地下空间数据挖掘与虚拟现实

1、地下空间数据挖掘与虚拟现实 地下空间数据挖掘与虚拟现实一、引言引言 目前，地理信息系统处理空间数据多停留在点、线、面三类二维的地表数据，对离散或连续的真三维数据进行处理尚处于初步研究阶段引言 本文基于ArcGIS 9.2版本中新开发的Extrude Between模块的拉伸封闭多边形面功能，以校区地下87个离散钻孔数据为例，进行三维虚拟实现 首先，进行空间数据的挖掘，即对87个钻孔数据通过预处理，对各个钻孔数据层进行空间内插，生成具有深度属性的各层等高线，最终生成模拟各地层上表面形态的TIN；然后，虚拟实现真三维数据的可视化及体视化，达到对地下实体空间进行逼真模拟，反映该校区古地形地貌以及地层

2、分布特征二、技术路线地下空间数据挖掘与虚拟现实技术路线本文是基于某校区地质初步勘察钻孔资料（静钻孔87只，进尺854.20m，工程编号：020806），建立、构造地层格架的三维建模虚拟现实技术三、数据挖掘地下空间数据挖掘与虚拟现实 地层在地质空间应该是连续分布的，但我们实际得到的钻孔信息都是离散的，必须采用一定的地层拟合方法，通过离散的地层资料来描述其空间分布规律数据挖掘数据挖掘1.获取原始钻孔点数据2.钻孔数据的预处理3.空间插值运算并生成各层的等高线4.建立TIN1.获取原始钻孔点数据 原始钻孔点数据即芜湖市建筑勘察设计院于2002年8月对校区初步勘察数据。本文以87只静探孔反映的地基土，

3、虚拟三维地层模型，并说明校区地形、地貌、地层分布特征 本文对钻孔数据的处理是运用ESRI公司的ArcGIS 9.2。对于获取的原始钻孔数据，我们根据三维建模的需要选取4层数据，即：1.素填土、2.粉质粘土、3.淤泥质粉质粘土、4.粉质粘土，来进行对人工填土层、粉质粘土层和淤泥质粉质粘土层的地貌虚拟重建 将扫描之后的某校区地下初勘阶段勘探点平面位置图在ArcGIS 9.2中打开，进行配准、图象校正，并将87个钻孔点及其4层数据，建立点图层及其数据库 2.钻孔数据的预处理 空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法 空

4、间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其他区域数据的方法 本文是通过已知点的数据推求同一区域其他未知点数据进行采样点进行光滑表明处理，故采用空间内插法3.空间插值运算并生成各层的等高线 在ArcGIS中有四种空间内插法：反距离加权法、多项式内插法、径向基函数法、克立格方法 反距离加权插值(Inverse Distance Weighting，简称IDW)作为一种几何方法，具有计算相对简单、操作便利等特点，是ArcGIS中最常用的空间内插方法之一 多项式内插法(Polynomial Interpolation)是根据全部或局

5、部已知值，按研究区域预测数据的某种特定趋势来进行内插的方法，属统计方法的范畴 径向基函数法(Radial Basis Functions，简称RBF)是一种函数内插方法，它内插所得的表面必须研究范围内的每一个已知样本点，属人工神经网络方法中的一种3.空间插值运算并生成各层的等高线 以上三种方法在ArcGIS中统称为确定性内插方法，由于传统统计学在研究地质问题中存在的局限性，数学地质学家在经典概率统计学的理论方法基础上，提出了地质统计学(Geostatistics)这一新兴边缘学科 地质统计学是以区域化变量(Regionalized Variable)理论为基础，以变异函数(Variogram)

6、为基本工具的科学，其主要研究内容为空间分布中具有双重特性(随机性和结构性)的自然现象，所以凡是在空间分布上具备双重特性的数据，都可使用地质统计学内的方法来进行处理和分析3.空间插值运算并生成各层的等高线3.空间插值运算并生成各层的等高线 由于本文引用的钻孔数据为全新世以来河流相冲积沉积地层，地面水系发达，水沟纵横交错，空间构形不规则，钻空数据不完整 地质统计要求数据的空间构形规则，数据完整，但实际勘测中，总会有个别网格的数据缺失 对缺失数据的处理方法之一是用邻域内数据按算术平均法填补，这种用邻域数据填补的方法计算的估计方差2 并没有增大，但可能会降低估值的精度 另一种方法是建立指示克立格（In

