基于GIS的三维地质可视化系统设计与实现

工程地质计算机应用　２０１１年第４期　总６４期　※编程技术应用实践※　基于ＧＩＳ的三维地质可视化系统设计与实现　宋仁波　江南２　（１淮阴师范学院城市与环境学院淮安２２３３００；２南京师范大学地理科学学院南京２１００４６）　【摘要】提出一种基于ＡｒｃＧＩＳ　３Ｄ模块．ＡｒｃＳｃｅｎｅ实现地质场景三维可视化方法。其主要原理是：首先利用ＳＲＴＭ　数据源建立地形表面的ＴＩＮ模型，然后利用ＡｒｃＳｃｅｎｅ内嵌的ＶＢＡ语言功能实现了钻孔数据提取程序，从而实现　了钻孔数据的自动提取、三维显示和图形编辑。此外，基于ＳｃｅｎｅＶｉｅｗｅｒ组件的二次开发建立了三维地质应用程　序子系统原型，最后以南京仙林地质调查的真实数据为例，进行实例验证。结果表明，该系统能取得较好的三维　可视化效果和强大的空间查询能力，不仅在地质领域具有一定的应用价值，而且可推广应用其他地学领域。　【关键词】三维可视化；ＧＩＳ；地质场景；ＡｒｃＳｃｅｎｅ；ＴＩＮ模型；ＶＢＡ；城市地质调查　三维地质可视化是ＧＩＳ研究的重要内容之一，相关领域专家做了大量研究工作，主要目标是通过建立　三维地质模型来直观、形象地展示地下岩层的形态和空间分布　ｑ】。在实际工作中，如何直观、高效地管理　和分析钻孔数据是迫切需要解决的问题，因为它是建立三维地质模型的重要基础［４】。由于传统的二维ＧＩＳ　本质上是基于抽象符号的系统，难以给人以真实的感受，不能满足人们的需求，迫切需要借助三维ＧＩＳ系　统解决这一问题Ｌ５Ｊ。目前，一方面传统的ＧＩＳ系统，如ＡｒｃＧＩＳ、Ｓｕｐｅｒｍａｐ、ＭａｐＧＩＳ和ＧｅｏＳｔａｒ等系统都　具备三维地形及地表三维构筑物的建模能力，但仍缺少三维地质可视化功能；另一方面，常用的三维可视　化开发工具，如Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ、Ｊａｖａ３Ｄ、ＶＲＭＬ和ＯｐｅｎＧＬ等进行三维地质模型系统的实现时，都需要从底层　编写代码，工作量大，开发周期长。　实际上，无论是在三维地质场景的建立、对象查询和编辑，还是建模与可视化的各个阶段，都可以根　据需要在现有的ＧＩＳ系统基础上进行功能扩展来实现。本文研究的主要目的是基于现有ＧＩＳ软件平台，建　立三维地质可视化系统。利用ＡｒｃＧＩＳ　３Ｄ模块．ＡｒｃＳｃｅｎｅ平台建立地形三维模型，通过其内嵌的ＶＢＡ程序　实现平台的二次开发，快速生成地下空间三维地质场景，为开发集成地形数据、遥感数据和地下空间三维　数据等多源数据的三维地质可视化系统，提供了一条简捷、快速的技术路线。同时，三维地质可视化系统　强大的数据管理和可视化分析功能，将为城市规划、工程施工和风险评估提供有力的技术支持。　２基于ＡｒｃＳｃｅｎｅ的三维地质可视化系统设计　根据开发三维地质可视化系统总体目标的需要，该系统设计由两个子系统组成，它们是三维地质场景　子系统和端应用程序子系统。其中，三维地质场景子系统部分包括地形建模和钻孔建模两个子模块，它是整　个三维地质可视化系统的重要基础，主要实现三维地质场景的建立、空间位置和属性信息的编辑等基本功　能；应用程序子系统包括三维显示和空间分析两个子模块，它主要是根据用户的需要，实现三维地质场景　的浏览、查询和空间分析等定制功能，系统的总体设计结构见图１。　２２　工程地质计算机应用　２Ｏ１１年第４期　总６４期　图１系统总体设计结构图　３三维地质可视化系统的实现　３．