地质矿山中三维GIS数据模型的应用问题bphc.docx

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1、地质矿山山中三维维GISS数据模模型的应应用问题题程朋根龚健雅雅摘要阐阐述了地地质矿山山中的三三维现象象及其描描述方法法，对三三维数据据模型作作了综述述，并对对其在地地质矿山山中的应应用问题题作了讨讨论与分分析。关关键词地质矿矿山现象象三维维数据模模型面面向对象象数据据库可可视化随着着地理信信息系统统（GIIS）广广泛深入入的应用用和发展展，它在在处理空空间信息息以及提提供辅助助决策依依据等方方面发挥挥着越来来越重要要的作用用，并将将具有广广阔的应应用前景景。然而而目前的的GISS大多数数都以处处理二维维为主，即即将空间间对象投投影到二二维平面面上，然然后进行行采集、处处理与表表示。对对于垂直

2、直方向的的第三维维信息则则通常是是抽象成成一个属属性值（如如高程、气气压、温温度等），然然后进行行空间操操作和处处理。这这种方式式在处理理单一的的地表形形态起伏伏时能显显得有效效，但由由于它们们无法建建立空间间实体的的三维拓拓扑关系系，使得得很多真真三维操操作难以以实现。因因此在处处理地质质、矿山山、海洋洋等领域域的空间间对象时时将受到到很大的的限制。解解决这一一问题的的关键是是建立三三维GIIS。三三维GIIS的理理论研究究与产品品开发都都处于探探索与试试验阶段段，众多多学者对对此作了了较深入入的研究究，取得得了一定定的成果果，但目目前还未未开发出出一个真真正基于于三维模模型的GGIS系系统

3、。因因此研究究开发基基于真三三维的GGIS系系统具有有十分重重要的意意义。本本文首先先分析了了地质矿矿山中的的各类地地质现象象和描述述方法，其其次对目目前三维维GISS模型的的研究作作了综述述，最后后就三维维GISS数据模模型在地地质矿山山中的应应用问题题作了讨讨论与分分析。1地质质矿山中中的地质质现象及及其描述述方法地质质现象（地地质体）极极其复杂杂，虽然然地壳中中的地质质体的成成因、规规模、形形态结构构差别较较大，但但从几何何学的观观点来看看，各种种地质体体的构造造都可以以归纳为为面状构构造、线线状构造造和（矿矿）体。面面状构造造主要有有层理（地地层）、节节理和断断层（断断裂）；线状构构造

4、包括括呈线性性习性的的构造以以及各种种平面的的交线，如如褶皱的的枢纽和和线理等等；矿体体则是富富集某些些矿物成成份的岩岩石体，有有层状、似似层状、脉脉状和透透镜状之之分。作作为管理理三维地地质现象象的GIIS来讲讲，主要要考虑的的地质现现象应为为地层、断断裂和矿矿体（如如图1）。图1地地层、断断裂、矿矿体的体体图地层层是在一一定地质质时期所所形成的的层状堆堆积物或或岩石，相相邻地层层之间 由地层层界面加加以区别别。对于于平面状状的地层层界面来来讲，可可以用其其走向、倾倾向和倾倾角产状状数据来来表示，但但实际上上地层界界面往往往不是稳稳定的平平直面，而而是顺走走向和倾倾向都会会发生变变化而形形成

5、的曲曲面。为为得到该该曲面，通通常采用用测井资资料和地地震资料料结合的的方法来来测定该该曲面离离散点的的空间位位置，然然后利用用趋势面面拟合的的方法获获得地层层界面的的等值线线图。因因此地层层界面可可以采用用数字高高程模型型（DEEM）的的方式来来描述。断断裂与地地层比较较相似，它它将岩体体分为上上盘、下下盘，但但往往具具有一定定的宽度度并与地地表成一一定的交交角，其其探测手手段和描描述方法法与地层层界面一一致。矿矿体是一一个三维维实体，其其表面为为不规则则曲面，且且内部矿矿体品位位分布不不均匀。对对于矿体体的外形形，可以以用一个个不规则则的封闭闭曲面来来确定。为为确定矿矿体的范范围，要要经地

