礦山地質(zhì)勘察三維可視化管理系統(tǒng)與建模技術(shù)研究

0 　引 　言

隨著地理信息技術(shù)的飛速發(fā)展 ,三維可視化表達(dá)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越引起人們的注意。但現(xiàn)有的 GIS 軟件只能用數(shù)字高程模型來(lái)處理空間實(shí)體的高程坐標(biāo) ,無(wú)法建立空間實(shí)體的三維拓?fù)潢P(guān)系 ,因而使得真三維操作難以實(shí)現(xiàn) ,故被稱(chēng)之為二維 GIS或 2. 5 維 GIS。例如地質(zhì)采礦、地表沉降、地下水遷移、地表預(yù)應(yīng)力分布、以及環(huán)境污染等均為三維現(xiàn)象 ,當(dāng)以二維系統(tǒng)來(lái)描述它們時(shí) ,不能精確地反映、分析或顯示有關(guān)數(shù)據(jù)。本文以城市三維地質(zhì)勘察管理信息系統(tǒng)為例 ,分析真實(shí)三維數(shù)據(jù)模型的可視化表達(dá)與系統(tǒng)建模方法。

許多學(xué)者都對(duì)三維 GIS 的理論和方法進(jìn)行了廣泛研究。但是對(duì)于一個(gè)真正的三維 GIS 的建立 ,這些工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。首先是在二維 GIS 中還有許多問(wèn)題沒(méi)有圓滿(mǎn)解決 ,如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)建模、高效的拓?fù)潢P(guān)系描述及空間分析、時(shí)態(tài)拓?fù)?、時(shí)空分析、與地學(xué)專(zhuān)用模型的結(jié)合及 GIS 的開(kāi)放性與共享性問(wèn)題等 ,其次是在三維 GIS 中還存在三維實(shí)體存貯、表達(dá)及三維對(duì)象間復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系描述與建立的困難 ,本文以礦山地質(zhì)管理信息為例 ,利用組件GIS 技術(shù)來(lái)探討基于二維和三維空間信息統(tǒng)一進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理的有效途徑和實(shí)現(xiàn)方法。

1 　地形三維的空間表達(dá)

目前在 GIS 應(yīng)用中 ,關(guān)于二維空間數(shù)據(jù)和信息的管理技術(shù)和方法較為成熟 ,但相對(duì)于三維而言 ,在應(yīng)用和技術(shù)方法上還有很多值得探討的地方。目前地形三維的表達(dá)在二維 GIS 和地學(xué)可視化中常常是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的模塊 ,即使被放到一個(gè)集成環(huán)境中 ,也只是形式上的集成或部分集成 ,很難在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層與其它模塊實(shí)現(xiàn)真正的有機(jī)集成與耦合。

究其原因 ,這固然與 GIS 軟件發(fā)展的歷史和條件有關(guān) ,但根本原因在于二維 GIS 維數(shù)的局限性 ,即二維 GIS 沒(méi)有在所有的模塊中將垂向信息 Z 坐標(biāo)獨(dú)立出來(lái)形成真三維空間 ,常常是將現(xiàn)實(shí)世界中本是空間獨(dú)立變量 ( Independent Variable) 的高程數(shù)據(jù) Z作為依賴(lài)變量 (Dependent Variable) 或?qū)傩詠?lái)處理。三維 GIS 對(duì) Z 坐標(biāo)的處理與二維 GIS 完全相反 ,它在所有的模塊中均將 Z 坐標(biāo)作為獨(dú)立變量處理 ,形成真三維空間 ,因此三維 GIS 中表達(dá)的地形三維(用位于表面的邊界擴(kuò)展結(jié)點(diǎn)來(lái)表達(dá)) 與其它模塊是真正耦合的 ,在底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及基于它的操作與分析上完全可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一[1 ] 。

雖然有以上不同點(diǎn) ,但三維 GIS 中地形三維的三維表達(dá)完全可以而且應(yīng)該借用已經(jīng)成熟的二維GIS 與地學(xué)可視化中的面三維地形表現(xiàn) (D TM) 算法與技術(shù)[2 ] ,它們都要經(jīng)過(guò)幾何建模、投影、消隱、光照、顯示等基本階段 ,關(guān)于這方面的算法與實(shí)踐已有很多[3～5 ] 。目前常見(jiàn)的三維空間信息的表達(dá)主要包括 DEM、TIN 及 GRID 等空間數(shù)據(jù)模型。

