三維地質(zhì)自動建模與可視化

三維地質(zhì)自動建模與可視化北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司遙感應(yīng)用第一事業(yè)部柳蛟（轉(zhuǎn)載請注明出處和作者，侵權(quán)必究）前言1.1項(xiàng)目背景數(shù)字城市建設(shè)方興未艾?，F(xiàn)在的數(shù)字城市建設(shè)正處于基礎(chǔ)建設(shè)階段，為完成該階段的任務(wù)，必須采集包括地上、地表和地下等部分的三維數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)其可視化。同時(shí)，各城市因其所處地質(zhì)帶的不同而不同程度地受到地震、地面沉降、滑坡、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的影響。為此，一些城市正在進(jìn)行有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和防治工作。其他很多領(lǐng)域，如城建工程、地下工程、水電工程、交通工程、環(huán)境工程、資源開發(fā)等都貫穿有地質(zhì)問題。上述工作的開展和問題的解決迫切需要借助三維可視化技術(shù)對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，從而為相關(guān)工作提供幫助。因而，三維城市地質(zhì)信息可視化受到很多學(xué)者和相關(guān)工作者的重視?；谀壳暗叵鹿芫W(wǎng)和地下建構(gòu)筑物信息的基礎(chǔ)，增加地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集整理，并進(jìn)行直觀的可視化三維建模分析，可更好的為地下工程建設(shè)，城市規(guī)劃等問題提供決策信息支持，使地下空間信息管理單位對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。基于現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、處理的成果，結(jié)合EV-Globe大型三維地理信息平臺，從三維地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、三維地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)展示、三維地質(zhì)自動建模、三維城市地質(zhì)信息可視化系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)等方面對三維城市地質(zhì)信息可視化進(jìn)行研究和應(yīng)用。1.2歷史回顧2002年開始，當(dāng)時(shí)在海外工作的朱煥春博士和李浩博士試圖將他們所應(yīng)用的一些地質(zhì)體三維可視化技術(shù)推廣到國內(nèi)，即便是在發(fā)達(dá)國家，當(dāng)時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也才剛剛開始應(yīng)用。但是，因?yàn)檫@些國家已經(jīng)具備了調(diào)研和開發(fā)過程的積累，以及技術(shù)市場商業(yè)化體制的優(yōu)勢，推廣過程相對很快，到2005年，大部分已經(jīng)全部采用三維可視化資料，包括地質(zhì)體幾何形態(tài)、測試資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)等全部打包在一個(gè)三維計(jì)算機(jī)圖形和信息系統(tǒng)中，電子化和圖形化為專業(yè)圖形處理和分析、跨專業(yè)交流提供了極大便利，也促進(jìn)了配套技術(shù)的發(fā)展。相比較國外發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)的三維地質(zhì)可視化開發(fā)更多是處于探索和研究階段，到目前為止還沒有形成商業(yè)化的產(chǎn)品。在國際化競爭日趨頻繁和激烈的今天，自主開發(fā)一個(gè)具有競爭力的三維地質(zhì)可視化產(chǎn)品是必須經(jīng)過的一個(gè)歷程。從技術(shù)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的角度講，從底層技術(shù)開始的自主開發(fā)顯然是好事，不但掌握了底層技術(shù)，而且對于實(shí)際問題便于改進(jìn)。1.3存在的問題和解決方案目前，沒有相關(guān)的地質(zhì)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，缺少對地質(zhì)原始勘探資料的管理和有效應(yīng)用。當(dāng)采用三維可視化技術(shù)描述地質(zhì)體和應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)，需要改造的環(huán)節(jié)就很多，總體包括三個(gè)方面：1、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的有效管理和高效應(yīng)用：其中的高效應(yīng)用是目標(biāo)，即勘察數(shù)據(jù)能否很快捷地應(yīng)用于建立三維地質(zhì)模型，這取決于兩個(gè)方面，一是勘察數(shù)據(jù)是否有規(guī)范地系統(tǒng)管理，二是數(shù)據(jù)的可靠性。建立和使用數(shù)據(jù)庫可以解決第一個(gè)方面、但不能解決第二個(gè)方面的問題。