空间集成方式的三维地质图编绘关键技术

张军强，吴冲龙，2，3，刘 刚，2，3，刘 飞

1.中国地质大学计算机学院，武汉 430074

2.中国地质大学教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉 430074

3.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074

0 引言

随着“玻璃地球”［1］计划的提出和实施［2］，以及我国“玻璃国土”［3］概念的提出，“开展三维地质建模、填制三维地质图”已经成为区域地质界的国际风潮。三维地质图和平面地质图的差别不仅在于图面表观形式不同，更在于所包含信息量的不同。编绘三维地质图要求建立一体化的地下－地上、地质－地理、属性－空间数据模型，并且实现其一体化建模。换言之，在所建的模型中既要包含地表的自然地形地貌和地上的各种人工建筑物信息，还要包含地下的地质结构、构造、矿藏和各种工程设施与构筑物信息，以便在统一的三维环境中进行各种空间查询、空间分析和空间决策［4－5］。

进行真三维地质图的编绘，关键是要解决多源异构数据的转换和融合问题，以及具有完全不同介质特征的地质空间和地理空间的拼接和聚合问题［6］。本文的思路是：采用Geodatabase数据模型，设计地上地下一体化的数据库模型，在ArcGIS Engine环境中分别对地貌、地上和地下空间对象进行建模，并通过特定的处理方法将上述模型两两无缝集成起来，进而实现地上地下空间的无缝集成的三维地质图的编绘［7］。

1 地上地下一体化的数据库设计

由于空间数据具有多源、多类、多量、多维、多主题的特征，因此，在编绘涉及地上地下空间对象的地质灾害领域、城市地质领域、数字矿山等领域的三维地质图时，所采用的数据模型必须能很好地满足这些要求，才能在此基础上进行三维可视化表达、浏览、管理、分析等操作［8］。

1.1 数据模型选择

对于多源数据在三维空间的同时表达，现有的三维地理信息系统大都借鉴了数据模型中基于混合表示模型的思想，采用了如下的处理方式：针对不同的数据类型，根据其特点采取不同的数据模型，进而采取不同方法分别对其进行建模及可视化表达。这种处理方式在数据类型较少时能够充分发挥各种类型数据的优点和实用性，并且能够高效地实现对模型的表达和处理；但由于其需要对每种模型分别采用不同的算法实现其可视化和空间分析功能，因此，该方法实现难度高、工作量大。此外，这种方式还需要解决相邻三维模型边界的无缝集成问题，各种数据模型之间的拓扑关系表达比较困难，拓扑一致性算法复杂。

相对地，采用单一的数据模型构造数据结构实现三维空间对象的表达也是利弊共存。其优点是，由于对所有的数据类型采用相同的数据模型定义了统一的数据结构，因此三维模型可视化及拓扑关系表达相对简单，对三维模型的空间分析算法也比较容易实现。但由于采用了单一的数据模型，无法根据需要表达的数据类型调整算法以优化表达效率；而且其继承了所采用的数据模型的缺点［9］。

笔者探讨的空间集成方式的三维地质图编绘时涉及的空间数据主要包括以下几个大类：地上数据（地物模型数据）、地表数据（地形数据及影像数据）、地下数据（地质体数据、钻孔数据），随着研究的深入还可能加入更多新的数据类型。当涉及的数据类型越来越多时，多数据模型处理模式的缺点会越来越明显，算法实现难度加大，系统运行效率降低；另一方面，笔者更关注的是能否在所编绘的三维地质图上进行一体化的空间分析。因此，在数据模型选择时更倾向于单一的数据模型。

Geodatabase数据模型是ESRI公司推出的在新的一体化数据存储技术的基础上，采用标准的关系数据库技术来表现地理信息的面向对象的数据模型。它支持利用标准的数据库管理系统（DBMS）中的数据表来存储和管理空间信息，它实现了在一个公共模型框架下对矢量、栅格、不规则三角网（TIN）、网络、地址进行统一描述。由于Geodatabase数据模型具有面向对象的特性，所以其对地理空间特征的表达较之以往的模型更接近我们对现实世界中事物对象的认识和表达［10］。

鉴于以上原因，笔者决定采用Geodatabase来建立地上地下一体化的空间数据模型，以此为基础进行数据库的建立。

1.2 利用Geodatabase构建数据一体化的数据库模型

地上地下环境的空间数据包括矢量数据、栅格数据（数字高程模型DEM和数字正射影像DOM）、三维模型数据和元数据等，其中矢量数据又包含了多种比例尺、多种数据类型的数据，因而显得比较复杂。而且各个领域关注的对象又不尽相同，因此每种类型的三维地质图中有哪些专题数据应纳入图面表示范畴，目前还没有统一意见。这里仅以生成三维灾害地质图所需要的数据为例，对牵涉到的地理空间数据和地质空间数据进行了分类分析，图层名称的编码依据中华人民共和国地质矿产行业标准《数字化地质图图层及属性文件格式DZ/T 0197－1997》［11］。依据数据的性质及表达对象的不同，遵循上述图层命名规则，对地上地下数据的分类结果如表1所示。

