礦山地質(zhì)勘察三維可視化管理系統(tǒng)與建模技術研究

0 　引 　言

隨著地理信息技術的飛速發(fā)展 ,三維可視化表達和虛擬現(xiàn)實技術越來越引起人們的注意。但現(xiàn)有的 GIS 軟件只能用數(shù)字高程模型來處理空間實體的高程坐標 ,無法建立空間實體的三維拓撲關系 ,因而使得真三維操作難以實現(xiàn) ,故被稱之為二維 GIS或 2. 5 維 GIS。例如地質(zhì)采礦、地表沉降、地下水遷移、地表預應力分布、以及環(huán)境污染等均為三維現(xiàn)象 ,當以二維系統(tǒng)來描述它們時 ,不能精確地反映、分析或顯示有關數(shù)據(jù)。本文以城市三維地質(zhì)勘察管理信息系統(tǒng)為例 ,分析真實三維數(shù)據(jù)模型的可視化表達與系統(tǒng)建模方法。

許多學者都對三維 GIS 的理論和方法進行了廣泛研究。但是對于一個真正的三維 GIS 的建立 ,這些工作還遠遠不夠。首先是在二維 GIS 中還有許多問題沒有圓滿解決 ,如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)建模、高效的拓撲關系描述及空間分析、時態(tài)拓撲、時空分析、與地學專用模型的結合及 GIS 的開放性與共享性問題等 ,其次是在三維 GIS 中還存在三維實體存貯、表達及三維對象間復雜的拓撲關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 技術來探討基于二維和三維空間信息統(tǒng)一進行空間數(shù)據(jù)管理的有效途徑和實現(xiàn)方法。

1 　地形三維的空間表達

目前在 GIS 應用中 ,關于二維空間數(shù)據(jù)和信息的管理技術和方法較為成熟 ,但相對于三維而言 ,在應用和技術方法上還有很多值得探討的地方。目前地形三維的表達在二維 GIS 和地學可視化中常常是一個獨立運行的模塊 ,即使被放到一個集成環(huán)境中 ,也只是形式上的集成或部分集成 ,很難在數(shù)據(jù)結構的底層與其它模塊實現(xiàn)真正的有機集成與耦合。

究其原因 ,這固然與 GIS 軟件發(fā)展的歷史和條件有關 ,但根本原因在于二維 GIS 維數(shù)的局限性 ,即二維 GIS 沒有在所有的模塊中將垂向信息 Z 坐標獨立出來形成真三維空間 ,常常是將現(xiàn)實世界中本是空間獨立變量 ( Independent Variable) 的高程數(shù)據(jù) Z作為依賴變量 (Dependent Variable) 或?qū)傩詠硖幚怼ＨS GIS 對 Z 坐標的處理與二維 GIS 完全相反 ,它在所有的模塊中均將 Z 坐標作為獨立變量處理 ,形成真三維空間 ,因此三維 GIS 中表達的地形三維(用位于表面的邊界擴展結點來表達) 與其它模塊是真正耦合的 ,在底層數(shù)據(jù)結構的設計及基于它的操作與分析上完全可以實現(xiàn)統(tǒng)一[1 ] 。

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

1. 1 　數(shù)字高程模型的實現(xiàn)

數(shù)字地面模型 ( Digital Terrain Model , 簡稱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水平坐標系統(tǒng)來描述 ,也可用經(jīng)度 X、緯度 Y來描述。這種地面特性為高程或海拔高程的 D TM , 也稱為數(shù)字高程模型 ( Digital Elevation Model ,簡稱 DEM) 。其它地面特性可以是諸如地價、土地權屬、土壤類型、地貌特征、巖層深度及土地利用等與地形有關的信息。DEM 可以是每 3 個坐標值為一組元的散點結構 ,也可以是由多項式或富里葉級數(shù)確定的曲面方程。

柯正誼等 (1993) 按空間結構形式將 D TM 分為7 類 :規(guī)則格點 (格網(wǎng)) 數(shù)字地面模型、散點數(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 D TM 中的一種 ,因此它也有 7 種形式。在實際中最常用的 3 類數(shù)字高程模型 (基于 3 種數(shù)據(jù)結構) 是 : 規(guī)則格網(wǎng)( GRID) 、不規(guī)則格網(wǎng) ( TIN) 及數(shù)字等值線圖。

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地形表面的連續(xù)鋪蓋。不同類型的TIN 有不同的生成方法。按照空間分布的幾何結構 ,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) ,這個距離是待確定的第三點到基邊的距離。隨著起始邊的不同 ,一般三角網(wǎng)的結構也不同 ,即對同一個不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點集 ,對應的一般三角網(wǎng)并不唯一。另外由于它們可能存在大量的狹長三角形 ,不便于后續(xù)處理 (如地形插值、坡度、坡向計算等) ,其幾何結構并不強 ,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)具有很強的幾何結構 ,它能保證每個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)化準則 ;另外 ,Delaunay 三角網(wǎng)具有唯一性 ,即對同一個不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點集其對應的 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)。對一般的地形而言 ,只要采樣點分布情況比較好 ,它們一般都能比較真實地反映地形情況。但在各種特殊的地性線如山脊線、山谷線、斷裂線處則不能完全反映出真實情況。因為在地性線處的高程往往產(chǎn)生跳躍式的變化 ,若有三角形跨越地性線 ,則三角形會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情況 ,需要剔除這樣的三角形或進行調(diào)整 ,因此就誕生了與非約束普通三角網(wǎng)相對應的具有約束條件的約束三角網(wǎng)。

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