地學(xué)三維GIS動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的研究-

1、地學(xué)三維GIS動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的研究卜麗靜,王家海,張正鵬遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)量工程系,遼寧阜新(123000摘 要:地學(xué)三維GIS已成為地質(zhì)研究的重要手段,但目前對(duì)3D GMS系統(tǒng)的研究還不夠成熟,特別是能適用于地質(zhì)研究的地學(xué)三維模型還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。對(duì)此本文在分析地學(xué)三維模型的基礎(chǔ)上提出了三維GIS可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,重點(diǎn)介紹了針對(duì)地質(zhì)三維空間分析方面的功能。關(guān)鍵詞:3D GMS;三維模型;空間分析0 引言隨著科學(xué)可視化技術(shù)和地質(zhì)信息計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展3D地學(xué)模擬系統(tǒng)(3D Geosciences Modeling System,3D GMS已成為礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)的重要發(fā)展方向。由于地質(zhì)

2、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)的有限性,導(dǎo)致了三維可視化模型的形成的復(fù)雜性,因此地學(xué)三維GIS構(gòu)模方法的研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。本文就此在對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上,采用ATP構(gòu)模法并對(duì)地學(xué)三維GIS動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)方案。1 三維空間構(gòu)模原理三維空間構(gòu)模的理論方法研究是目前3D GMS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出了20余種空間構(gòu)模方法,可以將其歸納為基于面模型、基于體模型和基于混合模型的3大類構(gòu)模體系見(jiàn)表1。表1 3D空間構(gòu)模法分類1Tab.1 The space mold method classification體模型(volumetric model面模型(faci

3、al model規(guī)則體元非規(guī)則體元混合模型(mixedmodel不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN 結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何(CSG 四面體格網(wǎng)(TEN TIN-CSG混合格網(wǎng)(Grid 體素(V oxel 金字塔(Pyramid TIN-Octree混合或Hybrid模型邊界表示模型(B-Rep 八叉樹(shù)(Octree 三棱柱(TP Wire Frame-Block混合線框(Wire Frame或相連切片(Linked Slices針體(Needle 地質(zhì)細(xì)胞(GeocellularOctree-TEN混合斷面序列(Series Sections 規(guī)則塊體(RegularBlock非規(guī)則塊體(IrregularBloc

4、k斷面-三角網(wǎng)混合(Section-TINmixed實(shí)體(Solid多層DEMs 3D V oronoi圖廣義三棱柱(GTP2 國(guó)內(nèi)外經(jīng)典構(gòu)模方法評(píng)析現(xiàn)今空間模型的建立多停留在2維或2.5維的基礎(chǔ)上,并不是真正意義上的真三維。所謂的真三維GIS則是將3D空間坐標(biāo)(x,y,z作為獨(dú)立參數(shù)來(lái)進(jìn)行空間實(shí)體對(duì)象的幾何建模,其數(shù)學(xué)表達(dá)為:F=f(x,y,z;且必須采用3D矢量構(gòu)?；?D體元構(gòu)模方式,因而所建立的模型不僅可以實(shí)現(xiàn)3D可視化,還可以進(jìn)行3D空間分析。體模型是基于3D空間體元分割和真3D實(shí)體表達(dá),體元的屬性可以獨(dú)立描述和存儲(chǔ)。面-體混合模型則是綜合了面模型和體模型的優(yōu)點(diǎn),以及綜合規(guī)則體元和非規(guī)

5、則體元的優(yōu)點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短。在此提出基于面-體模型的國(guó)內(nèi)外幾個(gè)經(jīng)典構(gòu)模法并做了一定的評(píng)析。(1Octree-TEN混合構(gòu)模(李德仁等,1997;李清泉等,1998:該模型以O(shè)ctree-作為整體描述,以TEN作局部描述,可以解決地質(zhì)體中斷層或結(jié)構(gòu)面等復(fù)雜情況的建模問(wèn)題,但空間實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系不易建立。(3類三棱柱(Analogical TriPrism ,ATP構(gòu)模(吳立新等,2002;齊安文等,2002針對(duì)地質(zhì)鉆孔尤其是深鉆的偏斜特點(diǎn),提出了一種不受三棱柱棱邊平行限制的3D構(gòu)模方法。3 地學(xué)三維GIS的動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 三維模型選擇綜上對(duì)構(gòu)模方法的評(píng)析本系統(tǒng)采用了類三棱柱(ATP的構(gòu)模法

6、,ATP 模型由點(diǎn)、TIN 邊、TIN 三角形、棱邊、側(cè)面(分割為三角形 。ATP 體共6 組基本元素組成。采用ATP 構(gòu)模技術(shù),不僅可以精確模擬地層或礦床的層面與內(nèi)部,還可以通過(guò)邊界約束的交互式處理技術(shù)來(lái)表達(dá)斷層、褶曲、空洞、開(kāi)挖邊界等復(fù)雜構(gòu)造形態(tài)。此外,ATP 還具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、局部細(xì)化與拓?fù)浔磉_(dá)能力。以下為所定義的6 組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),TIN 邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),棱邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),TIN 三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),側(cè)面三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),ATP 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14。 圖1 ATP構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Basic structure of ATP model其中TIN三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4:TypeT

