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城市地質信息三維可視化研究
一、引言
隨著城市建設的不斷深入，各種改建擴建工程此起彼伏，但人們往往忽視了地質問題。在不同的地質帶上進行的工程會不同程度地受到各種地質災害的威脅。因此，在掌握和管理各種地表信息的基礎上，對地下各類信息的采集與管理尤為重要。對災害地質體的正確識別以及對各種潛在的地質災害的有效預防將有助于城市的建設和發(fā)展，減少地質災害過程中的生命財產損失。這些都需要借助三維可視化技術、數據庫技術以及地理信息系統(tǒng)的相關技術。建立一個真三維的地質信息可視化與管理系統(tǒng)，能為城市建設、發(fā)展和管理提供基于三維地質數據的信息服務；便于城市管理人員有效地管理和監(jiān)控城市地質資源；輔助研究城市的地質構造。
二、現狀分析
當前，在三維可視化地質軟件中比較專業(yè)的軟件有加拿大Gemcom公司的Gemcom、澳大利亞Surpa國際軟件公司的Surpac、Intergraph公司的GeoVoxel等。這些軟件的三維可視化功能較強，在油田勘探、石油開采等領域得到了頗有成效的應用。但他們在費用、硬件要求、圖形環(huán)境和文件支持方面不完全符合我國工程地質的實際情況。與此同時，國內一些大學與科研機構通過對國外先進軟件的二次開發(fā)或自主研發(fā)，來滿足我國空間地質信息的三維可視化需求，但始終沒有形成一個標準化、商業(yè)化的產品。
三維可視化模型的建立是為了在計算機上展現虛擬三維場景，它是3DGIS研究的重點。可以重現地質構造的三維地層分布形態(tài)，為工程技術人員提供準確、直觀的地質構造模型，用于分析、量算工作而設計。3D數據模型主要有三維幾何數據模型和三維拓撲數據模型兩種。考慮到其適用性，本文側重研究第一類模型。
吳立新和史文中提出在不區(qū)分準3D和真3D的前提下，根據3D空間模型對地學空間目標進行幾何刻畫的方式，將三維幾何數據模型分為面元模型和體元模型。其中，面元模型采用表面描述方式對3D空間對象的表面進行連續(xù)或非連續(xù)的幾何描述和特征刻畫，不研究3D空間對象的內部特征，適合建立物體表面模型。
體元模型采用空間剖分方式對3D空間對象的內部空間進行無縫完整的空間剖分，不僅描述3D空間對象的表面幾何，還研究其內部特征。對比這兩種數據模型，根據它們的特點并結合系統(tǒng)的實現目標，才能最終確定系統(tǒng)所采用的數據模型。下表列出的是(如表1所示)三維空間數據模型在一定的條件下產生的合理性和缺陷。
三維空間數據模型優(yōu)點缺點
面元模型方便地實現地層可視化和模型更新不是真3D不描述3D拓撲關系無法進行開采開挖設計難以描述實體的內部信息難以進行3D空間查詢與空間分析
體元模型
規(guī)則體元模型真3D模型更新也比較方便難以適應復雜地質體建模非規(guī)則體元模型真3D可以適應復雜地質體建模模型更新比較困難
三、城市地質信息三維可視化
首先，由于客觀世界的地質現象存在著一定的復雜性，且地層具有層狀展鋪的特性，有些地層存在交叉，層與層之間是緊密的相鄰關系。對構建三維地層模型而言，要考慮不同地質屬性的地層結構分布，如果利用面元模型表達不同地層，會導致對地層模型操作的復雜化，特別是在任意切割剖面時，將會遇到更復雜的情況而導致該操作無法進行。是不可取的方法。
其次，通過對模型特點的分析可知，非規(guī)則體元模型可以解決實際應用操作與分析問題，適用于工程地質領域，且可操作性強，數據組織嚴密，推理過程規(guī)范明了，易于編程實現，可用于工程地質領域3DGIS系統(tǒng)的空間建模。
最后，在構造地層三維模型時，體元可以是各種多面體，常用的有四面體、棱柱體和六面體。四面體體元可以構造非常復雜的地層結構，但四面體數據組織困難，數據冗余量大，對計算機的速度和內存要求較高。棱柱體和六面體結構體元都可以很好地建立地層模型。本模型采用非規(guī)則六面體元進行構造。如圖1所示。
其中，點Tx(x=1，2，3，4)構成了體元模型的上表面，而點Bx則構成了體元模型的下表面。其余四個表面分別為體元模型的前、后、左、右面。圖1中給出的是標準的數據模型，即非規(guī)則體元模型的特例
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