地质矿山中三维GIS数据模型的应用问题

1、.测绘信息网httpothermap：.；测绘信息网测绘专业门户网站.地质矿山中三维GIS数据模型的运用问题程朋根龚健雅摘要论述了地质矿山中的三维景象及其描画方法，对三维数据模型作了综述，并对其在地质矿山中的运用问题作了讨论与分析。关键词地质矿山景象三维数据模型面向对象数据库可视化随着地理信息系统GIS广泛深化的运用和开展，它在处置空间信息以及提供辅助决策根据等方面发扬着越来越重要的作用，并将具有宽广的运用前景。然而目前的GIS大多数都以处置二维为主，即将空间对象投影到二维平面上，然后进展采集、处置与表示。对于垂直方向的第三维信息那么通常是笼统成一个属性值如高程、气压、温度等，然后进展空间操作

2、和处置。这种方式在处置单一的地表形状起伏时能显得有效，但由于它们无法建立空间实体的三维拓扑关系，使得很多真三维操作难以实现。因此在处置地质、矿山、海洋等领域的空间对象时将遭到很大的限制。处理这一问题的关键是建立三维GIS。三维GIS的实际研讨与产品开发都处于探求与实验阶段，众多学者对此作了较深化的研讨，获得了一定的成果，但目前还未开发出一个真正基于三维模型的GIS系统。因此研讨开发基于真三维的GIS系统具有非常重要的意义。本文首先分析了地质矿山中的各类地质景象和描画方法，其次对目前三维GIS模型的研讨作了综述，最后就三维GIS数据模型在地质矿山中的运用问题作了讨论与分析。1地质矿山中的地质景象

3、及其描画方法httpothermap 测绘信息网地质景象地质体极其复杂，虽然地壳中的地质体的成因、规模、形状构造差别较大，但从几何学的观念来看，各种地质体的构造都可以归纳为面状构造、线状构造和矿体。面状构造主要有层理地层、节理和断层断裂；线状构造包括呈线性习性的构造以及各种平面的交线，如褶皱的枢纽和线理等；矿体那么是富集某些矿物成份的岩石体，有层状、似层状、脉状和透镜状之分。作为管理三维地质景象的GIS来讲，主要思索的地质景象应为地层、断裂和矿体如图1。图1地层、断裂、矿体的体图地层是在一定地质时期所构成的层状堆积物或岩石，相邻地层之间 由地层界面加以区别。对于平面状的地层界面来讲，可以用其走

4、向、倾向和倾角产状数据来表示，但实践上地层界面往往不是稳定的平直面，而是顺走向和倾向都会发生变化而构成的曲面。为得到该曲面，通常采用测井资料和地震资料结合的方法来测定该曲面离散点的空间位置，然后利用趋势面拟合的方法获得地层界面的等值线图。因此地层界面可以采用数字高程模型DEM的方式来描画。断裂与地层比较类似，它将岩体分为上盘、下盘，但往往具有一定的宽度并与地表成一定的交角，其探测手段和描画方法与地层界面一致。矿体是一个三维实体，其外表为不规那么曲面，且内部矿体档次分布不均匀。对于矿体的外形，可以用一个不规那么的封锁曲面来确定。为确定矿体的范围，要经地表勘查、地下钻探以及推估等手段来完成，钻孔通

5、常按一定的规律布设沿纵横断面，经过对钻孔的测斜资料的计算，可得到钻孔经过矿体顶底板的三维坐标x、y、z。因此，可以采用DEM的方法来描画矿体的顶底板数字外表模型。根据钻孔测斜资料和岩心资料可计算矿体在不同空间位置的档次值，而这类值往往是有限的。为了从三维角度来描画、察看矿体的档次变化情况，不能用常规的数字等值线图来描画，而要用等值面来表示。为此可以采用三维趋势面拟合方法实现矿体档次空间分布的描画：othermap 测绘信息网一次的三维趋势面：Fb0+b1x+b2y+b3z二次的三维趋势面：Fb0+b1x+b2y+b3z+b4x2+b5xy+b6xz+b7y2+b8yz+b9z2甚至还可以采用三

6、次的三维趋势面来拟合矿体档次的空间分布。三维趋势面的表达通常采用屏风法、延续切片图剖面图以及立体图。其中立体图最为常见，该方法是将所研讨的矿体作为一个“基体进展分析，基体是一个空间六面体，它有六个相互平行的基面，当空间等值曲面与这些基面相交时，其交线即为函数在基面上的等值线。显然，从一定角度去看，最多只能看到其中的三个基面，如图2。基体内部的函数变化可以经过对基体作平行于各基面的切片来分层显示，这样经过一系列不同方向的切片图就可以全面了解矿体档次在空间的分布情况。othermap 测绘信息网图2矿体档次立体图在开展地质勘查和进展矿山开采时，除了天然的地质景象外，还存在一些人造工程。如探槽、钻孔

