胡勤军，姜 三，徐爱锋

（天津市测绘院，天津300381）

随着计算机可视化技术，地质信息建模理论的不断发展和完善，地质数据的三维可视化与分析已经得到了重视，在石油勘探，岩土工程和三维GIS等领域成为研究热点［1－5］。三维地质可视化建模就是利用计算机技术，在三维环境下实现地质信息的管理、解译、空间分析与预测，以及图形可视化。其中，地质建模是地质学领域的重点研究内容。三维地质模型对应于计算机环境中的空间数据模型，可以分为基于面的数据模型，基于体的数据模型以及两者的混合模型［6］。

目前，基于已有的地质模型进行了广泛的研究和开发［7－11］。这些研究都集中于地下地质数据的三维建模和可视化分析。但是，在实际的地质勘探过程中，地上的地形地貌信息对于地质勘探也具有重要的作用，如勘探任务规划、影像信息解译、地形分析等。近年来，以数字摄影测量技术、遥感技术、全球定位系统为核心的3S技术得到了长远发展和广泛应用。摄影测量与遥感技术提供了地形数据和地表覆盖数据的快速获取和更新手段，可以成为地质勘查中地上地形、地貌数据的主要数据源。因此，综合利用这些技术和方法，以提高地质勘查工作的效率，信息解译的多源性和完整性具有十分重要的意义［12－13］。

因此，本文在研究当前地质数据建模理论和方法的基础上，结合摄影测量与遥感技术，设计和开发了地上地形信息和地下地质数据的三维可视化与分析系统。该系统能够为地质勘查工作提供地上地形信息管理分析，地下地质数据的三维可视化。

1 技术背景

1．1 地质数据建模

三维地质建模是地质学领域的重点研究内容。总体上来看，三维地质模型可以分为基于面的数据模型、基于体的数据模型以及混合模型。基于面的数据模型侧重于三维空间实体的表面展示，如地形表面、地质层面等。这类模型一般用于表达具有均质特性的地质体。其中，TIN模型（不规则三角网模型）是最常用的基于面的数据模型。TIN模型利用三角形面片来模拟地表起伏变化以及其他不规则对象的表面特征。另外，规则格网，不规则格网，参数模型等也是典型的基于面的数据模型。

基于体的数据模型利用大量足够小的体元（不规则四面体，三棱柱体等）组合描述地质体。这些体元具有单一的属性特征。因此，基于体的数据模型可以描述非均质特性的地质体。常用的基于体的数据模型有不规则四面体模型，三棱柱体模型，三维栅格模型等。由于现实世界中地形，地质结构的复杂多样，不可能用单一的数据模型表达所有的地貌特征。混合模型是上述两种模型的综合利用，兼顾到不同数据模型的优缺点。本研究将基于三维栅格模型建立地质实体模型。

1．2 开发平台

三维GIS系统开发模式可以分为底层开发和二次开发。考虑到这些因素，本文选择成熟的商业平台Skyline作为地上地形信息三维可视化平台（核心接口见表1）。Skyline开发平台利用航空摄影影像、数字高程模型和其它的2D或3D数据源，创建一个交互式的三维环境。该平台的开发流程主要包括以下几个方面的内容：①将航空影像、卫星影像、数字高程模型加入到TerraBuilder模块中，制作成MPT格式的地形数据。②在Terra Explorer Pr o中加载生成的地形数据，实现对场景的漫游和分析功能。③根据需要加入矢量、栅格或者三维模型数据，构建目标系统。

地下地质数据的三维可视化分析涉及到地质数据的空间插值与建模、三维可视化等操作。Skyline的优势在于三维场景的展示。但是，其在空间插值、数据建模与分析等方面功能较弱。作为面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言，IDL致力于科学数据的可视化和分析，是跨平台应用开发的最佳选择。由于其强大的功能和独特的特点，IDL语言可以应用于任何领域的三维数据可视化、数值计算、三维图形建模、科学数据读取等功能中。因此，本文将利用IDL交互式数据语言interactive data language）进行地下地质数据的建模与可视化分析［13］。

表1 Skyline平台的主要功能接口组成

2 系统设计

基于Skyline和IDL三维开发平台，本系统的总体设计如图1所示，主要分为地上地形信息可视化分析子系统和地质数据建模与分析子系统。

图1 地质数据三维可视化系统总体架构

地上地形信息可视化分析子系统采用模块化思路进行设计，由项目管理、导航模块、查询功能、分析模块和地质建模等部分组成。每一个部分实现系统的特定功能集合，并且所有模块的功能都在命令字典中注册，进行统一的管理。地质建模模块则启动相应的地质建模程序。地质数据建模与分析子系统基于IDL平台进行设计和实现，分为基于表面模型和基于实体模型的可视化分析系统。

