Geo3DML与GOCAD数据模型与转换研究
2016-07-19杨洪军杜群乐马亚飞王占刚
沙 浩， 杨洪军， 杜群乐， 马亚飞， 王占刚
(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)
Geo3DML与GOCAD数据模型与转换研究
沙浩， 杨洪军， 杜群乐， 马亚飞， 王占刚
(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)
摘要：三维地质模型数据交换格式Geo3DML已在一定范围进行试用，其制定解决了我国目前三维地质模型数据格式繁多、交换困难的问题，极大地方便了三维地质模型数据的管理与共享。GOCAD是国际上公认的主流建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发、水利工程中有广泛的应用，被众多石油公司和服务公司等用户广泛认可。通过对Geo3DML标准格式和GOCAD数据格式进行对比分析研究，实现了基于Geo3DML标准的三维地质模型数据与GOCAD三维地质模型数据的相互转换，对于进一步实现三维地质模型数据的共享和集成管理具有重要意义。
关键词：三维地质模型；交换格式；Geo3DML；GOCAD；共享
0引言
目前，三维地质建模技术的发展日趋成熟，在地质工作中的应用越来越广泛。三维地质建模是一项专业性强、复杂度高的工作(李青元等，2015)，不同建模软件所建的三维地质模型数据格式差异较大，三维地质模型数据的集成管理与共享服务将成为需要面对和解决的问题。
我国自2010年9月开始启动相关研究，通过系统调研国内外相关标准和三维地质空间数据模型，解剖典型三维地质建模软件数据模型与数据结构，研究提出了三维地质模型数据交换格式Geo3DML，目前已作为行业标准开展试运行推广工作。
GOCAD作为石油、地质、物探、采矿等行业的标准三维地质建模软件，自1989年GOCAD研究计划提出，经10年发展，软件正式发行，由于其强大的三维模型构建和分析功能被广泛应用。与其他软件比较，GOCAD实现了通用地球模型所设想的功能，在数据结构、工作模式和功能设置方面都实现了真三维化，提供了非常全面的三维空间分析支持；它采用的三维矢量拓扑数据模型，能够分析三维空间对象的拓扑关系，进行复杂曲面的交叉和切割等空间关系计算，同时拥有完善的地质统计分析功能等(童亮等，2009；邵国波等，2010；江二中，2013；王明，2013；赵增玉等，2014)。所以，通过GOCAD生成的三维地质模型被广泛应用于各行各业，在目前的三维地质建模领域占有重要的地位。
实现Geo3DML与GOCAD数据格式的转换，能够进一步扩大GOCAD三维地质模型的应用范围，同时对于三维地质模型数据的集成管理和共享具有重要意义。
1Geo3DML的整体思路
中国地质调查局通过调研现有的三维空间数据模型、三维地质空间数据模型、三维地质建模方法(武强等，2004；屈红刚等，2008；刘振平，2010；明镜，2011)和三维地质软件，解剖典型建模软件及其数据模型，以及产、学、研单位全程参与研讨和试验，定义了一种面向交换的通用三维地质空间数据模型Geo3DML，并在复用现有国内外相关标准的基础上进行适当扩展，利用XML将该数据模型规范化地定义为数据交换格式。因此，各建模软件支持该交换格式，地质调查项目在提交建模成果时，就可以提交基于该格式的建模成果，模型数据就可以进行集成应用和共享，并实现建模软件之间的互联互通。
Geo3DML遵循实用开放、与三维地质建模软件无关、采用已有国内外相关标准作为基础标准的原则，基于XML设计而成，标准编写遵循了《标准编写的基本要求》(GB/T1.1—2009)。Geo3DML将三维地质模型定义为“地质现象及地质现象之间的关系在三维空间中的表达”，规定了三维地质模型数据交换的数据组织层次结构与模型中空间几何数据、属性描述数据、三维可视化数据的存储格式。Geo3DML既可作为数据交换的公共文件格式，也可支持模型数据的数据库存储和网络环境下的共享服务(多维地质建模与分析技术研究项目组，2014)。
Geo3DML规定了常用的三维地质体表达方式，提供开放的扩展机制，支持以三维点、线、面、体、体元、注记等对象表达的三维地质模型数据的交换，支持不同地质领域(如基础地质、水文地质、工程地质、环境地质、矿产与能源等)的三维地质模型的交换；通过合理的抽象，支持常用三维地质结构模型和属性模型的统一表达，并为三维钻孔、剖面、地质图以及三维模型等的表达和数据组织提供统一手段。
2 Geo3DML的框架结构与主要模块
2.1框架结构
Geo3DML按照数据和显示相分离的原则设计了数据组织的层次化框架结构(图1)，将被交换的地质模型数据划分为两部分，即描述地质体及其关系的空间数据(含属性信息)地质体的三维可视化数据。