7、、竖井、斜井、巷道、采空区等。这些景象都是预先进展设计，然后再按设计要求进展施工。因此，这些工程具有一定的规律性，当精度要求不高时，可以采用CAD技术来加以描画。上述工程都有一定的数据获取和描画方法。如探槽测定探槽转机点空间坐标、探槽的宽度和深度；钻孔测定孔口坐标和不同深度的测斜参数，从而计算钻孔中心曲线的空间坐标；竖井、斜井、巷道那么类似于一个柱体，先沿纵向测定它们的中心或底、顶板点的空间坐标，然后每隔一定的间隔 测出柱体的横断面特征点的坐标；采空区的测定是依次测定程度的横断面，最后构成一个采空区。一切这些勘查工程，在地质勘查和矿山开采的图件上都应得到有效的反映。othermap 测绘信息网

8、2三维GIS数据模型综述建立三维GIS的中心问题是三维数据构造，根据三维数据构造的几何特征可以将三维数据构造分为二类：即基于面表示的数据构造和基于体表示的数据构造。2.1基于面表示的数据构造基于面表示方法的特点是借助微小的面单元或面元素来描画物体的几何特征。较流行的方法有格网构造、外形构造、面片构造和边境表示四种。格网是描画物体外表最常用的一种数据构造，它将研讨外表划分成规那么的格网，每个格网上有一个对应的属性值如高程。它主要用于建立数字地面模型和数字外表模型，同时采用这种模型很容易产生等高线图和三维网，但它不能表示多重值的外表。外形构造经过对象外表点的斜率来描画，根本元素是外表上各单元所对应

9、的法线向量。外形模型的一个重要运用实例是借助外形的浓淡技术来进展外表模型的重建。othermap 测绘信息网面片构造是用不同外形的面片来表示物体的外表。面片的外形有正方形、规那么三角形和不规那么三角形等。其中不规那么三角形TIN最为常用。由于它具有固定的构造和简单的处置过程，同时还可以较好地表示三角形之间的拓扑关系，可以坚持丈量数据的原始性。面片构造运用范围较广，例如建立数字地面模型、三维物体外表的可视化和空间数据变换等方面都可借助面片构造来实现。边境表示是一种分级数据构造。任何空间对象可以分解为四种根本元素的组合，即点、边缘、面、体。各类元素由几何数据、类型标识码以及与其它类元素的关系组成。

10、边境表示不仅可以表示诸如建筑物、机械零件一类的规那么物体，而且可以表示自在曲面，如汽车外表、地表模型等。上述几种构造中，边境表示主要用于CAD方面表示规那么物体，其它构造那么适宜表示具有不规那么外形的物体。2.2基于体表示的数据构造httpothermap 测绘信息网基于体表示的构造是用体信息替代面信息来描画对象的内部。运用这些表示，物体的体信息可以被表示、分析和可视化。这种表示有：三维栅格三维二进制阵列构造、指针构造、八叉树、构造实体几何、不规那么四面体等。三维栅格构造是将研讨空间划分成三维空间阵列，其值为0和1，1表示被物体占据，0表示空。这种构造无数据紧缩，占用较大的存贮空间，计算速度慢

11、，因此它是过渡性的构造，通常在处置过程中作中间表示运用。指针构造是在三维栅格构造的根底上采用数据紧缩技术而开展起来的，它将一样x、y上的一切z方向的值采用行程编码技术进展数据紧缩。这种构造常用于表示诸如地层、地温、地下水之类的均质层状三维实体。八叉树是一种更为有效的表示体的方法，是二维四叉树在三维上的扩展，它是分层次地将研讨空间分成八个大小相等的栅格八分体，直到一切八分体的属性值为0或1为止。八叉树的编码方法有普通八叉树、线性八叉树、三维行程编码八叉树等。其中线性和三维行程编码八叉树，由于数据紧缩量大，操作灵敏，在三维数据构造中用得较多，用它表示矿体的存储空间普通仅为普通三维栅格构造的1030