１开发平台及关键技术　ＡｒｃＧＩＳ　３Ｄ分析模块一ＡｒｃＳｃｅｎｅ是ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ组件的一部分，它内含３Ｄ对象模型、３Ｄ几何模型以及　３ＤＶｉｅｗｅｒ对象，支持具有ｚ值的多种３Ｄ几何要素，包括点（Ｐｏｉｎｔ）、线（Ｌｉｎｅ）、面（Ｐｏｌｙｇｏｎ）和多面片　（ＭｕｌｔｉＰａｔｃｈ），同时提供了强大的三维可视化和空间分析功能。ＡｒｃＳｃｅｎｅ所提供的３Ｄ对象都是ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ　的一部分，ＡｒｃＯｂｊｅｅｔｓ是桌面式ＡｒｃＧＩＳ的核心部分，是基于ＣＯＭ技术的，ＡｒｅＯｂｊｅｃｔｓ体系对外提供了　大量的接口，其中包括１２００多个可以进行定制、扩展和开发ＧＩＳ应用程序的对象，通过这些对象接口，　支持地图数据的显示、管理、存储等操作【６】。针对ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ　３Ｄ的二次开发，具体的开发方法分为两种：　１）基于ＡｒｃＳｃｅｎｅ中内嵌的ＶＢＡ开发；２）基于ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ　３Ｄ组件，通过ＶＢ、Ｖｃ抖等面向对象开发语言　对其进行二次开发。本文在地质场景建立阶段采用第一种方法，在开发应用程序阶段采用第二种方法。　ＡｒｃＯｂｊｅｃｔ组件开发的原理如图２所示。　图２　ＡｒｃＯｂｊｅｃｔ组件开发原理　３．２系统开发技术路线　系统的主要开发实现流程如图３所示。　工程地质计算机应用　２０１１年第４期　总６４期　图３系统开发的工作流程　３－３数据源和数据处理　３＿３．１　ＳＲＴＭ数据和处理　ＳＲＴＭ高程数据在地学领域已经广泛应用。采用的比较多的是ＳＲＴＭ３．２高程数据，其垂直分辨率为　９０ｍ，空间分辨为ｌｋｍ，可以满足大部分地形建模及可视化的要求［’］。ＳＲＴＭ高程数据可以免费从　ｈｔｔｐ：／／ｓｒｔｍ．ｃｓｉ．ｃｇｉａｒ．ｏｒｇ／ＳＥＬＥＣＴＩＯＮ／ｉｎｐｕｔＣｏｏｒｄ＿ａｓｐ下载。根据城市地质调查区域的地理位置，选择覆盖南京仙林地　区的ＳＲＴＭ高程数据，建立三维地形模型。　这里需要注意的是，由于下载得到的ＳＲＴＭ数据范围要远大于研究区域的范围，需要利用ＧＩＳ工具对　其进行裁剪才能够使用。　３．３．２钻孔数据和处理　现有的地下勘探手段主要包括地质钻孔、工程钻孔、浅震和高密度电法，通常这些方法获取的资料都　转换成钻孔数据。由于获取的钻孔数据分散存储于不同的Ｅｘｃｅｌ文件中，首先需要对钻孔数据进行数据转　换，并对其数据结构重新进行设计，然后将数据统一存储于ＤＢＦ数据表文件中，最后利用ＡｒｃＣａ￣ｌｏｇ建　立空间数据库实现对钻孔表数据的管理和维护，钻孔的数据结构和部分数据如图４所示。　Ｎａｍｅ　ｆ押ｅ　Ｓｉｚｅ　Ｄｅｃ　曲钻孔缡号　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　１８　０　９－ａ顶层坐标　Ｎｕｍｅｒｉｃ　９　１　９．●底层坐标　Ｎｕｍｅｒｉｃ　１０　１　９．●匣睦　Ｎｕｍｅｒｉｃ　１１　１　曲地层岩性　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　３５　０　曲地层颜色　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　２０　０　ａｂ地层代码　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　１２　０　９．。