图1 Geo3DML数据组织结构示意图(据DD 2015-06)Fig.1 Framework of Geo3DML data structure(after DD 2015-06)
地质模型(GeoModel)、地质要素类(GeoFeatureClass)与地质要素(GeoFeature)描述地质体及其关系。地质要素是地质体的抽象；地质要素类是同类型地质要素的集合，即集合中的地质要素具有相同的属性结构；地质要素类的集合为地质模型。地质要素之间可能存在特定的关系(如地质关系、空间关系等)，这些关系记录在地质模型中。地质要素之间的关系可跨地质要素类存在。
三维地质图(Geo3DMap)、三维图层(Geo3D-Layer)以及三维样式(Geo3DStyle)记录地质模型对应的三维可视化数据，并以三维图层为基础构建可视化场景。三维样式对应于将地质要素以图形化方式表现时所需的比例尺、图例符号等可视化参数，以OGC符号编码规范(SymbologyEncoding,SE)标准为基础，提供了按地质要素的属性匹配渲染参数的机制。而三维图层则起到了将地质要素类中地质要素与候选的渲染参数关联起来的作用，并可关联来自不同地质模型中的地质要素类。1个三维图层服务于1个地质要素类中地质要素的三维可视化操作，多个图层的可视化结果组合起来形成三维地质图。同一个三维地质图中的三维图层可引用来自不同地质模型中的要素类，即三维地质图与地质模型可以存在不是一一对应的情况。
从空间模型的表达来看，钻孔是对地质体的一维线性空间认知，地质图、地质剖面等是对地质体的二维断面空间认知，三维地质模型则是对地质体的全空间地质认知，因此，Geo3DML可以统一表达钻孔(柱状图)、地质剖面/地质图和三维地质模型。
为了方便以XML文档记录交换数据的整体，设计了三维数据包(Geo3DProject)作为模型数据的XML根节点。三维数据包由地质模型及其对应的三维地质图组合构成。
Geo3DML利用XMLSchema语言给出上述框架的规范化定义。
2.2主要模块
2.2.1地质要素模块地质要素记录了地质体的几何及非几何属性。几何数据表达复用了OGCGML(GeographyMarkupLanguage)的空间数据结构。Geo3DML支持GML规范定义的几何数据结构(仅指非拓扑几何数据)和空间覆盖(Coverage)数据结构，同时根据地质应用需要，对其进行了扩展(详见下文几何数据模块)。地质要素之间的关系则参考GeoSciML的方式将其定义为有方向的关联关系。与GeoSciML将地质要素之间的关系定义为二元关系(单个源地质要素与单个目标地质要素)不同，Geo3DML定义地质要素之间的关系是单个源地质要素与多个目标地质要素之间的关系(图2)。这种定义能简化用于描述地质要素之间关系的数据结构(DD2015-06)。
图2 地质要素之间的关系(据DD 2015-06)Fig.2 Relationship among the geological features (after DD 2015-06)
按照抽象、简单、实用的原则，Geo3DML定义了一种开放式的地质要素数据编码方式，允许依据应用的实际需求定制地质要素的非几何属性。对于非几何属性的定制，主要是指定义其结构，即地质要素的属性名及属性值类型。采用OGCSWE(Sensor
WebEnablement)的CommonDataModelEncodingStandard标准中定义的DataRecord来定义地质要素的非几何属性结构，该结构在GML标准中也被用于定义覆盖要素(Coverage)的非几何属性结构，出于尽量复用已有标准的考虑，Geo3DML也采用了该数据结构。Geo3DML支持SWE规范定义的AbstractDataComponent数据类型。
涉及地质术语的非几何数据属性值应遵循《地质矿产术语分类代码》(GB/T9649—1988)等相关标准。非几何数据属性结构的定义源自其所属的地质要素类。
2.2.2几何数据模块Geo3DML支持GML规范所定义的几何数据(AbstractGeometry)以及AbstractCoverage等几何数据结构。包括常用的结构如点(Point)、线(LineString)、面(Surface)和体(Solid)等。在此基础上，Geo3DML对AbstractGeometry或其子类型进行扩展，定义了不规则三角网(GeoTIN)，相同多面体体元组成的体(GeoVolume)及其四面体体元组成的体(GeoTetraVolume)、规则六面体体元组成的体(GeoCuboidVolume)、角点网格(GeoCornerPointGrid)，可变换规则格网(GeoGrid)5种几何数据(图3)。为了减少转换后的数据量，Geo3DML支持采用OGC定义的二进制数据格式规范WKB(WellKnownBinary)存储几何数据(DD2015-06)。
