三维地理信息系统在岩层产状测量的应用

韦国舒

（宾阳县自然资源勘测设计院有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

在地质勘探和地质灾害防治等领域中，岩层产状是一个非常重要的内容。通过岩层产状测量，可以获得岩层的结构和变形等信息，对于勘探和防治工作具有重要的指导意义。目前，随着科技的不断进步和高精度测量技术的普及，三维地理信息系统被应用于岩层产状测量中，取得了令人瞩目的成果。本文旨在探讨三维地理信息系统在岩层产状测量中的应用，通过对其理论基础、现状和应用案例的分析，揭示其优势、局限性和未来发展方向。有望为岩层产状测量的理论和技术水平提供新思路或借鉴，为地质勘探和地质灾害防治等领域的研究和实践提供支持或指导。

1 三维地理信息系统基础

1.1 三维地理信息系统的概念和特点

三维地理信息系统是指将空间数据、属性数据和分类数据有机结合，以三维模型为基础，实现对地球表面及其内部信息的收集、管理、分析和展示的系统。与传统的二维地理信息系统相比，三维地理信息系统具有精度高、直观性强、数据量大等特点。同时，三维地理信息系统还具有良好的可扩展性和普适性，为不同行业和应用领域提供了强有力的技术支持。近年来，众多研究者将三维地理信息系统应用于地质勘探、城市规划、资源管理等领域，取得了显著的应用效果[1-2]。

1.2 三维地理信息系统的技术框架

三维地理信息系统的技术框架主要包括视觉化技术、空间数据采集、空间数据处理、空间数据管理和空间数据分析等部分。视觉化技术主要是将空间数据以三维模型的形式进行可视化呈现，并且需要实现基础图形、光照、阴影、透视、着色和透明等效果，以保证数据的可视化效果。空间数据采集部分涉及诸如GPS、激光雷达和摄影测量等技术，用于获取三维空间数据信息。空间数据处理主要是将采集获得的空间数据进行加工处理，包括点云处理、三角网格生成和模型拟合等。空间数据管理则是通过数据库技术对空间数据进行组织、分类、查询和更新等操作，以支持数据共享和数据交互等需求。空间数据分析的主要目的是为了从空间数据中提取有用的信息和知识，以支持科学决策和应用研究。随着机器学习和深度学习等技术的发展，基于这些技术的空间数据分析在三维地理信息系统中也将得到广泛应用。总之，三维地理信息系统的技术框架涉及的技术手段较多，需要综合考虑应用需求和用户使用习惯，以更好地发挥其效能和价值。

1.3 三维可视化技术的理论基础

三维可视化技术是三维地理信息系统中的一个重要方面，主要用于将空间数据以三维模型的形式进行可视化呈现。其理论基础主要包括计算机图形学、视觉感知和数据可视化等方面。计算机图形学是三维可视化技术的基础，包括基础图形绘制技术、几何变换技术和光照模型等。视觉感知则是影响三维可视化技术实现的一个重要因素。在三维场景中，人们通过视角、观察距离、透视等视觉感知方式感知场景，因此在三维可视化技术中需要考虑这些影响因素。而数据可视化则是将大量的数据进行可视化展示的一个重要技术，主要目的是为了通过图形图表等方式提高用户对数据的理解和分析能力，从而更好地支持科学决策和应用研究。综上所述，三维可视化技术的理论基础比较复杂，需要综合计算机图形学、视觉感知、数据可视化等多个方面的基础知识，才能更好地实现空间数据的可视化呈现。

2 岩层产状测量现状

2.1 岩层产状测量的意义和方法

岩层产状测量是指通过一定的测量手段和方法，对岩层结构、倾向、倾角、强度、节理、裂隙等产状特征进行研究和描述的过程。岩层产状测量是岩土工程领域中极为重要的一项工作，对于岩石工程设计、开采和施工具有重要的意义。岩层产状的测量可以帮助工程师了解岩层的性质和力学行为，提供有价值的信息并指导实际工程的设计和施工。岩层产状测量的方法根据工程目的及岩层条件的不同，可分为现场测量方法和实验室测量方法两种。现场测量方法主要采用传统的实地测量和静力观测技术、程序化、高清晰度摄影技术、激光扫描技术和地面雷达等技术，可以快速准确地获取岩层的产状特征。实验室测量方法主要采用标准化试验和模型实验等方法，可以对大尺度复杂的构造进行较为全面的调查和分析。总之，岩层产状的测量具有重要的实际意义，不仅是岩土工程领域中必要的一项技术，也是保障工程安全和减轻对环境的不良影响的重要措施。

