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)( DTM ) 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 、T IN 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 T errain Model, 簡(jiǎn)稱(chēng)DTM) 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DTM , 也稱(chēng)為數(shù)字高程模型( Dig ital Elevation M odel, 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DTM 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、等值線數(shù)字地面模型、曲面數(shù)字地面模型、線路數(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 DTM 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)( T IN) 及數(shù)字等值線圖。

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