图3 几何数据结构(阴影部分为Geo3DML扩展部分；据DD 2015-06)Fig.3 Geometry data structure of Geo3DML(Types in dark backgrounds are Geo3DML extensions； after DD 2015-06)
2.2.3属性场数据模块属性场数据是真三维地质建模与应用中的重要数据，可用来研究分析地质体内部的非均质性。Geo3DML属性场模型用于描述沿几何对象所在空间分布的地学属性场信息，如分布于某曲面的顶点集合中的地学属性。几何图形中可承载属性的位置包括顶点(Vertex)、棱(Edge)、面元(Face)以及体元(Voxel)。
按GML规范，场数据可采用覆盖(Coverage)数据结构表达。按此数据结构，属性场是一个由空间位置向属性值的映射，空间位置是定义域，属性值是值域。Geo3DML定义了GeoDiscreteCoverage作为对GML的AbstractDiscreteCoverage的扩展，支持设置属性场定义域所属的超集，如定义域可能是某几何对象的顶点(或棱、或面元、或体元)集合的子集。(DD2015-06)
2.2.4可视化参数Geo3DML沿用OGCSE规范的设计思想并以其为核心，同时参考OGCSLD(StyledLayerDescriptor)、OGCCityGML、ISOX3D参数编码格式。图4描述了Geo3DML可视化参数模块的UML框架结构。
图4 可视化参数UML框架结构图(阴影部分为Geo3DML扩展部分；据DD 2015-06)Fig.4 Visualization parameter framework of Geo3DML in UML(Types in dark backgrounds are Geo3DML extensions; after DD 2015-06)
为满足3D可视化的要求，Geo3DML对OGCSE规范进行了扩展，定义了点参数(GeoPointSymbolizer)、线参数(GeoLineSymbolizer)和曲面参数 (GeoSurfaceSymbolizer)的结构。扩展的内容主要是在SE规范相应对象的基础上增加了3D可视化的光照、材质与纹理参数。Geo3DStyle可以直接引用预定义的地质要素可视化参数(存放在可视化参数库中)。
此外，Geo3DML研制中还参考了OGC正在研究的W3DS(Web3DService)、SE-3D(3D-SymbologyEncoding)规范，这使得Geo3DML未来能较好地实现对新规范的兼容与复用(DD2015-06)。
2.2.5地质模型元数据Geo3DML定义三维地质模型的元数据信息是直接以《地理信息数据》(GB/T19710—2005)和《地理信息元数据XML模式实现》(GB/Z24357—2009)为基础，增加了建模工具的信息、模型来源和模型描述等相关信息项(DD2015-06)。
3GOCAD三维地质模型与数据类型
3.1构成框架
GOCAD三维地质模型数据将几何数据与可视化数据组织在1个文件中，整个三维地质模型数据的构成如图5所示。
图5 GOCAD数据组织结构示意图(据DD 2015-06)Fig.5 Framework of GOCAD data structure(after DD 2015-06)
地质模型用来描述地质体及其关系。地质要素是地质体的抽象，地质要素之间可能存在特定的关系(如地质关系、空间关系等)，这些关系记录在地质模型中。地质要素之间的关系可跨地质要素类存在。上述特征基本与Geo3DML相同，只是GOCAD将可视化信息与地质要素组织在一起，在描述具体的地质要素之前都会先给出其对应的可视化参数，同时包括描述其相关地质属性的信息，如地层年代，地质体类型等。地质要素用来表达具体的地质对象，它们之间通过特定关系可以还可以创建具体的地质要素。
3.2主要模块
3.2.1地质对象GOCAD数据能够表达的地质对象类型丰富，主要包括PointSet、Curve、Surface、Solid、Voxet、SGrid、Well、Group、Channel、2D-Grid、X-Section、Frame、Model3D等类型。其中Well能够表示地质中的钻孔，Model3D可以表示复杂的地质体。因为GOCAD数据格式是基于对象(类型)的，所以一些定义类也存在继承关系，例如，TSuf继承自Atomic，而Atomic继承自GObj，故TSur拥有Atomic和GObj的所有元素。