2.2 岩层产状测量中存在的问题和挑战

岩层产状测量是指测量岩石中的产状和构造要素，这是地质学研究中的一个重要领域。在地质勘探、煤炭开采、大坝建设、隧道掘进等实际工程中，进行岩层产状测量是必不可少的。尽管岩层产状测量技术发展迅速，但仍然存在不少困难和挑战。首先，岩层产状测量需要进行现场测量，受现场环境所限存在一定难度。在山区、沙漠等复杂地形区域，地形环境不仅较为复杂，而且往往无法进行水准测量，因此定点测量较为困难。此外，测量过程中还受到时间、天气、环境等因素的影响，这些因素都会影响到测量的准确度和精度。其次，岩层产状测量所需的设备和仪器技术比较高端，价格昂贵，而岩层产状测量还需要综合运用多种设备和方法，例如，经常会使用立体测量仪、GPS 定位设备和无人机等现代测量技术进行测量，这些设备的使用需要专业技术人员进行操作，技术含量高，测量难度大。再次，岩层产状测量还存在着数据处理、数字建模等方面的问题。一方面，由于岩层的物理特性具有空间异质性，因此测量数据具有不确定性和误差，需要采取质量控制措施，确保数据的可靠性和精度。另一方面，由于数据量庞大，测量工作后需要进行数据处理和数字建模，此时需要运用GIS、CAD、建模软件等技术，需要较强的计算机技术和数据分析能力。最后，对于岩层产状测量工作的相关人员，需要具备较强的实际操作能力和实践经验。他们还需要对相关的地质学专业知识和现代测量仪器技术进行掌握，并能够灵活应用。此外，还需要进行不断的学习和知识更新，以适应新技术、新领域的发展变化[3]。

3 三维地理信息系统在岩层产状测量中的应用内容

3.1 岩层产状测量的数据处理

岩层产状测量是岩石工程中重要的一项工作，其中数据处理是关键环节。传统的数据处理方法主要基于二维手绘图方法，效率低、准确性差，并不能满足现代工程的需要。而三维地理信息系统（GIS）则是目前处理和管理空间数据的最佳技术手段之一，取得了广泛的应用。在岩层产状测量中，三维GIS 技术可以通过数据输入、处理、分析、可视化等重要环节，实现岩层产状数据的快速、准确、高效处理。以下将对三维GIS 在岩层产状测量数据处理中的应用进行详细叙述。岩层产状测量数据的输入包括测量数据和地理坐标数据两个方面。测量数据包括岩层倾向、倾角、节理、裂隙等参数，而地理坐标数据则包括地图和地形等数据。三维GIS 技术可以通过数据投影、格式转换等方法将这些数据整合到GIS 中。数据处理和分析是三维GIS 技术在岩层产状测量中的重要应用。在数据处理方面，通过三维可视化技术，将二维平面数据转化为三维数据，并进行三维建模。在数据分析方面，可以通过地理空间数据挖掘和地图测量等方法，对数据进行深入分析，提取关键参数，形成产状分析报告。三维GIS 技术的可视化功能是岩层产状测量中应用最为广泛的环节。通过三维可视化技术，可以将岩层产状数据准确地呈现在三维虚拟空间中，实现数据可视化。此外，三维可视化技术还能够进行立体交互和模拟，使得用户能够直观而快速地掌握岩层的产状信息，明确工程地质问题和风险点。

三维GIS 技术在岩层产状测量数据处理领域中有着广泛的应用前景，通过提高数据处理和分析效率，降低数据处理成本、比较岩层的稳定性、可行性等，三维GIS 技术发挥了重要的作用，并将促进岩层工程领域的快速发展。

