基于ArcGIS的三维地层建模方法

刘林贵 刘高扬

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

·岩土工程·地基基础·

基于ArcGIS的三维地层建模方法

刘林贵 刘高扬

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

基于多层DEM地层建模思路，总结了在ArcGIS中利用钻孔数据生成地层分界面TIN模型来实现三维地层建模及可视化的一般方法，建模实例表明，该方法简单、高效，可以快速建立层状地质体的三维可视化模型，可以为类似的工程提供参考。

ArcGIS，地统计分析，三维地层模型

0 引言

近年来，三维地质建模技术越来越多地应用于岩土、采矿、城市建设等工程中[1]。由于三维地质模型可以直观地表达研究区域内地质体的空间形态，可以克服传统二维地质分析的不足，使地质分析更加直观准确，对工程决策和科学管理有着重要的辅助作用。目前，三维地质建模及可视化大多是借助Visual C++和OpenGL从底层开始编程实现[2]，这需要建模人员由底层的三维数据模型开始构建，建模难度大、周期长，费时费力，而且建模效果受开发人员编程水平的限制。而随着GIS技术的发展，成熟GIS软件可以较好地实现地表形态及地面物体(如树木、建筑物等)的三维可视化，并且出现了描述三维空间要素的数据格式(如ArcGIS的Multipatch)。不少学者对利用ArcGIS实现地质体的三维可视化进行了研究。张凯选、武文波等提出了在ArcGIS环境下基于多层TIN模型建立地质体的方法和基于面拉伸扩充建立地质体的方法，并分析了两种方法的优缺点[2]；高寿峰、李亚等提出了基于Kriging方法的三维地质体构建方案，并在ArcGIS 10平台上加以实现[3]；张振远、李晓军利用ArcGIS软件的Extrude Between,Union,Merge等工具，建立了某隧道的三维地质模型，较好地反映了地层不连续现象，并利用Intersect 3D工具实现了地层模型的剖切分析[4]。本文基于多层DEM建模思路，总结了利用ArcGIS实现层状地层模型三维建模及可视化的一般方法，并结合实例分析了利用该方法实现地层三维可视化的优势。

1 三维地层多层DEM建模

三维空间数据模型的选择与构建是实现地层三维建模及可视化的核心。目前的三维空间数据模型可归纳为基于面表示的模型、基于体表示的模型和基于混合表示的模型三大类[5]。基于面表示的模型采用构造三维空间表面的方法来表达三维地质体，具有便于显示和数据更新的优点，但是缺少地质实体的内部属性记录，空间查询与分析困难。基于体表示的模型用体元信息代替表面信息来描述三维空间对象的内部，可以表达空间对象的内部信息，易于进行空间操作和分析，但是其存储空间占用大，计算速度也较慢。基于混合表示的模型的目的就是综合面模型和体模型的优点，取长补短，是三维地质建模的一个主要发展方向。虽然存在无法表达内部属性信息及空间分析困难等缺点，但基于面表示的模型建模理论成熟，容易实现，是三维地层建模的主流方法。其中，基于面模型的多层DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)建模利用DEM来模拟各个地质分界面，已达到对地层构模的目的。其建模实施过程为：将建模区域内的地层进行分层、划片处理；选用合适的空间插值方法对同一地层界面上的采样点进行插值加密；根据地层属性对多层DEM进行处理，形成严格按岩性或其他特性进行划分的三维地层模型骨架结构；引入特殊地质现象，形成三维可视化模型。DEM可以是规则格网(Grid)，也可以是不规则三角网(TIN，Triangulated Irregular Network)。

2 基于ArcGIS的三维地层可视化

基于多层DEM建模思想，利用ArcGIS地统计分析模块(Geostatistical Analyst)对钻孔数据进行插值，得到地层厚度在整个建模区域内的估计值，然后生成各地层分界面TIN模型，拉伸即可获得研究区域的三维地层可视化模型。建模的一般过程如下：

1)钻孔数据准备。将建模区域内的钻孔以点要素的形式导入到ArcGIS空间数据库中，添加地层编号、地层厚度、地层顶底面高程等字段，从钻孔柱状图和地质剖面图中提取数据录入到钻孔数据表里。

2)钻孔数据插值。以地层厚度为区域化变量，在ArcMap中对其进行地统计分析，选择合适的空间插值方法得到整个建模区域内的地层厚度。

3)创建地层分界面。将地层厚度插值结果转化为栅格数据格式，通过栅格运算修正插值结果并得到地层分界面处的高程栅格数据集，利用高程栅格数据创建地层分界面TIN。

4)生成三维地层模型。使用TIN Domain工具得到地层分界面TIN的覆盖范围，再利用Extrude Between工具在相邻TIN之间拉伸即可得到一个地层的三维实体模型，依次建立各地层的三维实体模型，合并在一起并添加属性信息即可得到研究区域的三维地层模型。三维地层建模流程见图1。

3 建模实例

某露采矿山地质构造简单，地层地质年代从上到下依次为第四系地层、下石炭统、中泥盆统、上震旦统等，岩性主要为白云岩、磷块岩、砂岩、页岩及粘土岩。利用钻孔数据和地质剖面图数据，按照上述建模流程在ArcGIS中建立该矿山的三维地层可视化模型如图2所示。

由建模实例可知，利用本文的方法实现三维地层建模及可视化，可以充分利用ArcGIS强大的数据分析和可视化功能，可以选择多种方法进行钻孔数据的插值，地层分界面TIN模型的生成也很方便，可以实现地层分层显示、属性查询等操作，地层模型的应用扩展也比较容易。利用ArcGIS实现三维地层模型的可视化，避免了编程上的困难，可以得到满足要求的三维地层模型是一种简单、快速、高效的三维地层可视化方案。

4 结语

本文总结了利用ArcGIS建立三维地层可视化模型的方法，并给出了建模实例。该方法思路清晰、易于理解、操作方便，是一种简单高效的地层可视化方案，可以为类似工程提供参考。本文的地层可视化方案适用于简单的层状地层，对于断层、透镜体等复杂地质构造建模这一三维地质建模领域的难点问题则需要做进一步研究。

[1] 王明华，白 云.三维地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础，2006,20(4)：68-70.

[2] 张凯选，武文波，白云峰，等.基于ArcGIS的地质三维可视化[J].辽宁工程技术大学学报，2007,26(3)：345-347.

[3] 高寿峰，李 亚，杨 欣.基于Kriging方法的三维地质体构建[A].第十四届华东六省一市测绘学会学术交流会[C].2012:170-173.

[4] 张振远，李晓军.某隧道地层模型的ArcGIS实现[J].中国水运，2013,13(3)：115-116.

[5] 程朋根，文 红.三维空间数据建模及算法[M].北京：国防工业出版社，2011.

3D strata modeling based on ArcGIS

Liu Lingui Liu Gaoyang

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Based on the 3D strata modeling method of multi-layer DEM, the general workflow of building the 3D visualized strata model with borehole data generating TIN model of different stratum surface in ArcGIS is summarized. The modeling instance shows that this method is a simple and effective way to obtain the 3D strata visualized model, and could offer reference for similar engineering.

ArcGIS， geostatistical analyst， 3D strata model

2015-02-09

刘林贵(1988- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)12-0055-02

P642

A