3.2.2几何数据类型同大多数三维地质模型数据一样，GOCAD数据中对于几何类型的支持也是多样化的。除了支持基本的点(PointSet)、线(PLine)、面(Surface)、体(Model3D)，同样支持Geo3DML中包括的不规则三角网，相同体元组成的体(TSolid)，可变换规则网格(Grid3D)等多种几何数据类型。
3.2.3属性场GOCAD中属性场类型丰富，如Surface的属性类型包括Graphic、Property、Advanced、Constraints、Contours、Texture、Gridding、Info等，每类属性又包含一些具体内容。几乎所有的GOCAD数据对象都能够承载多种类型的属性信息，这些信息可以记录在模型文件中，亦可以存放在外部的以ASCII或二进制存储的文件中。如果是外部的文件，则需要正确设置引用的外部文件的类型、单位等信息。如：
PROPERTY1 ″Seismic″
PROP_UNIT1 ″″
PROP_FILE1 /tmp/seismic.nohdr
PROP_ESIZE1 4
PROP_ETYPE1IEEE
引用的外部文件格式：
ASCII_DATA_FILEfilename
xyzp1p2p3 ..flaguvw
其中，filename指定文件名，x、y、z为声明节点的坐标，p1、p2、p3为对应位置的属性值，flag明确节点的连续性，u、v、w为声明节点的索引。
3.2.4可视化参数GOCAD数据中的可视化参数信息则比较单一，除了给出每个地质对象对应的颜色信息外，几乎不包含其他可视化信息。在GOCAD数据格式中，地质对象的颜色信息通常用关键字“*solid*color”给出。
4两种格式的对比与转化
4.1对应分析
GOCAD数据格式将可视化信息和几何数据集中组织，只需要单个数据文件就可以表达一个完整的三维地质对象。支持的属性类型也比较丰富，几乎所有的数据结构都能够承载属性信息。
Geo3DML是一种规范的数据格式。需要运用统一的XML格式来存储数据，并且将可视化信息与几何数据分离，通过1个工程文件将2者进行关联，所以，相比GOCAD单个文件表达的地质对象，Geo3DML至少需要3个XML文件才能够实现。而且相比GOCAD数据格式，Geo3DML能够支持的属性类型有限，能够承载属性信息的几何数据结构主要集中为体元数据和规则网格数据。
虽然GOCAD数据格式和Geo3DML在数据组织和管理上采取的策略不同，但2者都主要由几何信息、属性信息和可视化信息3部分构成，而且在几何数据类型和数据结构方面具有很多对应关系，如表1，这为2者之间的转换奠定了基础。
表1 GOCAD数据格式与Geo3DML对应的
4.2转化实现
转换实现的规则是在2种数据格式中找到具体的应关系，将GOCAD中的数据正确地存储到与Geo3DML对应的数据结构中，或者是将Geo3DML中的数据正确地放置到GOCAD对应的数据结构中。
4.2.1地质对象GOCAD中能够表达的地质对象在Geo3DML中几乎都能找到，所以2者之间的转换在对象这个层面上是完全可以实现的。GOCAD数据格式在文件开始处就会给出所要表达的地质对象类型，如：
GOCADModel3D1
表明该模型对象类型是Model3D
通过获取GOCAD数据格式中的这一信息可以建立与之对应的Geo3DML对象类型。Geo3DML中所有的地质对象都需存储在Model中：
…
存储具体的地质对象
< /GeoModel>
4.2.2几何数据类型点、线、面是几何数据中基本的数据类型，这3者在GOCAD和Geo3DML中都存在，其中GOCAD和Geo3DML中对于点的表示通过直接引用点的坐标实现。但是对于线的表示，GOCAD则是先给出具体点的坐标和ID，通过引用点的ID来表示不同的线段，在这一点上，Geo3DML与GOCAD不同，Geo3DML仍是给出每条线段具体的点坐标来表示线段。在面的表示格式上，Geo3DML则采用了与GOCAD相同的方式，先给出具体的点坐标和ID，再给出具体的拓扑关系表示指定的三角网。需要指出是GOCAD中点的ID从1开始，Geo3DML中从0开始。
例：GOCAD中三角网的格式如：
VRTX1 524960.630 3327182.670 540.000
VRTX2 524960.630 3327182.670 -19.999
VRTX3 524960.630 3327182.670 -629.999
TRGL1 2 3
转换为Geo3DML标准后的格式：
(Gocad2.0.8.chm)
