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地质矿山中三维GIS数据模型的应用问题 程朋根华东地质学院 龚健雅武汉测绘科技大学 摘要 阐述了地质矿山中的三维现象及其描述方法,对三维数据模型作了综述,并对其在地质矿山中 的应用问题作了讨论与分析。 关键词 地质矿山现象 三维数据模型 面向对象 数据库 可视化 随着地理信息系统GIS广泛深入的应用和发 展,它在处理空间信息以及提供辅助决策依据等方 面发挥着越来越重要的作用,并将具有广阔的应用 前景。 然而目前的GIS大多数都以处理二维为主,即 将空间对象投影到二维平面上,然后进行采集、 处理 与表示。对于垂直方向的第三维信息则通常是抽象 成一个属性值如高程、 气压、 温度等 , 然后进行空 间操作和处理。这种方式在处理单一的地表形态起 伏时能显得有效,但由于它们无法建立空间实体的 三维拓扑关系,使得很多真三维操作难以实现。因此 在处理地质、 矿山、 海洋等领域的空间对象时将受到 很大的限制。解决这一问题的关键是建立三维GIS。 三维GIS的理论研究与产品开发都处于探索与试验 阶段,众多学者对此作了较深入的研究,取得了一定 的成果,但目前还未开发出一个真正基于三维模型 的GIS系统。因此研究开发基于真三维的GIS系统 具有十分重要的意义。本文首先分析了地质矿山中 的各类地质现象和描述方法,其次对目前三维GIS 模型的研究作了综述,最后就三维GIS数据模型在 地质矿山中的应用问题作了讨论与分析。 1 地质矿山中的地质现象及其描述方法 地质现象地质体极其复杂,虽然地壳中的地 质体的成因、 规模、 形态结构差别较大,但从几何学 的观点来看,各种地质体的构造都可以归纳为面状 构造、 线状构造和矿体。面状构造主要有层理地 层、 节理和断层断裂 ; 线状构造包括呈线性习性 的构造以及各种平面的交线,如褶皱的枢纽和线理 等;矿体则是富集某些矿物成份的岩石体,有层状、 似层状、 脉状和透镜状之分。作为管理三维地质现象 的GIS来讲,主要考虑的地质现象应为地层、 断裂和 矿体如图 1 。 图1 地层、 断裂、 矿体的体图 地层是在一定地质时期所形成的层状堆积物或 岩石,相邻地层之间 由地层界面加以区别。对于平 面状的地层界面来讲,可以用其走向、 倾向和倾角产 状数据来表示,但实际上地层界面往往不是稳定的 平直面,而是顺走向和倾向都会发生变化而形成的 曲面。为得到该曲面,通常采用测井资料和地震资料 结合的方法来测定该曲面离散点的空间位置,然后 利用趋势面拟合的方法获得地层界面的等值线图。 因此地层界面可以采用数字高程模型DEM的方式 来描述。断裂与地层比较相似,它将岩体分为上盘、 下盘,但往往具有一定的宽度并与地表成一定的交 角,其探测手段和描述方法与地层界面一致。矿体是 一个三维实体,其表面为不规则曲面,且内部矿体品 位分布不均匀。对于矿体的外形,可以用一个不规则 的封闭曲面来确定。为确定矿体的范围,要经地表勘 查、 地下钻探以及推估等手段来完成,钻孔通常按一 定的规律布设沿纵横断面 , 通过对钻孔的测斜资 料的计算,可得到钻孔通过矿体顶底板的三维坐标 x、y、z。 因此,可以采用DEM的方法来描述矿体的 顶底板数字表面模型。根据钻孔测斜资料和岩心资 料可计算矿体在不同空间位置的品位值,而这类值 往往是有限的。为了从三维角度来描述、 观察矿体的 品位变化情况,不能用常规的数字等值线图来描绘, 而要用等值面来表示。 为此可以采用三维趋势面 3 本文得到国家杰出青年科学基金项目编号49525101和测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金资助项目编号 W KL960302的资助。 第2期 1999年5月 矿 山 测 量 No. 2 M I N E SURV EYI N G M ay 1999 拟合方法实现矿体品位空间分布的描述 一次的三维趋势面 F b0 b1x b2y b3z 二次的三维趋势面 F b0 b1x b2y b3z b4x2 b5xy b6xz b7y2 b8yz b9z2 甚至还可以采用三次的三维趋势面来拟合矿体 品位的空间分布。三维趋势面的表达通常采用屏风 法、 连续切片图剖面图以及立体图。其中立体图最 为常见,该方法是将所研究的矿体作为一个 “基体” 进行分析,基体是一个空间六面体,它有六个相互平 行的基面,当空间等值曲面与这些基面相交时,其交 线即为函数在基面上的等值线。显然,从一定角度去 看,最多只能看到其中的三个基面,如图2。 基体内部 的函数变化可以通过对基体作平行于各基面的切片 来分层显示,这样通过一系列不同方向的切片图就 可以全面了解矿体品位在空间的分布情况。 图2 矿体品位立体图 在开展地质勘查和进行矿山开采时,除了天然 的地质现象外,还存在一些人造工程。如探槽、 钻孔、 竖井、 斜井、 巷道、 采空区等。这些现象都是预先进行 设计,然后再按设计要求进行施工。因此,这些工程 具有一定的规律性,当精度要求不高时,可以采用 CAD技术来加以描述。上述工程都有一定的数据获 取和描述方法。如探槽测定探槽转折点空间坐标、 探 槽的宽度和深度;钻孔测定孔口坐标和不同深度的 测斜参数,从而计算钻孔中心曲线的空间坐标;竖 井、 斜井、 巷道则类似于一个柱体,先沿纵向测定它 们的中心或底、 顶板点的空间坐标,然后每隔一定的 距离测出柱体的横断面特征点的坐标;采空区的测 定是依次测定水平的横断面,最后形成一个采空区。 所有这些勘查工程,在地质勘查和矿山开采的图件 上都应得到有效的反映。 2 三维GIS数据模型综述 建立三维GIS的核心问题是三维数据结构,根 据三维数据结构的几何特征可以将三维数据结构分 为二类即基于面表示的数据结构和基于体表示的 数据结构。 