高程　Ｎｕｍｅｒｉｃ　１１　０　ｇ１日顶层高程　Ｎｕｍｅｒｉｃ　１０　０　ｇ＿＿底层高程　Ｎｕｍｅｒｃｉ　１０　０　９．１１×投影坐标　Ｎｕｍｅｒｃｉ　１３　５　ｇ．１暇睡啊●■■——■—————＿　ａ）钻孔表的数据结构　ｂ）部分钻孔数据内容　图４钻孔的数据结构和部分数据　３．４三维地质场景的建立　３．４．１三维地形的建立　建立三维地形模型的主要操作步骤依次是：　１）首先利用Ｇｌｏｂａｌ　Ｍａｐｐｅｒ工具，根据经纬度范围裁剪出研究区域的ＳＴＲＭ数据的栅格数据，并以　ＧｅｏＴＩＦＦ格式存储；　２）然后利用ＡｒｃＭａｐ的Ｃｏｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｏｏｌｓ工具将上一步生成的栅格数据转换为点数据，并存储为ＧＲＩＤ　格式；　３）在ＡｒｃＳｃｅｎｅ平台下，基于上一步生成的ＧＲＩＤ数据，利用３Ｄ　Ａｎａｌｙｓｔ的Ｃｒｅａｔｅ　ＴＩＮ工具创建立地　２４　工程地质计算机应用　２０１１年第４期　总６４期　形的ＴＩＮ模型，形成其三维图像显示。　３．４．２三维钻孔对象的绘制　利用３Ｄ线描述钻孔数据的空间位置，然后在渲染阶段，根据钻孔的岩性将其３Ｄ符号化成一系列不同　颜色的圆柱体来表达三维钻孔对象，具体实现主要通过两步骤实现：１）首先根据钻孔数据表中每个钻孔记　录的岩性属性值，建立３Ｄ符号列表；２）根据３Ｄ符号列表，符号化绘制的每一钻孔的３Ｄ线对象，实现　钻孔模型的三维显示。　此外，为提高绘制钻孔数据的自动化程度，利用ＡｒｃＳｃｅｎｅ内嵌的ＶＢＡ程序开发钻孔数据提取功能模　块，从而实现三维钻孔数据的批量读取和三维显示，其主界面如图５所示。　图５钻孔数据提取和三维显示界面　３．５应用程序子系统原型实现　３．５．１通用功能的实现　基于ＳｃｅｎｅＶｉｅｗｅｒ１．０组件，利用ＶＢ６．０对其进行二次开发，实现应用程序子系统的通用功能，主要包　括地质场景数据的加载、三维显示和漫游功能，系统的主界面如图６所示。　图６三维地质应用程序子系统原型界面　２５　工程地质计算机应用　２０１１年第４期　总６４期　３．５．２空间查询功能的实现　空间查询功能是三维地质应用程序的重要组成部分，该功能实现对钻孔三维模型的查询，通过鼠标点　击钻孔对象查询其编号、高程、厚度和岩性等信息。开发中主要用到了ＩＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ接口的Ｌｏｃａｔｅ函数、　ＩＳｃｅｎｅ接口的ＳｅｌｅｃｔＢｙＳｈａｐｅ函数和ＦｅａｔｕｒｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎ函数，并通过Ｉｄｅｎｔｉｆｙ空间查询子程序实现。其中，Ｌｏｃａｔｅ　函数和ＳｅｌｅｃｔＢｙＳｈａｐｅ作用是查询钻孔三维模型，ＦｅａｔｕｒｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎ的作用是返回钻孔模型的属性信息，　Ｉｄｅｎｔｉｙ空间查询子程序的主要代码如下所示：ｆ　２６　Ｄｉｍ　ｐＰｏｉｎｔ　Ａｓ　ＩＰｏｉｎｔ　Ｄｉｍ　ｐＯｗｎｅｒ　Ａｓ　ｓｔｄｏｌｅ．ＩＵｎｋｎｏｗｎ　Ｄｉｍ　ｐＯｂｊｅｃｔ　Ａｓ　ｓｔｄｏｌｅ．