1. 1 　數(shù)字高程模型的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字地面模型 ( Digital Terrain Model , 簡(jiǎn)稱(chēng)D TM) 是描述地面特性諸如空間分布的有序數(shù)值陣列[6 ] 。在一般情況下 ,地面特性是高程 Z ,它的空間

分布由 X、Y水平坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述 ,也可用經(jīng)度 X、緯度 Y來(lái)描述。這種地面特性為高程或海拔高程的 D TM , 也稱(chēng)為數(shù)字高程模型 ( Digital Elevation Model ,簡(jiǎn)稱(chēng) DEM) 。其它地面特性可以是諸如地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類(lèi)型、地貌特征、巖層深度及土地利用等與地形有關(guān)的信息。DEM 可以是每 3 個(gè)坐標(biāo)值為一組元的散點(diǎn)結(jié)構(gòu) ,也可以是由多項(xiàng)式或富里葉級(jí)數(shù)確定的曲面方程。

柯正誼等 (1993) 按空間結(jié)構(gòu)形式將 D TM 分為7 類(lèi) :規(guī)則格點(diǎn) (格網(wǎng)) 數(shù)字地面模型、散點(diǎn)數(shù)字地面模型、等值線(xiàn)數(shù)字地面模型、曲面數(shù)字地面模型、線(xiàn)路數(shù)字地面模型、平面多邊形數(shù)字地面模型和空間多邊形數(shù)字地面模型。由于 DEM 是 D TM 中的一種 ,因此它也有 7 種形式。在實(shí)際中最常用的 3 類(lèi)數(shù)字高程模型 (基于 3 種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)) 是 : 規(guī)則格網(wǎng)( GRID) 、不規(guī)則格網(wǎng) ( TIN) 及數(shù)字等值線(xiàn)圖。

1. 2 　不規(guī)則格網(wǎng)的生成方法

TIN 是一種由許多相鄰但又不互相重疊的三角形組成的對(duì)地形表面的連續(xù)鋪蓋。不同類(lèi)型的TIN 有不同的生成方法。按照空間分布的幾何結(jié)構(gòu) ,可以有一般三角網(wǎng)和 Delaunay 三角網(wǎng)之分。一般三角網(wǎng)按照距離最近原則組網(wǎng) ,這個(gè)距離是待確定的第三點(diǎn)到基邊的距離。隨著起始邊的不同 ,一般三角網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也不同 ,即對(duì)同一個(gè)不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集 ,對(duì)應(yīng)的一般三角網(wǎng)并不唯一。另外由于它們可能存在大量的狹長(zhǎng)三角形 ,不便于后續(xù)處理 (如地形插值、坡度、坡向計(jì)算等) ,其幾何結(jié)構(gòu)并不強(qiáng) ,因此一般三角網(wǎng)并不是最優(yōu)三角網(wǎng)。相反 ,Delau2 nay 三角網(wǎng)具有很強(qiáng)的幾何結(jié)構(gòu) ,它能保證每個(gè)三角形的角度最接近于正三角形 ,符合“三角剖分最小內(nèi)角為最大”的圖形優(yōu)化準(zhǔn)則 ;另外 ,Delaunay 三角網(wǎng)具有唯一性 ,即對(duì)同一個(gè)不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集其對(duì)應(yīng)的 Delaunay 三角網(wǎng)是唯一的。顯然 ,Delaunay是最優(yōu)三角網(wǎng)[4～6 ]

上述方法都僅僅考慮了幾何信息 ,屬于非約束普通三角網(wǎng)。對(duì)一般的地形而言 ,只要采樣點(diǎn)分布情況比較好 ,它們一般都能比較真實(shí)地反映地形情況。但在各種特殊的地性線(xiàn)如山脊線(xiàn)、山谷線(xiàn)、斷裂線(xiàn)處則不能完全反映出真實(shí)情況。因?yàn)樵诘匦跃€(xiàn)處的高程往往產(chǎn)生跳躍式的變化 ,若有三角形跨越地性線(xiàn) ,則三角形會(huì)穿越地形表面或懸空于其上。很明顯 ,這樣的三角形不能反映地形真實(shí)情況 ,需要剔除這樣的三角形或進(jìn)行調(diào)整 ,因此就誕生了與非約束普通三角網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的具有約束條件的約束三角網(wǎng)。

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