面向城市地质信息平台的三维技术研究.doc

面对城市地质信息平台的三维技术探讨刘修国1,2 朱良峰1,2 尚建嘎1,2 花卫华1,2（1. 中国地质高校 信息工程学院，武汉 430074；2. 武汉中地数码科技有限公司，武汉 430074）摘 要: 城市地质信息平台是一个集城市地表、地上、地下多维、动态空间信息于一体的大型综合性空间信息系统，三维地质建模及其前后处理问题是系统建设面临的主要技术瓶颈本文简述了城市地质信息平台的建设目标与功能特征，探讨了平台建设中的三维技术瓶颈，如三维空间数据模型、三维地质建模和三维地质数据的可视化表达与分析，同时介绍了作者在相关领域的探讨进展与最新成果，指出了下一步须要重点探讨和解决的技术难题关键词： 城市地质信息平台 三维地理信息系统 三维数据模型 三维地质建模 可视化1．引言随着城市化进程的加快，城市建设所涉及的地质问题也日益凸现；系列城市地质问题严重影响了城市的可持续发展城市地质工作是探讨和解决现代城市发展进程中面临的一系列地质问题的重要途径，已成为现代地球科学发展与应用的重要前沿自20 世纪90 年头以来，世界范围内的城市地质工作普遍面临信息技术快速发展和普及应用的新机遇，以数字式空间数据库、计算机成图和GIS 为依托的新工作模式渐成气候，构建一个基于三维GIS 技术、三维可视化技术的城市地质信息平台已成为当前城市地质工作的必需[1]。

城市三维地质数据的可视化管理与分析是“数字城市”工程的重要支柱，城市地质信息平台通过对城市三维地质多源海量数据进行一体化的存储与管理，并在此基础上进行各种专业分析和各类工程地质信息的网络发布，从而为制定科学合理的城市发展规划供应基础地质资料和决策依据因此，城市地质信息平台建设是提高城市地质探讨水平、有效利用城市地质数据、实现城市地质资料面对政府决策、面对公众服务的有效途径2．城市地质信息平台的功能要求2.1 平台建设的总体目标基于目前城市规划、建设、管理、服务对城市地质信息的需求和城市地质工作的现状，城市地质信息平台的建设就是要：依据城市地质信息不同应用部门、不同用户的实际需求，结合当前GIS 技术、三维建模及可视化技术、空间数据库及计算机网络技术的特点与发展趋势，开发一个集信息输入、数据库管理和城市三维地质空间数据可视化分析于一体的功能全面、性能稳定、智能化的城市地质信息综合管理平台，实现对城市地质及相关数据的有效存贮、管理、可视化再现与网络化服务，为管理人员和工程技术人员供应综合化、智能化、规范化的基础应用平台，为城市规划和社会公众信息需求供应标准化、网络化、可视化的服务平台，为政府和社会搭建城市规划和工程建设的地质数据信息快速响应平台，以满意对城市地质数据管理、应用分析的需求。

2.2 平台建设的功能要求依据城市地质信息平台的总体建设目标，平台应实现三个层次的功能和服务：（1）实现对城市地质及相关数据的有效管理城市地质信息平台应是一个集地上、地表、地下三维空间信息于一体的大型综合性三维空间数据管理和服务平台，涉及表征城市地上特征的数码景观和遥感影像数据、表征城市地表特征的城市基础地理数据、表征城市地下地质特征的地下三维地质空间数据等如何科学有效地管理这些来源广泛、类别众多、数量浩大、时空多维、主题显明的空间数据，是平台首先要解决的问题城市地质信息平台应整合地质多源海量数据，建立城市地质信息综合数据库和信息管理系统，实现地质成果的数字化、成果资料的社会化和数据信息的共享化，为城市地质信息的科学化、网络化管理与服务供应技术支撑2）供应对城市地质及相关数据的可视化处理和专业分析在科学有效地管理城市地质及相关数据的基础上，建立各类地质数据的专业模型，并采纳三维数字化技术直观、形象的表达地质数据的时空展布特征，并进行相关专业处理、分析，是平台供应面对专业应用和社会服务的基础平台应能将地质勘查资料说明结果在三维空间中综合起来，重现地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，重建三维地质构造形态模型，并将三维地质模型用三维图形图像生动地表现出来，从而实现地下困难空间结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化。

平台应能利用空间分析与数据挖掘技术支持困难地质问题的决策探讨3）面对公众及专业人员供应基于地质数据的基础和增值信息服务在前两个服务层次的基础上，平台应开发协助决策等综合地质信息服务功能，为政府规划决策和公众需求供应基于城市地质数据的基础和增值信息服务如供应与城市布局、建设和发展相关的基础地质条件和地质环境质量的评价，提出城市土地综合利用、地下空间资源及地质环境资源合理开发利用、地质灾难防治、地质环境爱护和矿产资源开发引起的生态环境整治等方面的对策和建议基于地质三维数据开展增值应用服务，如基于地质三维数据基础之上，进行大型社区的规划分析；或基于地质三维数据，生成三维有限元单元体，实现三维沉降、变形和稳定性分析；或基于地质三维数据，实现三维高边坡稳定分析等3. 城市地质信息平台三维技术探讨城市地质信息平台本质上是3D GIS 的一个专题型、应用型系统针对城市三维地质数据本身及其信息共享和服务的特点设计城市三维地质空间数据概念模型，并实现对城市三维地质空间数据的有效存储和快速检索，实现城市三维地质构造的动态建模与地质体物化属性的三维重构，及针对城市三维地质模型的三维可视化与分析处理技术，是构建城市三维地质信息平台必需解决的关键技术难题。