3 实现与分析

3．1 数据处理

对于地上地形信息可视化分析系统，本文在Terra Buil der模块中，将1∶2 000航空摄影正射影像、DEM数据制作成MPT地形数据集。介于原始地质数据的保密性，本文模拟了一套地质钻孔数据（空间分布见图2）。每一个点要素代表一个钻井，包括钻井的平面位置以及钻井与各个地层交点的深度信息（见图3）。

图2 钻井的空间分布图

图3 钻井数据的详细结构信息

原始钻井数据表现出空间离散分布的特征。本文将基于立方体结构建立地质层的三维实体模型 因此 离散的钻井数据首先将被插值为规则分布的格网数据。利用IDL的反向距离加权（Inverse Distance）插值方法处理原始钻井数据（关键代码见图4）。本文采用50 m采样间隔进行插值。

图4 各个地质层反向距离加权插值

3．2 系统实现

对应于目标系统的不同功能组成，本文采用模块化的方式进行功能组合。各个组成模块之间的依赖关系如图5所示。其中，GeologyInsight代表顶层的应用程序；geo Base模块是整个系统的基础模块，定义了系统初始化类，创建命令字典以及多个关键接口类；其他的模块用于实现对应的功能，如geo Project库用于实现项目管理，geo Navigator用于场景漫游操作。最终，地上地形信息可视化分析系统的总体界面如图6所示，包括了项目管理、地图导航、属性查询和空间分析等模块。

图5 系统模块依赖关系

图6 系统总体界面

由于道路阻塞或者地形结构复杂等因素的影响，野外地质勘探工作常常具有较大的困难和危险性。基于本系统的浏览和分析功能，工作人员可以将兴趣数据导入系统进行浏览和分析。本研究导入了目标区域的构造线、构造面数据进行地质结构的分析。为了便于浏览和查看，将研究区域的构造线、构造面向地下偏移100 m。图7是用于查看地表起伏程度的地形剖面分析。为了研究某一个区域的地下地质构造信息，利用本系统的地表开挖功能能够直观地查看（见图8）。由此可知，本系统提供的功能可以很好地满足地质勘探中地表属性、结构的分析。

图7 地形剖面分析

图8 兴趣区域地表开挖分析

对于地下地质数据的可视化分析，本研究建立了地质表面模型和地质实体模型的IDL对象层次结构图。图9是地质表面模型层次结构图。Viewer对象代表整个视图窗口；Trackball对象实现整个场景的旋转操作；Rot Model包含了整个场景的目标图形，将响应用户的交互操作。其中，Layer Gr oup包含所有的地质层，SideFace Gr oup包含地质层的侧面多边形，Borehole Gr oup代表地质钻井模型。在此层次模型的基础上，用户的所有操作将会直接影响模型的状态。地质表面模型基于IDL的“IDLgr Surf ace”对象表达（见图10）。同样，地质实体模型的层次结构见图11。实体模型基于IDL的IDLgr Volu me对象创建。

图9 地质表面模型的IDL对象层次结构

图10 创建地质表面模型对象

图11 地质实体模型的IDL对象层次结构

最终，地下地质数据的三维可视化分析系统的主界面如图12所示。对于原始表格形式的地质数据，本系统通过数据读取、插值和建模流程实现地质数据的三维可视化。系统提供了基本的漫游功能和图层控制功能，以便于对特定的地质层进行分析。其中，地质表面模型由地质层和侧面多边形组成；实体模型则基于立方体格网构建（见图13）。除了基本的可视化功能，系统中加入了目标地质层的统计分析功能，如最大最小值、均值统计等（见图14 在添加了坐标轴 配置地质层颜色等信息后可以将窗口图形导出制图。对于实体模型的地质数据可视化分析 提供了任意方向的切割面分析制作兴趣方向的地层剖面图（见图15）。

图12 地质表面模型分析系统主界面

图13 基于实体模型的地质数据分析

图14 特定地质层的统计分析

图15 地质数据的任意切割面分析

4 结束语

在研究了地质数据建模方法和特点的基础上，本文选择Skyline和IDL作为地质勘探中地上地形信息和地下地质数据三维可视化分析平台。然后，设计了目标系统的总体结构图和基于IDL对象图形系统的层次结构图。最终实现地质数据分析系统。实验结果表明，本文的研究思路能够很好将地面地形地貌分析与地下地质数据分析进行集成，实现地上地下信息的一体化分析。

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