6、表表勘查、地地下钻探探以及推推估等手手段来完完成，钻钻孔通常常按一定定的规律律布设（沿沿纵横断断面），通通过对钻钻孔的测测斜资料料的计算算，可得得到钻孔孔通过矿矿体顶底底板的三三维坐标标（x、yy、z）。因因此，可可以采用用DEMM的方法法来描述述矿体的的顶底板板数字表表面模型型。根据据钻孔测测斜资料料和岩心心资料可可计算矿矿体在不不同空间间位置的的品位值值，而这这类值往往往是有有限的。为为了从三三维角度度来描述述、观察察矿体的的品位变变化情况况，不能能用常规规的数字字等值线线图来描描绘，而而要用等等值面来来表示。为为此可以以采用三三维趋势势面拟合合方法实实现矿体体品位空空间分布布的描述述：一

7、次的的三维趋趋势面：FFb00+b1x+bb2y+bb3z二二次的三三维趋势势面：Fb0+b1x+bb2y+bb3z+bb4x2+b5xy+b6xz+b7y2+b8yz+b9z2甚甚至还可可以采用用三次的的三维趋趋势面来来拟合矿矿体品位位的空间间分布。三三维趋势势面的表表达通常常采用屏屏风法、连连续切片片图（剖剖面图）以以及立体体图。其其中立体体图最为为常见，该该方法是是将所研研究的矿矿体作为为一个“基基体”进进行分析析，基体体是一个个空间六六面体，它它有六个个相互平平行的基基面，当当空间等等值曲面面与这些些基面相相交时，其其交线即即为函数数在基面面上的等等值线。显显然，从从一定角角度去看看，

8、最多多只能看看到其中中的三个个基面，如如图2。基基体内部部的函数数变化可可以通过过对基体体作平行行于各基基面的切切片来分分层显示示，这样样通过一一系列不不同方向向的切片片图就可可以全面面了解矿矿体品位位在空间间的分布布情况。图2矿矿体品位位立体图图在开开展地质质勘查和和进行矿矿山开采采时，除除了天然然的地质质现象外外，还存存在一些些人造工工程。如如探槽、钻钻孔、竖竖井、斜斜井、巷巷道、采采空区等等。这些些现象都都是预先先进行设设计，然然后再按按设计要要求进行行施工。因因此，这这些工程程具有一一定的规规律性，当当精度要要求不高高时，可可以采用用CADD技术来来加以描描述。上上述工程程都有一一定的

9、数数据获取取和描述述方法。如如探槽测测定探槽槽转折点点空间坐坐标、探探槽的宽宽度和深深度；钻钻孔测定定孔口坐坐标和不不同深度度的测斜斜参数，从从而计算算钻孔中中心曲线线的空间间坐标；竖井、斜斜井、巷巷道则类类似于一一个柱体体，先沿沿纵向测测定它们们的中心心或底、顶顶板点的的空间坐坐标，然然后每隔隔一定的的距离测测出柱体体的横断断面特征征点的坐坐标；采采空区的的测定是是依次测测定水平平的横断断面，最最后形成成一个采采空区。所所有这些些勘查工工程，在在地质勘勘查和矿矿山开采采的图件件上都应应得到有有效的反反映。22三维维GISS数据模模型综述述建建立三维维GISS的核心心问题是是三维数数据结构构，

10、根据据三维数数据结构构的几何何特征可可以将三三维数据据结构分分为二类类：即基基于面表表示的数数据结构构和基于于体表示示的数据据结构。2.1基于面表示的数据结构基于面表示方法的特点是借助微小的面单元或面元素来描述物体的几何特征。较流行的方法有格网结构、形状结构、面片结构和边界表示四种。格网是描述物体表面最常用的一种数据结构，它将研究表面划分成规则的格网，每个格网上有一个对应的属性值（如高程）。它主要用于建立数字地面模型和数字表面模型，同时采用这种模型很容易产生等高线图和三维网，但它不能表示多重值的表面。形状结构通过对象表面点的斜率来描述，基本元素是表面上各单元所对应的法线向量。形状模型的一个重要

11、应用实例是借助形状的浓淡技术来进行表面模型的重建。面片结构是用不同形状的面片来表示物体的表面。面片的形状有正方形、规则三角形和不规则三角形等。其中不规则三角形（TIN）最为常用。因为它具有固定的结构和简单的处理过程，同时还可以较好地表示三角形之间的拓扑关系，能够保持测量数据的原始性。面片结构应用范围较广，例如建立数字地面模型、三维物体表面的可视化和空间数据变换等方面都可借助面片结构来实现。边界表示是一种分级数据结构。任何空间对象可以分解为四种基本元素的组合，即点、边缘、面、体。各类元素由几何数据、类型标识码以及与其它类元素的关系组成。边界表示不仅可以表示诸如建筑物、机械零件一类的规则物体，而且

