三维地学建模与可视化-概述

邹艳红E-mail:z-yhongstu@163.com三维地学建模与可视化主要内容三维地学建模概述三维空间数据获取方法面向地学的三维空间模型与算法数字地形建模与地物建模三维地质显式建模与隐式建模参考书

1.史文中，吴立新，李清泉，王彦兵，杨必胜.三维空间信息系统模型与算法.电子工业出版社，2007其它根据实际项目撰写的有关地学三维建模书籍： 2.焦养泉，朱培民，雷新荣，杨生科等.地学空间信息三维建模与可视化-鄂尔多斯盆地及相关领域的实践.科学出版社，2006

3.毛先成，邹艳红，陈进，赖建清，彭省临.隐伏矿体三维可视化预测.中南大学出版社，2011……………主要期刊杂志测绘学报测绘通报地理学报地理信息科学Computer&GeoscienceInternationalJournalofGeographicalInformationSystemGeomatics……………考核方式选一篇相关的英文文章翻译，英文不少于10页；提交地学信息三维建模与可视化实例或进展报告，参考文献不少于20篇。1概述地学系统与地学认知模型地学三维空间信息系统3DGIS与3DGMS三维地学建模地学三维可视化1.1地学系统与地学认知地学Geoscience可理解为geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地学科（前缀为geo-）的统称。1.1地学系统与地学认知1）地理系统与GIS的研究范围

地理系统主要涉及地球表层空间，按层次分为岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层，它们在空间上有交叉。

传统的GIS涉及范围主要在岩石圈和大气圈之间，即地球表面。

1）地理系统与GIS的研究范围

GIS不仅仅是一个技术实现，而是与计算机科学、地理学、测绘学密切相关的一门科学。

-Goodchild，1992年

GIS是地理信息学方法的一种实现手段，它作为集计算机科学、测绘遥感学、地图制图学、地理学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的边缘学科，是以解决资源与环境等全球性问题而迅速发展起来的科学和产业，是对整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据进行采集、存贮、管理、分析和描述的空间信息系统。-李德仁，1994

1.1地学系统与地学认知1.1地学系统与地学认知2）GIS研究范围的拓展与地学系统

随着GIS在气象等涉及全球变化以及地下工程（地质、矿山）领域的应用与发展，GIS向上已渗透到大气层及地球的外层空间，向下进入地球内部岩石圈以内。从学科融合与交叉的角度，一些学者把涉及地球内部、表面及外部的系统通称为地学系统。

地下地下商场地铁地下停车场地表地上人防工程地下管线空气质量天气地下构造与自然资源GIS研究范围的拓展与地学系统1.1地学系统与地学认知3）地学认知与认知模型

地学认知是指人类如何认识自己赖以生存的地学环境，包括位置、分布、关系、变化和规律等。

根据GIS数据处理与组织方式，目前，地学认知模型大体分为三类：

（1）基于对象的地学认知模型

（2）基于网络的地学认知模型

（3）基于域的地学认知模型栅格结构矢量结构

（1）基于对象的地学认知模型

（2）基于网络的地学认知模型

（3）基于域的地学认知模型表达：矢量数据模型栅格数据模型混合数据模型地学认知与GIS表达1.2地学三维空间信息系统从描述对象的数据角度空间信息系统发展过程

可分为：1）以二维数据描述地理对象：数据库管理与机助制图，具有平面制图和平面分析功能。2）2.5维的空间分析与可视化应用：DEM的应用3）准三维（2.75维）和真三维空间分析与可视化： GIS是空间信息系统发展的基础和重要组成，空间信息系统是GIS发展的延拓，其研究对象由地形、地表扩展到地下空间及地形、地表与地下集成空间1.2地学三维空间信息系统

地学三维空间信息系统研究三维空间信息采集、描述、组织、表达、建模、分析与可视化过程。目前形成了两大并行发展的支流：1）3DGIS：以地球表面及其上自然地理实体、人工构建实体为研究对象的三维地理信息系统2）3DGMS：3Dgeosciencemodelingsystem，是以地球表面及其下自然地质实体、人工开掘实体为研究对象的三维地学模拟系统

3DGIS：将三维空间坐标（x,y,z)作为独立参数进行空间实体对象的几何建模，其数学表示为:F=f(x,y,z)，所建立的模型不仅可以实现真三维可视化，而且可以进行三维空间分析。

由于缺少三维数据模型与数据结构的支持，现有的商用GIS系统难以执行三维空间操作与分析，三维空间信息的有效表达与可视化处理受到严重制约，目前还没有真正的“3DGIS”系统。研究议题包括：三维空间数据模型、三维拓扑数据模型、三维空间数据库、三维空间查询与三维可视化。

3DGMS是随着科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术而发展起来的。针对传统的地质信息模拟和表达方法（平面图、剖面图、透视图）的不足与缺陷，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体和地质环境。

将三维空间坐标（x,y,z)作为参数进行空间实体对象的几何建模。

3DGMS多以三维空间构模和地学可视化为主，拓扑空间关系考虑较少。但由于3DGMS以体元构模为主，离散化为栅格模型表达属性应用较多。因此，国外、国内都相继推出了一批在矿山、岩土与地质领域广为应用的3DGMS软件1.3三维空间构模现状空间维数分析:2DGIS2.5DGIS

准(quasi)3DGIS：2.75DGIS、假3DGIS准3DGIS、准3DGMS

只描述空间实体的外部轮廓，不表达其内部目标拓扑关系及属性。

真3DGIS（有争议）、真3DGMS

以体元的方式在描述三维空间实体外部轮廓的同时，表达其内部属性。

地形二维可视化表达同一地区不同条件下地貌晕渲图地貌晕渲加等高线明暗图地面DTM基于地物叠加的DEM可视化基于遥感、航空影像的地形三维景观

（航空）正射影像+DEM

基于地物叠加的DEM可视化三维地面景观模型三维线框建模1.3三维空间构模现状三维空间构模方法分类:

（1）基于几何描述的分类

针对地学空间目标几何特征的描述分为面元模型和体元模型。

（2）基于拓扑描述的分类

Zlatanova将三维拓扑空间模型数据结构分为两组：维护对象、维护关系。拓扑模型由二维向三维发展困难。三维拓扑模型往往针对具体领域。

（3）基于节点数据的分类

矢量构模、栅格构模、矢栅混合构模或集成构模

相关的主要著作SWHoulding.3DGeoscienceModeling:ComputerTechniquesforGeologicalCharacterization.Berlin:Springer-Verlag,1994.J.-L.Mallet,Geomodeling.NewYork:OxfordUniversityPress.2002.JiyeongLee,SiykaZlatanova.3DGeo-informationScience.Spr