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城市地質(zhì)信息三維可視化研究
一、引言
隨著城市建設(shè)的不斷深入，各種改建擴建工程此起彼伏，但人們往往忽視了地質(zhì)問題。在不同的地質(zhì)帶上進行的工程會不同程度地受到各種地質(zhì)災(zāi)害的威脅。因此，在掌握和管理各種地表信息的基礎(chǔ)上，對地下各類信息的采集與管理尤為重要。對災(zāi)害地質(zhì)體的正確識別以及對各種潛在的地質(zhì)災(zāi)害的有效預(yù)防將有助于城市的建設(shè)和發(fā)展，減少地質(zhì)災(zāi)害過程中的生命財產(chǎn)損失。這些都需要借助三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。建立一個真三維的地質(zhì)信息可視化與管理系統(tǒng)，能為城市建設(shè)、發(fā)展和管理提供基于三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的信息服務(wù)；便于城市管理人員有效地管理和監(jiān)控城市地質(zhì)資源；輔助研究城市的地質(zhì)構(gòu)造。
二、現(xiàn)狀分析
當前，在三維可視化地質(zhì)軟件中比較專業(yè)的軟件有加拿大Gemcom公司的Gemcom、澳大利亞Surpa國際軟件公司的Surpac、Intergraph公司的GeoVoxel等。這些軟件的三維可視化功能較強，在油田勘探、石油開采等領(lǐng)域得到了頗有成效的應(yīng)用。但他們在費用、硬件要求、圖形環(huán)境和文件支持方面不完全符合我國工程地質(zhì)的實際情況。與此同時，國內(nèi)一些大學與科研機構(gòu)通過對國外先進軟件的二次開發(fā)或自主研發(fā)，來滿足我國空間地質(zhì)信息的三維可視化需求，但始終沒有形成一個標準化、商業(yè)化的產(chǎn)品。
三維可視化模型的建立是為了在計算機上展現(xiàn)虛擬三維場景，它是3DGIS研究的重點。可以重現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的三維地層分布形態(tài)，為工程技術(shù)人員提供準確、直觀的地質(zhì)構(gòu)造模型，用于分析、量算工作而設(shè)計。3D數(shù)據(jù)模型主要有三維幾何數(shù)據(jù)模型和三維拓撲數(shù)據(jù)模型兩種。考慮到其適用性，本文側(cè)重研究第一類模型。
吳立新和史文中提出在不區(qū)分準3D和真3D的前提下，根據(jù)3D空間模型對地學空間目標進行幾何刻畫的方式，將三維幾何數(shù)據(jù)模型分為面元模型和體元模型。其中，面元模型采用表面描述方式對3D空間對象的表面進行連續(xù)或非連續(xù)的幾何描述和特征刻畫，不研究3D空間對象的內(nèi)部特征，適合建立物體表面模型。
體元模型采用空間剖分方式對3D空間對象的內(nèi)部空間進行無縫完整的空間剖分，不僅描述3D空間對象的表面幾何，還研究其內(nèi)部特征。對比這兩種數(shù)據(jù)模型，根據(jù)它們的特點并結(jié)合系統(tǒng)的實現(xiàn)目標，才能最終確定系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)模型。下表列出的是(如表1所示)三維空間數(shù)據(jù)模型在一定的條件下產(chǎn)生的合理性和缺陷。
三維空間數(shù)據(jù)模型優(yōu)點缺點
面元模型方便地實現(xiàn)地層可視化和模型更新不是真3D不描述3D拓撲關(guān)系無法進行開采開挖設(shè)計難以描述實體的內(nèi)部信息難以進行3D空間查詢與空間分析
體元模型
規(guī)則體元模型真3D模型更新也比較方便難以適應(yīng)復雜地質(zhì)體建模非規(guī)則體元模型真3D可以適應(yīng)復雜地質(zhì)體建模模型更新比較困難
三、城市地質(zhì)信息三維可視化
首先，由于客觀世界的地質(zhì)現(xiàn)象存在著一定的復雜性，且地層具有層狀展鋪的特性，有些地層存在交叉，層與層之間是緊密的相鄰關(guān)系。對構(gòu)建三維地層模型而言，要考慮不同地質(zhì)屬性的地層結(jié)構(gòu)分布，如果利用面元模型表達不同地層，會導致對地層模型操作的復雜化，特別是在任意切割剖面時，將會遇到更復雜的情況而導致該操作無法進行。是不可取的方法。
其次，通過對模型特點的分析可知，非規(guī)則體元模型可以解決實際應(yīng)用操作與分析問題，適用于工程地質(zhì)領(lǐng)域，且可操作性強，數(shù)據(jù)組織嚴密，推理過程規(guī)范明了，易于編程實現(xiàn)，可用于工程地質(zhì)領(lǐng)域3DGIS系統(tǒng)的空間建模。
最后，在構(gòu)造地層三維模型時，體元可以是各種多面體，常用的有四面體、棱柱體和六面體。四面體體元可以構(gòu)造非常復雜的地層結(jié)構(gòu)，但四面體數(shù)據(jù)組織困難，數(shù)據(jù)冗余量大，對計算機的速度和內(nèi)存要求較高。棱柱體和六面體結(jié)構(gòu)體元都可以很好地建立地層模型。本模型采用非規(guī)則六面體元進行構(gòu)造。如圖1所示。
其中，點Tx(x=1，2，3，4)構(gòu)成了體元模型的上表面，而點Bx則構(gòu)成了體元模型的下表面。其余四個表面分別為體元模型的前、后、左、右面。圖1中給出的是標準的數(shù)據(jù)模型，即非規(guī)則體元模型的特例
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