12、可以表示自由曲面，如汽车表面、地表模型等。上述几种结构中，边界表示主要用于CAD方面表示规则物体，其它结构则适合表示具有不规则形状的物体。2.2基于体表示的数据结构基于体表示的结构是用体信息代替面信息来描述对象的内部。应用这些表示，物体的体信息可以被表示、分析和可视化。这种表示有：三维栅格（三维二进制阵列）结构、指针结构、八叉树、结构实体几何、不规则四面体等。三维栅格结构是将研究空间划分成三维空间阵列，其值为0和1，1表示被物体占据，0表示空。这种结构无数据压缩，占用较大的存贮空间，计算速度慢，因此它是过渡性的结构，通常在处理过程中作中间表示使用。指针结构是在三维栅格结构的基础上采用数据压缩技

13、术而发展起来的，它将相同（x、y）上的所有z方向的值采用行程编码技术进行数据压缩。这种结构常用于表示诸如地层、地温、地下水之类的均质层状三维实体。八叉树是一种更为有效的表示体的方法，是二维四叉树在三维上的扩展，它是分层次地将研究空间分成八个大小相等的栅格（八分体），直到所有八分体的属性值为0或1为止。八叉树的编码方法有普通八叉树、线性八叉树、三维行程编码八叉树等。其中线性和三维行程编码八叉树，由于数据压缩量大，操作灵活，在三维数据结构中用得较多，用它表示矿体的存储空间一般仅为普通三维栅格结构的10308。八叉树表示在空间分析、布尔操作、数据库管理方面都很好。诸如矿体之类的不规则体对象通常采用这

14、种结构来描述。结构实体几何（CSG）是通过预定义好的具有规则形状的基本体元的组合来表示一个物体，如立方体、圆柱体。体元之间的关系包括几何变换和布尔操作。通常CSG表示是一个布尔树结构，叶结点对应布尔操作，这种结构适合表示规则形状的物体。这种结构在CADCAM中应用广泛。不规则四面体结构是不规则三角形结构（TIN）向三维的扩充，它以四面体作为最基本的体元来描述物体。在这种结构中以连接但不重叠的不规则四面体构成格网。这种结构具有体元结构简单、快速几何变换、拓扑关系的快速处理和适合于快速显示（不考虑消隐，从后往前显示）等的优点。它既可以描述建筑物等规则物体，也可以表示矿体、地表、地层等不规则物体。上

15、述几种结构中，CSG适合表示规则形状的物体，三维栅格结构、指针结构、八叉树结构适合表示不规则形状的物体，而不规则四面体则可以用来表示规则和不规则的物体。2.3基于八叉树和四面体的混合数据结构由于八叉树具有结构简单、操作方便的特点，但数据量随分辨率的增大而成倍增加，而四面体网格既能保护原始数据，又具有精确表示坐标和空间拓扑关系的能力。因此文献5提出了一种基于八叉树和四面体格网的混合结构，如图3。其基本思想是以八叉树作整体描述，四面体作局部描述，并在八叉树结构中设置一个属性值来实现八叉树与四面体格网的结合。混合数据结构的数据组织中包括：八叉树（编码、属性）、四面体（体号、面号、属性）、三角形（面号

16、、边号、属性）、线（线号、起点、终点、属性）、结点（x、y、z属性）五个描述表。混合数据结构实现了数据结构的灵活性，对提高表示精度，减少数据量是十分有益的。文献5对这种结构作了实验性研究，取得了一定的效果，比较适合于具有断层的矿体描述。图3八八叉树和和四面体体格网的的混合结结构552.4基于边边界表示示的三维维矢量数数据结构构边边界表示示通常用用于三维维几何造造型，文文献77将其其引伸到到地质领领域。即即以点边环环界面面体来来描述一一个研究究区域体体，并建建立空间间拓扑关关系。这这种结构构中认为为体由界界面划分分、界面面由环构构成、环环由边组组成、边边包含起起点、终终点。这这样三维维GISS的

17、拓扑扑关系由由五个关关系表组组成：aa.结点点起始始边终终结边；b.边边起结结点终终结点过该边边的环；c.环环组成成该环的的边内内邻界；d.面面外环环内环环正面面相邻体体负面面相邻体体；e.体包包围体的的曲面。并并采用“界界面引入入体划划分”的的方法来来实现三三维拓扑扑关系的的动态建建立以维维护。即即对任何何一个内内部结构构复杂的的研究区区域体，从从没有任任何内部部结构的的简单体体域开始始，逐个个引入分分界面，每每引入一一个分界界面，就就对体域域进行一一次划分分，将原原来的一一个体域域一分为为二。界界面引入入的准则则是由大大到小，由由新到老老。根据据这一准准则对地地质体来来讲，引引入的界界面依