在仔细分析各类数据的基础上，利用ArcGIS UML模板和Microsoft Visio设计了地上地下一体化的数据模型［12］，生成的地上地下一体化数据模型UML结构图如图1所示，结构图中的字段类型为Geodatabse中的字段类型。涉及到部分数据结构简述如下。

1）基础地理数据结构

基础地理数据是地理空间基础框架的核心和基础，为其他空间数据的定位提供了参考。基础地理数据主要包括自然地理信息中的地貌、水系 、植被以及社会地理信息中的居民地、交通、境界、特殊地物、地名等要素。由于基础地理数据大多是具有空间位置信息的数据，因此应该从ArcGIS UML提供的要素类（feature class）中进行派生。

图1 地上地下一体化数据模型UML结构图Fig.1 UML diagram of up and down integrated data model

2）基础地质数据结构

基础地质数据用来实现对该地区的岩相、岩性、地质构造、地质年代、相关的地质体和地质现象的表达。基础地质数据主要包括地层分界线、地层产状、地层面、断层线。基础地质数据中大部分是具有位置信息的空间数据，所以将其从ArcGIS UML提供的要素类进行派生；还有一部分与位置无关的用来对地质体或地质现象进行描述的属性数据，将其从ArcGIS UML提供的对象类（object class）直接派生。

3）灾害体数据与预防工程数据结构

地质灾害体是指那些具有潜在危险的致灾因子，是三维灾害地质图重点表达的信息。此处仅考虑了滑坡、崩塌和变形体3种灾害体。预防工程是指为了阻止地质灾害体状态的变化所采取的预防性措施，此处主要指护坡工程、库岸治理工程和抗滑桩工程等。这2类数据均具有显著的空间特征，所以将其从ArcGIS UML提供的要素类进行派生。

表1 三维灾害地质图涉及的地上地下数据分类Table 1 Classification of involved up and down data in disasters geological map

4）三维模型数据结构

基于三维灾害地质图空间分析和防治工程设计的需要，此处的三维模型仅考虑了地上地物模型、地下地质体模型、地下管线模型、地下巷道模型、其他城市部件模型（路灯、行道树、公共座椅等），随着研究的进一步深入，可以不断增加模型的种类。所有模型都统一采用的基于Geodatabase模型的多片（multipatch）格式。

将设计的模型图输出为XML文件，然后使用ArcCatalog中的数据库模式生成向导，为UML模型修改属性设置，创建基于Geodatabase的空间数据库［13］，如图2所示。

图2 地上地下一体化数据库原型简图Fig.2 Up and down integrated database prototype diagram

2 地上地下空间集成建模关键技术

2.1 地上物体建模

在进行地物建模的实际操作过程中，数据源精度、建模成本和建模效率是选择建模方法时要考虑的因素［14］。笔者根据数据特点、研究需要及建模软件的特点综合考虑后，决定采用以下的建模方案：对可以抽象为点状要素的地物利用点要素三维符号化的方法建模；对可以抽象为线要素的地物采用线要素符号化的方法进行建模；对于可以抽象为面状要素的地物，若其高度较小（如草坪）时对其进行纹理建模，高度较大时对形状比较规则的地物根据其二维数据和高度信息进行拉伸建模，结合CityEngine软件进行规则、自动建模，对复杂的、标志性的地物采用CityEngine软件进行手工精细建模。

2.2 地表模型的构建

地表模型是在地形数据、计算机三维显示技术的基础上，采取一定的方法建立地表模型，来实现对地形表面起伏的三维表达，其实现方法总体上可以分为两大类：基于分形理论的方法和基于DEM的方法［15］。分形理论采用的是递归算法，通过不断的细分和插值来建立分形的地形模型。这种方法虽然生成的地形比较漂亮美观，生成速度也较快，但其生成的地形不能很好地反映真实的地形情况，仅适用于对地形真实性要求不高的情况；而基于数字高程模型可以建立真实的地表模型，实现对地表景观的精确表达。由于本文研究的是地表和地质信息的真实表达，因此采用了基于DEM的地形建模方法。使用了Delaunay三角剖分法将不规则点集生成TIN，并在此基础上进行了地表的纹理映射。

2.3 地下空间的建模

地下空间建模包括展示地层空间结构的地层建模、人工开挖的地下隧道和巷道的建模、地下各种类型的管线的建模、地下构筑物的建模等［16－17］。本文采用面模型实现地层的三维可视化，因此如何利用钻孔资料、结合地质剖面图及专家对地质现象的解译将地层资料转化为直观的三维模型，是地层三维可视化的关键问题。本研究针对钻孔数据是既有随机性又有结构性特点的“区域化变量”，对原始的钻孔数据进行处理、分层后，对各层面的钻孔数据进行Kriging插值生成地层面，再根据得到的地层面生成其对应的TIN，然后利用基于多层TIN面的“面拉伸”方法建立地层的三维模型。