12、8。八叉树表示在空间分析、布尔操作、数据库管理方面都很好。诸如矿体之类的不规那么体对象通常采用这种构造来描画。构造实体几何CSG是经过预定义好的具有规那么外形的根本体元的组合来表示一个物体，如立方体、圆柱体。体元之间的关系包括几何变换和布尔操作。通常CSG表示是一个布尔树构造，叶结点对应布尔操作，这种构造适宜表示规那么外形的物体。这种构造在CADCAM中运用广泛。不规那么四面体构造是不规那么三角形构造TIN向三维的扩展，它以四面体作为最根本的体元来描画物体。在这种构造中以衔接但不重叠的不规那么四面体构成格网。这种构造具有体元构造简单、快速几何变换、拓扑关系的快速处置和适宜于快速显示不思索消隐，

13、从后往前显示等的优点。它既可以描画建筑物等规那么物体，也可以表示矿体、地表、地层等不规那么物体。上述几种构造中，CSG适宜表示规那么外形的物体，三维栅格构造、指针构造、八叉树构造适宜表示不规那么外形的物体，而不规那么四面体那么可以用来表示规那么和不规那么的物体。othermap 测绘信息网2.3基于八叉树和四面体的混合数据构造由于八叉树具有构造简单、操作方便的特点，但数据量随分辨率的增大而成倍添加，而四面体网格既能维护原始数据，又具有准确表示坐标和空间拓扑关系的才干。因此文献5提出了一种基于八叉树和四面体格网的混合构造，如图3。其根本思想是以八叉树作整体描画，四面体作部分描画，并在八叉树构造中

14、设置一个属性值来实现八叉树与四面体格网的结合。混合数据构造的数据组织中包括：八叉树编码、属性、四面体体号、面号、属性、三角形面号、边号、属性、线线号、起点、终点、属性、结点x、y、z属性五个描画表。混合数据构造实现了数据构造的灵敏性，对提高表示精度，减少数据量是非常有益的。文献5对这种构造作了实验性研讨，获得了一定的效果，比较适宜于具有断层的矿体描画。othermap 测绘信息网图3八叉树和四面体格网的混合构造52.4基于边境表示的三维矢量数据构造边境表示通常用于三维几何外型，文献7将其引伸到地质领域。即以点边环界面体来描画一个研讨区域体，并建立空间拓扑关系。这种构造中以为体由界面划分、界面由

15、环构成、环由边组成、边包含起点、终点。这样三维GIS的拓扑关系由五个关系表组成：a.结点起始边终结边；b.边起结点终结点过该边的环；c.环组成该环的边内邻界；d.面外环内环正面相邻体负面相邻体；e.体包围体的曲面。并采用“界面引入体划分的方法来实现三维拓扑关系的动态建立以维护。即对任何一个内部构造复杂的研讨区域体，从没有任何内部构造的简单体域开场，逐个引入分界面，每引入一个分界面，就对体域进展一次划分，将原来的一个体域一分为二。界面引入的准那么是由大到小，由新到老。根据这一准那么对地质体来讲，引入的界面依次是：地形面、水体顶面、最新的不整合面、最新的区域性大断裂、最后才是地层分层面。这种“界面

16、引入体划分的不断细分过程可用二叉树数据构造来记录，如图4。文献7根据这一思想采用C+言语开发了一个实验系统的雏形，这种构造在地质勘探中对整个研讨空间描画比较适宜，但地质矿山领域中的空间对象要比此复杂得多。othermap 测绘信息网图4界面体之间的二叉树关系图72.5矢量与栅格集成的三维数据模型由于矢量、栅格的三维数据构造各有其特点。对于许多空间景象单独用矢量数据构造或单纯用栅格数据构造均不能有效地处理一切的问题。因此文献6提出了基于矢量与栅格集成的三维数据模型，并采用面向对象的技术对空间对象进展笼统，概括出矢量与栅格一体化的三维空间数据模型，如图5。该模型中将三维空间对象笼统成：结点点状地物

17、、弧段、线状地物、面状地物、数字外表模型、断面、影像、像元、体状地物、数字立体模型、体元、柱状地物、复杂地物共13类空间地物和位置坐标1个数据构造。文献6还分别定义了各类地物的数据构造。在数据构造定义中，涉及到大量的对象嵌套关系和变长记录，充分表达了面向对象的特点，即无论怎样复杂的对象都可以用一个构造来表示，使得了解这一模型非常容易和自然。因此非常适宜描画地质矿山领域中的各类地质景象，便于相关软件的开发。有关实验系统正在研讨之中。图5三给空间数据模型62.6三维GIS数据模型运用实例目前还没有真正基于三维GIS数据模型的软件产品出现，人们仍处于研讨阶段。下面仅给出两个实验性的运用实例。文献11