18、次次是：地地形面、水水体顶面面、最新新的不整整合面、最最新的区区域性大大断裂、最最后才是是地层分分层面。这这种“界界面引入入体划划分”的的不断细细分过程程可用二二叉树数数据结构构来记录录，如图图4。文文献77根据据这一思思想采用用C+语言开开发了一一个实验验系统的的雏形，这这种结构构在地质质勘探中中对整个个研究空空间描述述比较适适合，但但地质矿矿山领域域中的空空间对象象要比此此复杂得得多。图4界界面体体之间的的二叉树树关系图图72.5矢量与与栅格集集成的三三维数据据模型由于于矢量、栅栅格的三三维数据据结构各各有其特特点。对对于许多多空间现现象单独独用矢量量数据结结构或单单纯用栅栅格数据据结构均

19、均不能有有效地解解决所有有的问题题。因此此文献6提提出了基基于矢量量与栅格格集成的的三维数数据模型型，并采采用面向向对象的的技术对对空间对对象进行行抽象，概概括出矢矢量与栅栅格一体体化的三三维空间间数据模模型，如如图5。该该模型中中将三维维空间对对象抽象象成：结结点点点状地物物、弧段段、线状状地物、面面状地物物、数字字表面模模型、断断面、影影像、像像元、体体状地物物、数字字立体模模型、体体元、柱柱状地物物、复杂杂地物共共13类类空间地地物和位位置坐标标1个数数据结构构。文献献6还分别别定义了了各类地地物的数数据结构构。在数数据结构构定义中中，涉及及到大量量的对象象嵌套关关系和变变长记录录，充分

20、分体现了了面向对对象的特特点，即即无论怎怎么复杂杂的对象象都可以以用一个个结构来来表示，使使得理解解这一模模型非常常容易和和自然。因因而非常常适合描描述地质质矿山领领域中的的各类地地质现象象，便于于相关软软件的开开发。有有关实验验系统正正在研究究之中。图5三三给空间间数据模模型662.6三维GGIS数数据模型型应用实实例目前还还没有真真正基于于三维GGIS数数据模型型的软件件产品出出现，人人们仍处处于研究究阶段。下下面仅给给出两个个试验性性的应用用实例。文献11采用了基于三维行程编码、八叉树的三维栅格数据模型和基于不规则四面体的三维矢量模型的数据结构，在SUN SPARC 20工作站上，采用C

21、+语言、OpenGL图形库、Oracle关系数据库等系统软件，开发了一个实验系统，用于三维空间数据的管理、查询和可视化。在地质、城市规划、海洋等三个领域做了地表三维立体图、城市立体地形图、地温变化立体图、等温面立体图等应用的试验，取得了较好的效果。文献13采用基于八叉树和不规则四面体的混合数据结构，在惠普（HP）工作站上采用Starbase图形库和C语言，开发了一个实验系统。在一9km X5km范围的煤田区域作了试验，试验区内大约有100个钻孔、3个煤层、多层岩石，有钻孔采样数据、地表数据、钻孔定位数据、断层数据等数据。试验包括建立试验区的三维模型、三维可视化和对不同地质构造的一些特殊分析，试

22、验取得了预期的效果。3三维GIS数据模型在地质矿山中应用分析3.1数据模型的应用从1节可以看出地质矿山现象极其复杂，既包括地层、断裂、矿体等天然地质体，也包括钻孔、竖井、巷道、采矿区等人工设施。从几何角度来看包括点、线、面、体。因此采用什么样的三维数据模型来描述地质矿山现象应针对各类现象的特点而异。应本着描述结构简单、具有拓扑关系、满足一定的空间精度、便于处理与分析的原则。文献5在传统三维数据模型的基础上进行了发展，有效地解决了体描述中的实际问题。实际上，地质矿山现象远远不限于这些一般的体，还包括线（如钻孔）、柱体（如巷道、竖井等）这样一些非体和特殊体的地质现象。此外，矿体品位的分布也是一个十