事实上，城市地质信息平台涉及的三维技术基础包括：2.5 维的数字高程模型分析技术，三维城市景观阅读与编辑，真3D 地学模拟，地表与地下空间的统一建模与表达，三维空间分析，三维动态地学过程模拟及其可视化等鉴于二维以及2.5 维空间数据管理与处理技术相对成熟，本文对平台涉及的二维问题不作探讨，重点探讨城市三维地质信息的建模与表达之上，探究与之相关的下述三个问题：三维空间数据模型，三维地质建模，三维地质数据的可视化表达与分析3.1 三维空间数据模型三维空间数据模型是城市地质信息系统的基础，它为描述城市地质空间数据的组织、设计城市地质空间数据库模式、进行三维地质建模乃至三维地质数据的可视化表达与分析供应了最基础的支撑目前，由于三维空间数据模型理论和技术尚不成熟，导致GIS 的三维空间建模实力和三维空间分析实力都极为薄弱，这也是影响和制约3D GIS 深化发展与应用的瓶颈3D GIS 采纳的空间数据模型可划分为三大类，即三维体元模型、三维矢量模型、混合或集成数据模型；依据具体实现方法的不同，每个大类下又有若干具有代表性的数据模型（表1）从实际应用效果来看，三维体元模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大、运算速度慢，三维矢量模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。

混合或集成数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同辨别率、不同背景条件、不同应用的要求由于三维几何和拓扑的困难性，很难用一个统一的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，采纳混合数据模型不失为一种可行的方法但现有的混合数据模型（如TIN+CSG、TIN+Octree 等）多采纳矢栅一体的混合结构，这势必增加实现上的难度，假如做的不好，可能既没有矢量结构简洁、精确的优点，又丢失体元模型的简洁、通用的特长因此，现阶段基于矢量的数据模型特殊是边界表示模型（B-Rep）仍旧是主流的三维空间数据模型表1 三维空间数据模型分类类 型 代表性数据模型规则体元1.结构实体几何(CSG); 2.三维栅格结构(3D-raster structure); 3.指针结构(node structure); 4.八叉树(Octree); 5.针体(Needle); 6.规则块体(Regular Block).三维体元模型不规则体元1.四面体格网(TEN); 2.金字塔(Pyramid); 3.三棱柱(TP); 4.广义三棱柱(GTP); 5.地质细胞(Geocellular);6.非规则块体(Irregular Block); 7.实体(Solid); 8.Voronoi 多面体(3D Voronoi Diagram).三维矢量模型1.格网结构(Grid Structure); 2.面片结构(Facets Model)：如TIN; 3.形态结构(Shape Structure); 4.超图数据结构(HBDS); 5.边界表示模型(B-Rep); 6.线框模型(Wire Frame); 7.非匀称有理B 样条函数(NURBS); 8.三维矢量结构(3D Vector Structure); 9.多层DEM; 10.断面(Section); 11.断面—三角网混合(Section-TIN mixed).混合或集成数据模型1.TIN+CSG; 2.TIN+Octree; 3.Octree+TEN; 4.Octree+CSG; 5.Wireframe+Block;6.面对对象的数据模型.具体到城市环境下的三维地学模拟，其探讨对象的特殊性对三维空间数据模型的好用性提出了更高的要求：它不仅要能表达和显示地学对象本身，而且还要能表达地学对象间的相互关系即拓扑关系和实体关系，另外还要能存储地学对象众多的属性信息。

另外，目前既没有统一的标准地学模型，也没有形成能为大多数人所接受的理论与模式，这更增加了面对城市地质应用的三维空间数据模型的困难程度因此，为城市三维地学表达和分析服务的三维数据模型和数据结构设计，应当针对城市地质数据的获得方式、地学对象本身的形态特征和主要的应用目的设计具体的数据模型基于面对城市地质这一具体应用领域设计专用空间数据模型的指导思想，结合自身的研究实践，笔者提出了基于边界表示、面对地质实体并兼顾拓扑关系的三维矢量数据模型及其点三角形 边面简洁体 线困难体结点三维实体属性三维几何实体环图1 面对实体顾及拓扑的三维矢量模型三维空间数据库空间参照系三维要素数据集对象类三维要素类属性图形信息域集三维注记类三维几何实体图2 城市三维矢量空间数据库模型库组织模型（见图1、图2）这一数据模型所采纳的拓扑元素有点（Vertex）、结点（Node）、边（Edge）、线（Line）、三角形（Triangle）、三角网（TIN）、环（Loop）和多面体（Polyhedron）等8 种，具体的拓扑层次关系如图1 所示另外，还将三维地质模型中的地质元素划分为位置、地质边界、层块、层、块和地质模型等6 个层次（其与拓扑元素的对应关系见图3），实现了三维地质现象的拓扑表示和地质表示之间的无缝结合。

这一数据模型结合了城市三维地质数据自身特征以及城市地质信息系统进行信息共享与服务的应用需求，汲取借鉴了国内外具有代表性的三维空间数据模型的设计思想，是一种典型的面对地质实体并兼顾拓扑的数据模型，可用来有效组织和描述城市三维地质结构模型针对这一矢量空间数据模型的特点，开发出了结合Octree、Rtree 并支持实体LoD 的空间数据索引技术——LoD-OR 树，较好地解决了城市地质信息系统涉及的三维空间数据对空间数据模型与数据组织调度的要求另外，采纳三维栅格数据结构来组织表征地质体内部物化属性的规则体数据，并将二维栅格数据分块和金字塔式存储调度技术用于三维栅格数据的存储组织，设计并实现了地质体物化属性数据的分块和金字塔式多尺度组织管理模式，解决了大规模三维规则体数据的快速提取。