18、采用了基于三维行程编码、八叉树的三维栅格数据模型和基于不规那么四面体的三维矢量模型的数据构造，在SUN SPARC 20任务站上，采用C+言语、OpenGL图形库、Oracle关系数据库等系统软件，开发了一个实验系统，用于三维空间数据的管理、查询和可视化。在地质、城市规划、海洋等三个领域做了地表三维立体图、城市立体地形图、地温变化立体图、等温面立体图等运用的实验，获得了较好的效果。文献13采用基于八叉树和不规那么四面体的混合数据构造，在惠普HP任务站上采用Starbase图形库和C言语，开发了一个实验系统。在一9km X5km范围的煤田区域作了实验，实验区内大约有100个钻孔、3个煤层、多层岩

19、石，有钻孔采样数据、地表数据、钻孔定位数据、断层数据等数据。实验包括建立实验区的三维模型、三维可视化和对不同地质构造的一些特殊分析，实验获得了预期的效果。othermap 测绘信息网3三维GIS数据模型在地质矿山中运用分析3.1数据模型的运用从1节可以看出地质矿山景象极其复杂，既包括地层、断裂、矿体等天然地质体，也包括钻孔、竖井、巷道、采矿区等人工设备。从几何角度来看包括点、线、面、体。因此采用什么样的三维数据模型来描画地质矿山景象应针对各类景象的特点而异。应本着描画构造简单、具有拓扑关系、满足一定的空间精度、便于处置与分析的原那么。文献5在传统三维数据模型的根底上进展了开展，有效地处理了体描

20、画中的实践问题。实践上，地质矿山景象远远不限于这些普通的体，还包括线如钻孔、柱体如巷道、竖井等这样一些非体和特殊体的地质景象。此外，矿体档次的分布也是一个非常特殊的体分布。针对这些情况，文献6作了较深化的研讨，处理了地质矿山中的天然地质体和人工设备的描画问题。为了便于快速的空间分析和可视化，作者以为可在文献6描画的各类地物数据构造中添加一个包含对象的最小体参数。此外，如何较为准确有效地描画矿体内矿物成份分布特征是值得进一步研讨的问题。总之，由于地质矿山景象的复杂性，描画的数据模型比较复杂，目前还未见一个真正满足地质矿山领域的基于三维数据模型的三维GIS软件。可以置信，采用面向对象技术与方法来分

21、析研讨适宜地质矿山景象的三维GIS数据模型是未来的趋势。3.2数据库管理与可视化手段httpothermap 测绘信息网合理有效的管理反映地质矿山中的各种景象的数据需求数据库管理系统的支持，由于描画地质矿山景象的数据构造中，涉及到对象嵌套和记录变长这样的数据特征，因此最好采用面向对象的数据库管理系统才干有效地进展管理。也可以充分利用现有关系数据库如Access、SQL Server的Binary和备注字段实现变长记录的管理，但效率会有所降低。最终问题的处理还需求面向对象的数据库管理系统或自行设计的文件系统来实现。该类数据库管理系统应提供构造化查询言语，以实现对三维空间对象的不同操作。这些操作应

22、包括量测、预测、目的生成等。可视化是地理信息系统的主要功能，也是直观地观测空间数据库的主要手段。三维物体的可视化可以自创三维几何外型的方法进展，但还远远不能满足地质矿山中的三维景象的要求。目前三维对象可视化技术得到了较大的开展，较为领先的主流3D软件有：OpenGL、QD3DQuick Draw 3D和Direct3D。OpenGL是独立于操作系统的，有120多个功能强大的函数，具有开放性，是目前科学和工程运用中的无异议的规范，但它短少面向对象才干。而QD3D是完全面向对象的，可以利器具有内在特征如光照、几何变换和纹理映象等的新的对象实例，简便地构造3D。Direct3D和QD3D一样，也是一

23、个简约的面向对象的可扩展体系构造，但遭到WIN95的限制。这三种3D软件各具特点，在进展地质矿山景象的可视化处置时，可根据运转环境和功能需求进展选择。在Windows环境下采用VC+ 言语调用3D函数的方法，既可以得到较好的三维效果，同时可以简化软件开发过程。处理可视化问题的关键是三维数据模型与可视化软件的接口。4终了语httpothermap 测绘信息网三维GIS的运用需求越来越紧迫，但目前支持三维对象尤其是地质矿山景象的三维GIS软件还不成熟。学者们对此作了很多研讨，并获得了初步效果。研讨开发三维GIS系统任重道远，置信随着计算机技术、数据库技术和可视化技术研讨的不断深化和开展，面向地质矿山需求的三维GIS将会很快实现。* 本文得到国家出色青年科学基金工程编号49525101和测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金资助工程编号