211 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T I N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。 212 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。 51第2期 程朋根等地质矿山中三维GIS数据模型的应用问题 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 1030 [8]。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T I N 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。 213 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、 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 八叉树和四面体格网的混合结构[5] 214 基于边界表示的三维矢量数据结构 边界表示通常用于三维几何造型,文献[7]将其 引伸到地质领域。即以点边环界面体来描 述一个研究区域体,并建立空间拓扑关系。这种结构 中认为体由界面划分、 界面由环构成、 环由边组成、 边包含起点、 终点。 这样三维GIS的拓扑关系由五个 关系表组成 a.结点起始边终结边; b.边起结 点终结点过该边的环; c.环组成该环的边 内邻界; d.面外环内环正面相邻体负面相 邻体; e.体包围体的曲面。并采用 “界面引入体 划分” 的方法来实现三维拓扑关系的动态建立以维 护。即对任何一个内部结构复杂的研究区域体,从没 有任何内部结构的简单体域开始,逐个引入分界面, 每引入一个分界面,就对体域进行一次划分,将原来 的一个体域一分为二。界面引入的准则是由大到小, 由新到老。根据这一准则对地质体来讲,引入的界面 依次是地形面、 水体顶面、 最新的不整合面、 最新的 区域性大断裂、 最后才是地层分层面。这种 “界面引 入体划分” 的不断细分过程可用二叉树数据结构 来记录,如图4。文献[7]根据这一思想采用C 语 言开发了一个实验系统的雏形,这种结构在地质勘 探中对整个研究空间描述比较适合,但地质矿山领 域中的空间对象要比此复杂得多。 215 矢量与栅格集成的三维数据模型 61 矿 山 测 量 1999年5月 由于矢量、 栅格的三维数据结构各有其特点。对 于许多空间现象单独用矢量数据结构或单纯用栅格 数据结构均不能有效地解决所有的问题。因此文献 [6]提出了基于矢量与栅格集成的三维数据模型,并 采用面向对象的技术对空间对象进行抽象,概括出 矢量与栅格一体化的三维空间数据模型,如图5。该 模型中将三维空间对象抽象成结点点状地物、 弧 段、 线状地物、 面状地物、 数字表面模型、 断面、 影像、 像元、 体状地物、 数字立体模型、 体元、 柱状地物、 复 杂地物共13类空间地物和位置坐标1个数据结构。 文献〔6〕 还分别定义了各类地物的数据结构。在数据 结构定义中,涉及到大量的对象嵌套关系和变长记 录,充分体现了面向对象的特点,即无论怎么复杂的 对象都可以用一个结构来表示,使得理解这一模型 非常容易和自然。因而非常适合描述地质矿山领域 中的各类地质现象,便于相关软件的开发。有关实验 系统正在研究之中。 图4 界面体之间的二叉树关系图[7] 216 三维GIS数据模型应用实例 目前还没有真正基于三维GIS数据模型的软件 产品出现,人们仍处于研究阶段。下面仅给出两个试 验性的应用实例。 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 语言、OpenGL图形库、O racle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。 图5 三给空间数据模型[6] 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 311 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 71第2期 程朋根等地质矿山中三维GIS数据模型的应用问题 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。 312 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A ccess、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。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、QD3DQ uick D raw 3D 和 D irect3D。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 。D irect3D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W I N 95 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W indow s环境下采用VC 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。 