Model3D是GOCAD中比较灵活的一种数据结构，它既可以表示复杂的三维地质体，也可以表示简单的地质曲面。这主要是因为Model3D内部的地质要素间可以建立关系，根据具体的要素关系可以创建具体的地质要素，得到的新的地质要素还可以被应用到一种新的关系中去创建地质要素。这一特点和Geo3DML中具有的FeatureRelation几乎相同，能够根据具体需要建立具体的关系类型，并通过已经创建的多个GeoFeature来组建一个新的GeoFeature。所以Model3D的转换首先是进行基本的点、面的转换，然后记录GOCAD数据中地质要素间的关系，GOCAD中的要素关系也是通过ID的形式表现的，这使得它向Geo3DML的转换变得更容易，如：
REGION60H3b_2
+4+26-33-40+100
REGION61H0b_1
-9-15+51+47-160
REGION62H3b_1
-10-42+46+19-540
LAYERH1b
60620
REGION是由TFACE构成，每个REGION下面出现的数字代表构成它的TFACE的ID，“+”、“-”号代表TFACE面的朝向，以数字“0”作为单个REGION的结束标志。
LAYER是由REGION构成，每个LAYER定义下面都会给出组成它的REGION的ID，同样以数字“0”结束。
在Geo3DML中建立与TFACE对应的GeoFeature，并设置同GOCAD中相同的ID，通过FeatureRelation建立要素与要素之间的关系创建出具体的要素，如：
首先是建立关系对象，包括关系的类型、ID、名称等，上例中关系类型为BoundaryRelation。接着设置SourceRole，相当于GOCAD中的REGION，即需要创建的地质要素。AddTargetRole作用是添加组成SourceRole的GeoFeature，等同于GOCAD中每个REGION下面的TFACE的ID。LAYER在Geo3DML中的建立同上。
GOCAD中的Tsolid是一种由四面体体元组成的体，在GOCAD数据格式中需要首先给出组成Tsolid的所有点坐标，然后依次给出组成每一个四面体的点的ID。这一特点和Geo3DML中的GeoTetraVolume完全一致，转换方法和规则与点、线、面相同。
其他几何数据类型的转换也都遵循上述原则，通过建立几何数据之间的对应关系，将GOCAD中的数据合理地放置在Geo3DML数据结构中。
4.2.3地质属性GOCAD数据格式包含一些地质属性信息，常见的如：
GEOLOGICAL_TYPEfault
STRATIGRAPHIC_POSITIONagetime
GEOLOGICAL_TYPE表示地质类型，STRATIGRAPHIC_POSITION表示年代地层单位。Geo-3DML可以自定义地质属性标签，所以只要根据GOCAD中获取的地质属性类型在Geo3DML中建立对应标签并赋予属性值即可，例GEOLOGICAL_TYPEfault在Geo3DML中表示如下：
4.2.4可视化参数GOCAD中的可视化参数比较简单，基本只包含颜色信息，所以转换相对简单。首先获取GOCAD数据中某地质要素下*solid*color关键字给出的颜色信息，由4个数字组成，前3个分别代表RGB值，最后一个代表透明度信息。将获取到颜色信息存储在Geo3DML中的可视化参数结构中，并建立与该地质要素之间的关系即可。
如GOCAD中一段数据：
GOCADTSurf1
HEADER{
*solid*color:0 1 1 1
name:model_1
}
其中*solid*color关键字给出了名称为model_1的地质对象的颜色信息。
转换为Geo3DML格式如下：
4.2.5属性场GOCAD数据具有丰富的属性类型包括数值类型和非数值类型，Geo3DML中的属性信息类型主要为Float、Double、Char、Int等数值类型，而且基本上只有体元数据和规则网格数据能够承载属性信息。所以在属性转换方面比较复杂，目前仅支持体元几何数据类型和规则网格数据类型转换。只需要在体元几何数据转换的基础上，将属性信息获取并存入Geo3DML体元数据结构中即可。
4.3信息损失说明
GOCAD数据格式中属性数据定义多样化，对于Geo3DML中不支持的属性类型则无法完成转换，只能进行对应几何数据的转换，从而导致属性信息丢失。而且GOCAD数据格式中还包含BSTONE、BORDER等无法在Geo3DML中找到对应结构的信息，这些信息在转换过程中也会丢失，但是不影响整个三维地质模型的结构和可视化效果。
4.4效果展示
2种格式对比与转换的效果展示见图6—图9。
图6 三维模型中的钻孔数据Fig.6 Drill data in 3D geological model(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software
图7 三维模型中的剖面数据Fig.7 Section data in 3D geological model(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software