7、dicator kriging） 方程组求解权系数，若其中第 k 个估计点的数据缺失，则把第 k个估计点及其权系数k 一同去掉，对剩下的权系数重新归一获得一个新的系数矩阵，用这个新的系数矩阵代替，进行各种计算 这种经过规格化的“随机”数据构形求得的估计方差与普通的数据构形的估计方差两者相差不到 1 %，仍满足估值的精度要求，且可节省计算时间3.空间插值运算并生成各层的等高线在GA模块中，有七类克立格方法 钻孔点内插过后钻孔点数据 第二层等高线 在三维地层模型中，地层面是由钻孔数据插值拟合而成的，其上下对应的不同层之间则是由规则格网分解而成的三角网，在建立了各层的等高线之后通过等高线生成TIN4

8、.建立TIN第二层 TIN 地下空间数据挖掘与虚拟现实四、虚拟再现虚拟再现1.通过建立三维模型生成虚拟环境2.虚拟实现1.通过建立三维模型生成虚拟环境 三维地质体建模常用建模方法有面建模(Facial Model)，体建模(Volumetric Model)和混合建模(Mixed Model)三类 1）面建模通过表达三维空间实体的表面来表达实体对象 该建模方法所需数据量存储小，建模速度快，且便于显示和数据更新，但是难以基于该模型进行深入的空间分析 目前基于面模型建模的方法主要有表面构模法(Surface)、边界表示法(B-rep)、线框构模法(WireFrame)、断面构模法(Section)

9、和多层DEM法1.通过建立三维模型生成虚拟环境2）体建模法通过对体的描述实现三维空间目标的表示 由于该方法对空间实体内部也有表示，所以适用于空间操作和分析，但数据结构复杂，数据量大，构模速度较慢 目前基于体模型构模方法有实体几何构模(CSG)，八叉树构模(Octree)，四面体格网构模(TEM)和块段(Block)构模法 1.通过建立三维模型生成虚拟环境 三维体元模型是较为新颖的三维模型表达方法，以体元为基本单元，用来显示物体的内部细节 对于地层而言，由于要显示地表以下不同地质体的地层分布，体元的引入会大大降低模型操作的复杂性，使一些面模型无法表达的操作得以实现1.建立三维模型 生成虚拟环境3

10、）混合建模法是将上述两种建模法集成起来描述三维实体对象，从而综合两种模型的优点。例如TIN+CSG法等1.建立三维模型 生成虚拟环境 三维重建是计算机视觉、模式识别以及可视化技术等领域中的经典研究主题。本文基于钻孔柱状图提供的各钻孔点处各地层深度值，生成各地层TIN表面，再将各地层表面间地层用面拉伸多边形面片填充，从而既可以表达地层实体形态，也可以表达地层表面信息，同时也充分利用面模型和体模型的优点实现地质体三维可视化。虽然ArcGIS中提供的面拉伸多边形面片只是形式上的地层体，并没有地层体内部的数据，不能进行深入的空间分析，但是这种方法建模速度快，操作简单，仍有重要的实际意义2.虚拟实现1）

11、基于钻孔数据的数据挖掘，建立地层TIN表面2）基于面拉伸建立地层体：首先，获取TIN范围多边形。使用ArcToolbox的3D Analyst Tools下的Conversion命令。其次，将TIN范围多边形在两TIN图层间拉伸成封闭多边形面片。在ArcToolbox的3D Analyst Tools下的TIN Surface中，使用Extrude Between命令3）表达地质三维体：本文利用ArcScene提供的强大的三维模型的显示功能显示在ArcMap和ArcToolbox中建立的地层模型2.虚拟实现五、结论与展望地下空间数据挖掘与虚拟现实结论： 随着GIS技术的迅速发展，使得全面构筑地下空间信息成为可能。地下空间这一隐蔽实体透明化、可视化将为地质工程建设带来不可估量的理论与实际价值结论与展望本文所取得主要成果如下：把钻孔资料转化为直观的三维可视化信息实现了基于钻孔资料生成三维构造一地层格架实现了三维