因此，最大程度保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠是保證三維可視化工作效率和現(xiàn)實(shí)可行性的重要環(huán)節(jié)。2、目前天津還沒有專門針對城市地質(zhì)體的三維可視化系統(tǒng)。因此，即便是相關(guān)地質(zhì)部門采集到原始勘探資料，可以實(shí)現(xiàn)某些形式地質(zhì)對象的模擬，仍然在一些特定環(huán)節(jié)還不能很方便地進(jìn)行操作（如信息的共享），這不是技術(shù)上能否實(shí)現(xiàn)的問題，而是從實(shí)用的角度能否快速方便的問題。3、建立三維地質(zhì)模型不是三維可視化設(shè)計(jì)的目的，而僅僅是開始。利用建立起來的三維地質(zhì)模型服務(wù)生產(chǎn)才是三維可視化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，這涉及到成果表達(dá)方式與行業(yè)規(guī)范的一致性。系統(tǒng)的功能與生產(chǎn)要求有多大的差距則是影響效率和實(shí)用性的關(guān)鍵。綜合地，針對以上地質(zhì)體可視化技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀、以及天津地質(zhì)行業(yè)的現(xiàn)實(shí)條件，地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的總體構(gòu)想是開發(fā)先進(jìn)和成熟的技術(shù)引擎、然后圍繞上述三個(gè)方面的問題進(jìn)行研究和應(yīng)用，圖1表示了這種構(gòu)想和完成該系統(tǒng)需要開展的工作、以及具備的總體功能。構(gòu)建的地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和可靠性驗(yàn)證、地質(zhì)可視化建模需要。主要內(nèi)容：地質(zhì)建模模塊：在EV-Globe基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)和專業(yè)的插值方法生產(chǎn)三維地質(zhì)模型，并針對一些特定條件和需求的完善性開發(fā)，使得EV-Globe處理這些行業(yè)性問題是更方便和快捷。多媒體數(shù)據(jù)管理：在基本勘探資料基礎(chǔ)上，補(bǔ)充相應(yīng)的文本，圖片，視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。2.3應(yīng)用與管理系統(tǒng)應(yīng)用與管理系統(tǒng)：方便成果的推廣應(yīng)用，減少資金投入和應(yīng)用難度，實(shí)現(xiàn)EV-Globe所建立模型的應(yīng)用，包括對模型幾何和模型中信息的應(yīng)用。開發(fā)目的：實(shí)現(xiàn)模型的生產(chǎn)應(yīng)用，為城市建設(shè)和規(guī)劃提供輔助信息，更好的為地下空間信息數(shù)據(jù)管理部門服務(wù)。主要內(nèi)容：地質(zhì)數(shù)據(jù)顯示模塊：這是滿足成果完成審查后進(jìn)行三維展示需要的開發(fā)，目的是保證地質(zhì)數(shù)據(jù)以直觀的三維可視化方式展現(xiàn)其空間特征，模型具有不可修改性。地質(zhì)數(shù)據(jù)查詢模塊：空間查詢屬性信息，并關(guān)聯(lián)多媒體等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，方便不同行業(yè)大面積推廣應(yīng)用。地質(zhì)專業(yè)分析模塊：快速生成任意地質(zhì)切面，對其進(jìn)行直觀三維展示，并輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，提供相關(guān)應(yīng)用部門。

三、關(guān)鍵技術(shù)與可行性論證客觀地講，如果沒有足夠的開發(fā)和應(yīng)用積累，幾乎不可能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，即便能完成開發(fā)，其穩(wěn)定性也會受到制約。為此，我們在過去幾年中進(jìn)行了大量的研發(fā)和相關(guān)的應(yīng)用研究，以說明系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的可行性。3.1鉆孔剖面圖自動生成根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，自動生成二維剖面圖。3.2鉆孔柱狀圖自動生成根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，自動生成鉆孔柱狀圖。3.3三維地質(zhì)鉆孔根據(jù)原始的鉆孔數(shù)據(jù)，在三維場景中生成鉆孔數(shù)據(jù)的三維展示效果，直觀的反應(yīng)出鉆孔的空間位置，深度以及各地層之間的關(guān)系。3.4三維地質(zhì)體自動建模3.5剖面分析指定任意的剖面，生成地質(zhì)三維剖面，直觀進(jìn)行地質(zhì)剖面分析。3.6隧道分析指定隧道的路徑和截面，動態(tài)快速生成隧道，反應(yīng)出隧道開挖處地質(zhì)層相關(guān)信息及可視化展示。3.7開挖分析指定開挖深度，反應(yīng)出開挖范圍內(nèi)地質(zhì)層相關(guān)信息及可視化展示。3.8地層炸開3.9地質(zhì)體在數(shù)字地球中的展示地質(zhì)體建模的成果可以結(jié)合影像、矢量、三維建筑模型等空間數(shù)據(jù)信息，在數(shù)字地球的三維大場景中展示。圖三維場景地上模