图8 三维模型数据-1Fig.8 3D geological model data-1(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software
图9 三维模型数据-2Fig.9 3D geological model data-2(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software
5结论
(1) 对Geo3DML标准与GOCAD数据格式进行对比分析，得出了二者进行转换的可行性，并就转换的具体细节进行了研究。
(2) 通过建立Geo3DML与GOCAD主要模块之间一一对应的转换关系，实现了GOCAD三维地质模型数据与基于Geo3DML标准的三维地质模型数据的互转换。
(3) 实例验证取得了较好的效果，这对于进一步推广Geo3DML标准、扩大GOCAD三维地质模型数据的应用范围以及三维地质模型数据的集成管理和共享都具有重要意义。
参考文献：
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Data models of and data transformation between Geo3DML and GOCAD
SHA Hao, YANG Hongjun, DU Qunle, MA Yafei, WANG Zhangang
(CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)
Abstract：A data conversion format(Geo3DML)of three-dimensional modeling developed by China Geological Survey has been finished and tried out in a certain range. Geo3DML (3D Geological Model Markup Language) has been proposed to solve the problem of three-dimensional model data formats and transformation difficulty, which brings great convenience to data management and data sharing. GOCAD has been recognized as a major modeling software, and has thus been widely applied in geological engineering, geophysical exploration, mining development and water conservancy projects and also recognized by many oil corporations and service companies. With comparative analysis of Geo3DML data and GOCAD data, this work realized the interconversion between Geo3DML 3D geological model data and GOCAD 3D geological model data. The result will be of great significance for the further realization of data sharing and integrated management of 3D geological model.
Keywords：3D geological model; format interchange; Geo3DML; GOCAD; sharing
doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.293
收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-01-18；编辑：陆李萍
基金项目：中国地质调查局地质矿产调查评价专项(1212011120446)，国家自然科学基金项目(41202238), 国家科技支撑计划课题(2012BAB11B01)
作者简介：沙浩(1990—)，男，硕士研究生，地质工程专业，E-mail： mmhgch@163.com
中图分类号：P628+.5
文献标识码：A
文章编号：1674-3636(2016)02-0293-010