基于面拉伸扩充建立三维地层模型的原理是，在所建立的表示各地层分界TIN面的基础上，利用一个面的拉伸扩充来达到两层TIN之间的实体填充，用来拉伸的面的大小和TIN可以完全一致，事实上，常用表示TIN范围的多边形来进行拉伸，因此这种方式建立的地质体模型从外观看起来比较真实［18］。而且建立的过程比较简单，不需要预先设定面的标高。同时，其拉伸生成的地质体是一个整体，有利于对其进行分析操作，而且其格式为上文所介绍过的Multipatch，便于进行统一管理。该方法通过ArcGIS提供的三维分析工具Extruded Between来实现。图3为基于“面拉伸”构建的某地区的地层模型。

2.4 地上地下空间模型的集成

地物模型中占地面积较小的地物（路灯、树木、邮箱、报亭、休闲凳等）对地形模型的影响比较小，因此，在这些地物模型与地形模型集成时，直接将模型插入到地形模型中，不用重构地形模型，以提高效率。地物中占地面积比较大的地物，如河流、湖波、道路、建筑物等都有自己固定的边界，而且对地形的影响较大，因此，将这类地物模型与地形集成时必须考虑其对地形的影响。

由于本研究的初始地形模型是基于不规则三角网和规则格网的混合模型，因此将地物模型和地形模型集成，其本质是将地物模型的边界点插入到地形模型中去，并保留边界特征。本研究最终采用的是用地物的边界对地形进行修正的算法。其算法思想是：求地物模型的最小外界矩形MinBox及边界点集合；根据MinBox确定其所覆盖的地形表面；根据范围求其内的所有格网点和TIN顶点并删除；根据剩余的格网点和TIN顶点以及地物的范围界限，依带约束边的内插Delaunay算法重构地形模型。由于该算法的计算量不小，对于范围较大的区域可以分块进行，以提高效率。

在最终的地上地下空间三维模型中，地表模型是基于Geodatabase数据模型的TIN格式和Grid格式，地上地物模型和三维地层模型均是基于Geodatabase数据模型的Multipatch格式。而且在建模过程中考虑了地物模型对地形的影响，通过算法实现了地上地物和地形模型的集成；在利用多层TIN面“面拉伸”进行地层建模时，地形数据已参与到了三维地层模型的构建，所以，地形模型和三维地层模型也能很好地吻合。因此，本研究的建模方法所建立的地上、地表、地下模型能够很好地集成。

图4为使用本文介绍的建模方法编绘的某地区三维城市地质图。从图4上可以看出，该三维地质图能很好地表达该地区的地层空间结构及属性特征，而且实现了地层模型与地物模型的无缝集成和表达。同时，由于本建模方法得到的最终模型都是基于Geodatabase的数据格式，因此，在后期实现对三维地质图的剖切、开挖等剪切分析时，算法就比较容易。图5是使用该方法建立的某地区的三维灾害地质图以及对模型进行剪切分析的效果。

3 结语

图3 基于“面拉伸”构建的地层模型Fig.3 Stratigraphic model based on“Surface tension”

图4 以空间集成方式建立的三维城市地质图Fig.4 Three-dimensional urban geologic map established by space integrated way

图5 三维灾害地质图及其矢量剪切分析Fig.5 Three-dimensional geo-disaster geological map and vector shear analysis

本文以地上下空间集成建模的方式进行三维地质图的编绘，将地上地下空间集成建模划分为地表模型的构建、地上地物模型的构建和地下模型的构建三部分。在此基础上，采用TIN模型和Grid模型建立了地形模型，并在此技术上采用纹理映射技术将地表正射影像叠加到地形模型上，实现了地表模型的构建；充分利用现有GIS数据库中的空间数据和属性数据，采用三维符号化法、规则地物的自动建模法、复杂地物的手工建模法，实现了地上物体的建模；利用钻孔数据，并综合地质剖面图、勘察报告的信息，结合专家认识，采用多TIN之间“面拉伸”的技术实现了三维地层模型的构建，并利用三维剪切技术实现了对模型的开挖、切割等操作；并在建模过程中充分考虑的地物模型、地表模型、三维地层模型和集成问题，实现了地上下空间模型的集成显示与统一管理。实例验证表明，本文提出的空间集成方式的三维地质图的编绘方法具有一定的可行性。

然而，本方法所建立的三维地质图中，三维对象的拓扑分析与查询能力较弱，应加强拓扑关系的建立。此外，该方法对近似于层状的地层结构建模效果较好，对倒转、扭曲、断层等复杂的情况难以表达，需要进一步探索实验。

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