7、riangle=RecordTriID:Integer;/ / 三角形的標(biāo)識(shí)號(hào)Point3:Tpoint;/ / 組成三角形的3 個(gè)頂點(diǎn)TINEdge3 :TTINEdge;/ / 組成三角形的3條邊NeighbourTri3:Array of Integer;/ / 相鄰的3 個(gè)三角形的標(biāo)識(shí)號(hào)End ;ATP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4:TypeAnatriPrism=RecordPrismID:Integer;/ / ATP的標(biāo)識(shí)號(hào)Point6:Tpoint;/ / 組成ATP的6個(gè)頂點(diǎn)UpTri,DownTri:Triangle;/ / 組成ATP的上、下TINSideTri6:TsideTriangl

8、e;/ / 組成ATP的6個(gè)側(cè)面三角形NeighbourPsm5:Array of integer;/ / 相鄰的5個(gè)ATP標(biāo)識(shí)號(hào)End ;3.2 數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)描述地表地形、地物數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù),以二進(jìn)制形式保存其中數(shù)據(jù)層包含以下幾種類型: (1地表數(shù)據(jù)層:保存等高線、地形特征線和離散點(diǎn)信息,并可以用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 或數(shù)字高程模型DEM的形式顯示和分析;(2數(shù)字高程模型DEM:保存DEM數(shù)據(jù)信息,可以從中提取等高線,并與地表數(shù)據(jù)層相互轉(zhuǎn)換;(3地下數(shù)據(jù)層:保存地層、斷層、隧道、坑道等各種地下信息,可由用戶自行編輯修改;(4圖象數(shù)據(jù)層:保存包含坐標(biāo)信息的遙感圖象數(shù)據(jù),可在地表上疊加顯示;(5注

9、記數(shù)據(jù)層:保存地物、地體的符號(hào)標(biāo)志,為空間體模型、三維線符號(hào),其中三維物體模型可以從3DS文件中導(dǎo)入,也可以由用戶自行在3D-GIS中內(nèi)置的三維符號(hào)編輯器中創(chuàng)建。3.3 三維建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊本系統(tǒng)包括六大子模塊:數(shù)據(jù)輸入、三維建模、三維模型編輯、三維模型顯示、三維數(shù)據(jù)查詢分析量測(cè)、數(shù)據(jù)輸出。3.4三維地形顯示與分析模塊三維地形的顯示與分析功能是3D-GIS的核心,3D-GIS提供平面、三維兩類窗口對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)層進(jìn)行顯示,通過(guò)復(fù)選框調(diào)整可改變各數(shù)據(jù)層的顯示狀態(tài)。為了使三維地質(zhì)模型逼真本系統(tǒng)特別增加了地表顯示模塊,這種參照對(duì)于地質(zhì)模型的分析是很必要的。(1地表顯示分析模塊:系統(tǒng)以默認(rèn)的視角、比例尺

10、生成二維或三維圖形。根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源的不同,系統(tǒng)將分別使用等高線、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN和數(shù)字高程模型(DEM對(duì)其進(jìn)行顯示,而且三種顯示方法還能夠進(jìn)行指定精度的相互轉(zhuǎn)換;地表之上還可以疊加多幅不同精度的遙感影象,能更加真實(shí)地再現(xiàn)地表的實(shí)際形態(tài)。另外,對(duì)模型本身可進(jìn)行縮放、漫游、選擇、編輯等操作,針對(duì)三維圖形,還可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、設(shè)置視角方向、角度增量調(diào)整等。(2地下體分析顯示:系統(tǒng)可根據(jù)用戶給定的地下體參數(shù)(如斷層延伸線、傾向、傾角等,自動(dòng)生成其初始模型,然后,用戶可根據(jù)實(shí)際情況,再作進(jìn)一步調(diào)整、修飾,完畢后,系統(tǒng)自動(dòng)將其與地表數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),以備分析使用。4 結(jié)束語(yǔ)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型是數(shù)字地球基礎(chǔ)研究方面

11、的一個(gè)核心問(wèn)題。而目前的三維地質(zhì)模型還存在著很多未解決的問(wèn)題有待于我們?nèi)パ芯?這樣才能建立起更好的3D GMS。目前3D GIS 與3D GMS 的結(jié)合也越加緊密,相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)兩者將殊途同歸,最后為全要素3D地球信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供理論、方法與技術(shù)基礎(chǔ)1。因此如何建立一個(gè)共同的時(shí)空框架來(lái)對(duì)地球以上及內(nèi)部進(jìn)行整體的真3D可視化表達(dá)、管理、查詢、分析與操作仍有待于我們的研究與探索。參考文獻(xiàn):1 吳立新,史文中.地理信息系統(tǒng)原理與算法M.北京:科學(xué)出版社, 2003.2 胡金星,吳立新等.3D地學(xué)模擬體可視化技術(shù)應(yīng)用研究J.煤炭學(xué)報(bào),1999.3 王家耀.空間信息系統(tǒng)原理M.北京:科學(xué)出版社, 2

12、001.4 吳立新,張瑞新等.3 維地學(xué)模擬與虛擬礦山系統(tǒng)J.測(cè)繪學(xué)報(bào),2002.A research that learn three dynamic state of GISs and cansee to turn the systemBu Lijing,Wang Jiahai,Zhang Zhengpeng(Department of Surveying Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,ChinaAbstractGeosciences 3D GIS has become an important means to geology research, but the research of the 3D GMS system especially three-dimensional model for the geology research is not maturity currently. So that this paper bring forward a project of 3D GIS visualization based on the research of 3D Ge