所规划的系统开发工作已经解决了全部的关键技术问题，并形成了初级产品，本系统开发和应用的实际效果主要取决于单位在管理和配合方面的实际成效。