贾秋刚

（中地泓科（天津）环境科技有限公司 天津 301700）

三维可视化是用于显示描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具， 广泛应用于地质和地球物理学的所有领域。 由于三维地质模型可以直观地表达研究区域内地质体的空间形态，可以克服传统二维地质分析的不足，对工程决策和科学管理有着重要的辅助作用，而GIS 技术的发展，可以较好地实现地表形态及地面物体（如树木、建筑物等）的三维可视化［1］。以往ArcGIS 三维可视化模型研究应用中，建立地层三维模型的应用较多，构筑物模型如何建立的研究较少。 在污染地块调查工作中，构筑物（包括厂房、仓库、管线、储罐等）的空间分布决定着潜在污染源的空间分布， 是布设监测点位置及采样深度的依据。 在土壤污染状况调查相关的工作中，若能根据钻孔数据及构筑物属性建立相应的三维可视化模型， 然后以图形图像的方式直观地显示， 将十分有利于工作者判断潜在污染源位置，完善污染地块的概念模型。 本文将ArcGIS 和AutoCAD 软件各自特点相结合， 建立一个完整的调查地块地层及构筑物三维可视化模型方法。

1 地块地层及构筑物三维可视化建模方法

本文中三维可视化模型的建立是基于ArcGIS 软件的ArcScene 平台及辅助软件AutoCAD。 ArcScene 是ArcGIS 三维分析模块3D Analyst 所提供的一个三维场景工具， 适合于展示三维透视场景的平台。 AutoCAD 软件制图自动化程度高、精度高、操作简单，能够很好地与ArcGIS 实现交互，其CAD 文件可以直接加载到ArcScene 平台进行展示。 三维可视化模型的建立主要分为两个步骤， 第一个步骤是根据地层的钻孔数据加载到ArcScene 平台构建该地块的地层三维可视化模型；第二个步骤根据具有构筑物属性的CAD 文件加载到ArcScene平台与地层三维可视化模型进行耦合。

第一个步骤，关于地层三维可视化模型的构建，已有许多研究者［2-6］做了大量的研究，思路方法基本相近。 基于多层DEM建模思想， 利用ArcGIS 地统计分析模块 （Geostatistical Analyst）对钻孔数据进行插值，得到地层厚度在整个建模区域内的估计值，然后生成各地层分界面TIN 模型，拉伸即可获得研究区域的三维地层可视化模型［7］。

第二个步骤， 地块构筑物三维可视化模型与地层三维可视化模型进行耦合，CAD 文件的点、线图层赋予相应的构筑物属性数据，直接加载于ArcScene 平台。 为保持耦合的精确度，构筑物的坐标与地层三维可视化模型坐标相一致。

2 研究实例

某地块被某食品销售有限公司使用， 地块内主要构筑物有辅料仓库、 污水处理站以及员工宿舍。 因土地利用规划要求，需要对该地块进行土壤污染状况初步调查。 研究区构筑物平面分布及监测点布置见图1。该地块调查阶段所揭露地层从上到下分别为混凝土层（平均厚度约30 cm）、杂填土层（揭露厚度为1.4 m～3.2 m） 及粉质粘土层 （揭露厚度为0.7 m～1.9 m）。揭露的第一层地下水类型为松散岩类孔隙潜水，主要赋存于杂填土中，水位埋深1.39 m～1.47m，含水层厚度0.72 m～2.09 m。

利用监测点钻孔数据和构筑物属性数据， 按照上述建模流程在ArcGIS 中建立该地块的地层和构筑物（包括监测孔）三维可视化模型。

第一步：地层三维可视化模型的构建

（1）钻孔数据转GRID：GRID 是用规则的空间格网点表示表面， 格网点中间任何一点的值可以通过插值的方法进行估计。 ArcGIS 和Surfer 软件都可以把该地块的钻孔数据内插生成GRID 文件，ArcGIS 的统计分析扩展模块中提供了5 种插值方法来创建GRID 表面模型，而Surfer 内插方法多达12 种，对中、小离散数据进行插值处理有其优势。 能完成数据差值计算的软件不止ArcGIS 和Surfer， 所以这里就不具体讲钻孔数据转GRID 操作步骤了。

（2）GRID 转TIN：TIN 是一种有许多相邻但又不互相重叠的三角形组成的对地形表面的连续铺盖。 点击“3D Analyst”工具下的“栅格转TIN”命令，输入栅格和输出TIN 为必选项，其它为默认即可。 点击确定自动加载生成的文件加载的TIN 文件，就是岩层之间的分界面。 为了达到真实效果，我们需要修改图层属性。 因为该地块概化为3 个不同岩性的地层，需要4个岩性界面外加1 个地下水界面， 也就是需要生成5 个TIN文件。

图1 研究区构筑物平面分布及监测点布置图

（3）TIN 之间拉伸：通过在2 个不规则三角网（TIN）数据集间拉伸各输入要素创建3D 要素。 首先点击“3D Analyst”工具下的“栅格范围”命令，输入栅格为原始栅格数据（第一或第二界面的GRID 文件），输出要素类型为“POLYGON”。 然后点击“3D Analyst”工具下的“在两个TIN 间拉伸”命令，输入“TIN”为需要拉伸的第一和第二个界面， 输入要素为上个步骤生成的“栅格范围”文件。 输出加载生成第一个混凝土地层。 同理，在第二个和第三个界面、在第三个和第四个界面间进行拉伸，生成其他两个岩性的地层。 可以根据需求，对图层属性进行修改，调整各地层的颜色和透明度等参数。生成立体图（见图2）。

图2 研究区调查地块地层三维可视化模型图

第二步： 地块构筑物三维可视化模型与地层三维可视化模型进行耦合

（1）CAD 文件的点、线图层赋予相应的构筑物属性数据：构筑物CAD 的坐标与地层三维可视化模型坐标相一致都是平面直角坐标。构筑物的CAD 标高属性，与研究地块的表层高程相一致。

（2）CAD 文件直接加载于ArcScene 平台：在ArcScene 平台添加CAD 文件，加载线或面数据。构筑物的图层属性可以进行修改，调整构筑物的颜色和透明度等参数。在ArcScene 平台加载的构筑物为平面图，需要把平面图拉伸为立体图，修改图层属性的“拉伸”参数，可将点拉伸成垂直线，将线拉伸成墙面，将面拉伸成块体。 “拉伸值”也就是构筑物的高度。

由建模实例可知，与图1 二维平面图相比，三维可视化模型图可以更加直观立体展示该地块信息（图3），比如：①地层垂直方向的岩性分布情况；②监测点位置与构筑物（潜在污染源）的空间关系；③采样深度与地层岩性的垂向关系；④地下水流向、埋深及赋存情况。

图3 研究区调查地块地层及构筑物三维可视化模型图

3 总结

本文结合前人研究成果提出了利用ArcGIS 建立地块地层及构筑物三维可视化模型的方法。 第一个步骤是地层的钻孔数据加载到ArcScene 平台构建地层三维可视化模型； 第二个步骤是具有的构筑物属性的CAD 文件加载到ArcScene 平台与地层三维可视化模型进行耦合。 通过研究实例得出，与二维平面图相比， 研究区调查地块地层及构筑物三维可视化模型图可以更加直观、立体展现地块信息，尤其在向非专业人士传达地块信息时，三维可视化立体模型具有生动形象、直观易懂等优势。本研究是基于ArcGIS 平台构建三维场景，但没有充分应用ArcGIS 空间分析功和空间数据处理功能。 利用土壤样品的监测数据进行空间差值计算， 展示土壤污染物立体空间分布是下一步的研究方向。