3.2 三维建模与可视化

三维建模与可视化是三维GIS 技术在岩层产状测量中的重要环节，能够将二维的产状数据转化为完整的三维建模模型，通过三维可视化技术将其呈现在虚拟的三维空间中，以便用户直观而准确地掌握岩层的产状信息。三维建模是将二维岩层产状数据转化为立体三维实体模型的过程。其主要涉及数据采集、处理和建模等环节，其中最核心的是立体建模技术。三维建模技术有多种，包括三角剖分法、立体扫描技术、三维可视化技术和多次重采样法等。通过这些技术，可以将二维数据转换为准确、完整而立体的三维模型。三维可视化技术是将三维模型实现展示的重要手段，其包括场景渲染、模型展示和动态交互等多方面内容。在岩层产状测量中，三维可视化技术可以通过不同的渲染方法，包括贴图技术、光线跟踪技术和阴影渲染技术等，把三维模型表现得更加真实，通过动态交互，提高用户的访问、查询和操作的效率，使得用户能够更好地了解和分析岩层产状的信息。三维建模与可视化技术的应用，可使岩层产状测量变得更加准确、高效而优雅，不仅能为岩层工程的设计、建设和施工提供重要的动态信息，并且极大地提升工程的竞争力和应用价值。

3.3 岩层产状的定量分析和模拟

岩层产状的定量分析和模拟是三维GIS 技术在岩层产状测量中的重要应用方向。采用三维GIS 技术进行岩层产状分析，能够实现岩石结构特性的各项参数的分析和计算。这些特性包括，在裂隙中的相对位置、裂隙类型和裂隙长度、相互联系的裂隙系数、稳定性、预测等。通过岩层产状的定量分析，可以进行岩石工程特性的表征，如判断稳定性，代码规范定量化分析、评估岩体的支持为岩石支撑、岩石工程爆炸及山地沟通等。这个分析过程采用的软件包括MATLAB，FORTRAN等，同时采用三维GIS 模型数据，更利于岩层产状的可视化和分析，优化解决挑战工程中的问题。岩层产状的模拟是岩层产状分析中最为关键的环节之一。基于岩层产状的精确数据，在三维GIS 软件中进行岩层产状的模拟，可以使用有限元法、物理性质模拟等方法，同时集成岩石物理参数，通过数据输入、计算、分析和显示的一系列过程，对所需要的模拟数据进行预测、优化、计算和分析，进而确定特定的工程参数，解决岩石工程中的实际问题[4]。

3.4 岩层产状测量中应用

随着科技进步和工程技术的不断提高，三维测量技术已经成为实际工程中广泛应用的一种测量技术。在岩层产状测量中，三维测量技术可以发挥重要作用。首先，三维测量技术可以更加准确地对岩层产状进行测量和记录。传统的二维测量方法往往只能提供岩层产状的局部信息，而难以反映整个岩石体的产状特征和空间结构。而三维测量技术可以实现对整个岩石体的产状信息进行获取和记录，使得分析和评估更加全面、准确。其次，三维测量技术可以提高对岩石体形态和结构的理解与模拟。通过利用三维测量技术获取的数据，可以建立高度精确的岩石体模型，以观察不同类型的裂隙、节理和缺陷，并进行三维仿真分析。这对于岩石体形态和结构的深入理解和全面研究具有重要意义。最后，三维测量技术可以提高岩体稳定性分析的精度。通过三维测量技术采集的三维空间数据和信息，可以快速、准确地计算岩石体的各项参数和力学性质，以支持岩体稳定性分析和评估[5]。这可以为工程师提供重要的参考，以便制定更加完整、安全的工程设计方案。

4 结语

在岩层产状测量领域，三维GIS 技术不断创新，不断提升着岩石工程的设计、建设和施工效率。其在岩层产状的数据采集、处理、建模、可视化和定量分析等方面的应用和优化，为岩石工程提供了更为完整、准确、高效和优雅的解决方案。三维GIS 技术的应用有效地缩短了工期、降低了成本、强化了掌握岩石工程安全风险的能力，为各工程的规范化管理和可持续发展带来了新的机遇和挑战。