23、分特殊的体分布。针对这些情况，文献6作了较深刻的研究，解决了地质矿山中的天然地质体和人工设施的描述问题。为了便于快速的空间分析和可视化，作者认为可在文献6描述的各类地物数据结构中增加一个包含对象的最小体参数。此外，如何较为精确有效地描述矿体内矿物成份分布特征是值得进一步研究的问题。总之，由于地质矿山现象的复杂性，描述的数据模型比较复杂，目前还未见一个真正满足地质矿山领域的基于三维数据模型的三维GIS软件。可以相信，采用面向对象技术与方法来分析研究适合地质矿山现象的三维GIS数据模型是未来的趋势。3.2数据库管理与可视化手段合理有效的管理反映地质矿山中的各种现象的数据需要数据库管理系统的支持，由

24、于描述地质矿山现象的数据结构中，涉及到对象嵌套和记录变长这样的数据特征，因此最好采用面向对象的数据库管理系统才能有效地进行管理。也可以充分利用现有关系数据库（如Access、SQL Server）的Binary和备注字段实现变长记录的管理，但效率会有所降低。最终问题的解决还需要面向对象的数据库管理系统或自行设计的文件系统来实现。该类数据库管理系统应提供结构化查询语言，以实现对三维空间对象的不同操作。这些操作应包括量测、预测、目标生成等。可视化是地理信息系统的主要功能，也是直观地观测空间数据库的主要手段。三维物体的可视化可以借鉴三维几何造型的方法进行，但还远远不能满足地质矿山中的三维现象的要求。

25、目前三维对象可视化技术得到了较大的发展，较为领先的主流3D软件有：OpenGL、QD3D（Quick Draw 3D）和Direct3D。OpenGL是独立于操作系统的，有120多个功能强大的函数，具有开放性，是目前科学和工程应用中的无异议的标准，但它缺少面向对象能力。而QD3D是完全面向对象的，可以利用具有内在特征（如光照、几何变换和纹理映象等）的新的对象实例，简便地构造3D。Direct3D和QD3D一样，也是一个简洁的面向对象的可扩充体系结构，但受到WIN95的限制。这三种3D软件各具特点，在进行地质矿山现象的可视化处理时，可根据运行环境和功能需要进行选择。在Windows环境下采用VC

26、+ 语言调用3D函数的方法，既可以得到较好的三维效果，同时可以简化软件开发过程。解决可视化问题的关键是三维数据模型与可视化软件的接口。4结束语三维GIS的应用需要越来越紧迫，但目前支持三维对象尤其是地质矿山现象的三维GIS软件还不成熟。学者们对此作了很多研究，并取得了初步成效。研究开发三维GIS系统任重道远，相信随着计算机技术、数据库技术和可视化技术研究的不断深入和发展，面向地质矿山需要的三维GIS将会很快实现。* 本文文得到国国家杰出出青年科科学基金金项目（编编号49952551011）和测测绘遥感感信息工工程国家家重点实实验室开开放基金金资助项项目（编编号WKKL（996）003022）的

27、资资助。作者单位位：程朋朋根（华华东地质质学院）龚健雅（武汉测绘科技大学）参考文献献1夏邦邦栋.普普通地质质学.地地质出版版社.1198442朱朱志澄， 宋鸿林林. 构构造地质质学. 中国地地质大学学出版社社.1999033张启启锐.地地质趋势势面分析析.科学学出版社社.1999044中国国地质学学会数学学地质专专业委员员会编.中国数数学地质质（2，33）.地地质出版版社.990，9915李德仁仁等.一一种三维维GISS混合数数据结构构研究.测绘学学报.119977,（226）22.1228113366龚健健雅等.矢量与与栅格集集成的三三维数据据模型.武汉测测绘科技技大学学学报.119977,

28、1222（11）.771557李李青元.三维矢矢量结构构GISS拓扑关关系及其其动态建建立.测测绘学报报.19997,26（33）.223524008韩韩国建等等.矿体体信息的的八叉树树存储和和检索技技术.测测绘学报报.19992,21（11）.1131179申阳.3D梦梦幻渐成成真.中中国计算算机用户户.19997（33）9910010Li R. Datte SStruuctuure andd Apppliicattionn Isssuees iin 33D GGeoggrapphicc Innrorrmattionn Syysteem,GGemaaticcs119944,488(3)200

29、92244111XX.Chhen,et alA WWorkkstaatioon ffor Thrree-Dimmenssionnal Spaatiaal DDataa ReeseaarchhThhe FFourrth Intternnatiionaal SSympposiium of LIEESMAARS.19995.442551133Q.Lii,D.Li,Hybbirdd Daata Strructturee Baasedd onn Ottcreee aand Tettrahhedrron in 3-DD GIIS,IInteenattionnal Arcchivves of Phootoggrammmettry andd Reemotte SSenssingg Vool.XXXXXXI.PPartt B441999650335007