ＩＵｎｋｎｏｗｎ　Ｄｉｍ　ｐＶｅｃｔｏｒ　Ａｓ　ＩＶｅｃｔｏｒ３Ｄ　ＤｉｍＺＡｓ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｄｉｍ　ｅｎｖ　Ａｓ　ＩＳｅｌｅｃｔｉｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｄｉｍ　ｐＳｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ａｓ　ＩＳｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ｄｉｍ　ｐＥｎｕｍＦｅａｔｕｒｅ　Ａｓ　ＩＥｎｕｍＦｅａｔｕｒｅ　Ｄｉｍ　ｐＥｎｕｍＰｏｒｐｅｒｔｙ　Ａｓ　ＩＥｎｕｍＰｒｏｐｅｒｔｙ　Ｄｉｍ　ｐＦｅａｔｕｒｅ　Ａｓ　ＩＦｅａｔｕｒｅ　Ｄｉｍ　ｐＦｉｅｌｄｓ　Ａｓ　ＩＦｉｅｌｄｓ　Ｄｉｍ　ｐＦｉｅｌｄ　Ａｓ　ＩＦｉｅｌｄ　Ｄｉｍ　Ｆｉｎｄｅｘ　Ａｓ　Ｌｏｎｇ　Ｄｉｍ　Ｆｉｅｌｄｎａｍｅ　Ａｓ　Ｓｔｒｉｎｇ　Ｓｅｔ　ｅｎｖ＝Ｎｅｗ　ＳｅｌｅｃｔｉｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ．Ｌｏｃａｔｅ　ｐＳｃｅｎｅＶｉｅｗｅｒ，Ｘ，ｙ，ｅｓｒｉＳｃｅｎｅＰｉｃｋＧｅｏｇｒａｐｈｙ，Ｔｒｕｅ，ｐＰｏｉｎｔ，ｐＯｗｎｅｒ，ｐＯｂｊｅｃｔ　Ｓｅｔ　ｐＶｅｃｔｏｒ＝ｐＣａｍｅｒａ．ＧｅｔｌｄｅｎｔｉｆｙＶｅｃｔｏｒ（ｐＰｏｉｎｔ）　Ｚ　ｐＶｅｃｔｏｒ．ＺＣｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｐＰｏｉｎｔ．ｚ＝Ｚ　ｐＳｃｅｎｅ．ＳｅｌｅｃｔＢｙＳｈａｐｅ　ｐＰｏｉｎｔ，ｅｎｖ，Ｔｒｕｅ　Ｓｅｔ　ｐＳｅｌｅｃｔｉｏｎ＝ｐＳｃｅｎｅ．ＦｅａｔｕｒｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ｓｅｔ　ｐＥｎｕｍＦｅａｔｕｒｅ＝ｐＳｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ｓｅｔ　ｐＦｅａｔｕｒｅ＝ｐＥｎｕｍＦｅａｔｕｒｅ．Ｎｅｘｔ　ＩｆＮｏｔ　ｐＦｅａｔｕｒｅ　Ｉｓ　Ｎｏｔｈｉｎｇ　Ｔｈｅｎ　Ｓｅｔ　ｐＦｉｅｌｄｓ＝ｐＦｅａｔｕｒｅ．Ｆｉｅｌｄｓ　Ｆｉｅｌｄｎａｍｅ＝”ＦＩＤ”　Ｆｉｅｌｄｎａｍｅ＝”ＷｅｌｌＩＤ”　—ＦｉｅｌｄＩ１ａｍｅ＝”Ｇｅｏ”　Ｆｉｎｄｅｘ＝ｐＦｉｅｌｄｓ．ＦｉｎｄＦｉｅｌｄ（Ｆｉｅｌｄｎａｍｅ、　Ｉｎｆｏｆｏｒｍ．Ｔｅｘｔ１．Ｔｅｘｔ＝ＣＳｔｒ（ｐＦｅａｔｕｒｅ．Ｖａｌｕｅ（Ｆｉｎｄｅｘ））　Ｉｎｆｏｆｏｒｍ．Ｔｅｘｔ１．Ｔｅｘｔ＝ｐＦｅａｔｕｒｅ．Ｖａｌｕｅ（Ｆｉｎｄｅｘ１　Ｉｎｆｏｆｏｒｍ．Ｔｅｘｔ１．Ｔｅｘｔ＝Ｆｉｅｌｄｎａｍｅ　工程地质计算机应用　２０１１年第４期　总６４期　Ｉｎｆｏｆｏｒｍ．Ｓｈｏｗ　４结语　利用ＡｒｃＧＩＳ　３Ｄ模块为开发集成地形数据、遥感数据和地下空间三维数据等多源数据的三维地质可视　化系统，提供了一条简捷、快速的技术路线。本文采用了ＡｒｃＧＩＳ　３Ｄ模块．ＡｒｃＳｃｅｎｅ模块建立三维地质场　景，取得了满意的效果；同时，利用ＡｒｃＳｃｅｎｅ提供的ＳｃｅｎｅＶｉｅｗｅｒ控件开发了三维地质应用程序子系统原　型，为建立真三维地质模型系统奠定了良好的基础。此外，系统重要的三维建模功能有待后续开发，使系　统能够为地下空间研究提供直观、高效的技术手段。　参考文献　［１】ＭＡＬＬＥＴ　Ｊ　Ｌ．Ｇｅｏ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｍ］．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