参 考 文 献 1 夏邦栋 1 普通地质学 1 地质出版社 11984 2 朱志澄,宋鸿林 1 构造地质学 1 中国地 质 大 学 出 版 社 11990 3 张启锐 1 地质趋势面分析 1 科学出版社 11990 4 中国地质学会数学地质专业委员会编 1 中国数学地质 2, 31 地质出版社 190, 91 5 李德仁等 1 一种三维GIS混合数据结构研究 1 测绘学 报 11997, 2621128～133 6 龚健雅等 1 矢量与栅格集成的三维数据模型 1 武汉测 绘科技大学学报. 1997, 122117～15 7 李青元 1 三维矢量结构GIS拓扑关系及其动态建立 1 测绘学报 11997, 2631235～240 8 韩国建等 1 矿体信息的八叉树存储和检索技术 1 测绘 学报. 1992, 211113～17 9 申阳 1 3D 梦幻渐成真 1 中国计算机用户 119973. 9～ 10 10 L i R.Date Structure and Application Issues in 3D Geographic Inrormation System, Gematics. 1994, 48 3. 209～244 11 X. Chen, et al . A Workstation for Three- Di mensional Spatial DataResearch.TheFourthInternational Symposium of L IESMARS. 1995. 42～51 13 Q1. L i,D. L i, Hybird Data Structure Based on O tcree and Tetrahedron in 3- D GIS, IntenationalA rchives of Photogrammetry and Remote Sensing Vol . XXXXI . Part B4. 1996. 503～507 收稿日期 1998年10月7日 81 矿 山 测 量 1999年5月 ENGL ISH ABSTRACTSOFMA IN ARTICLES IN THIS ISSUE Establishment of The Railway GPS in Hong Kong- - The paper presents a detailed introduction to design,observation andcurrent accuracy of HongKong’slargestcontrol network established after its’return to the mainlandGao Yuping et al Study on Design and Realization of Map Symbol Base in M ining Geographical Ination System -- Design and development of m ine map symbol base constitute a key fundamental work for the construction of M GIS. Follow ing a description of the result of study on object -oriented technology and reference design, the paper brings to light several key technigues for designing the symbol base. The base developed is managed w ith visual C 5. 0 ODBC database by using the other softwares design concepts for reference. Chen Guiru et al Study on Data Source,Data Collection and of M REIS - - M ining area belongs to a special geographic region. The m ining area related ination include geology, m ining suryeyingand mapping, as well as economy, strutre, production and management, etc. MREIS is a multi- source data integrating system, w ith the data presenting w ide - ranging, multi -di mensional,dynam icanduncertain features. A discussion is made in the paper of the aspects relating to data source, features of data collection and . Du Peijun et al The 3D GIS Data M odel and lts Application in Geology- M ining- - Follow ing a description of the 3D phenom ina in geology- m ining and the description s, the author presents an overview of the 3D data model and makes a discussion and analysis of its field application.Cheng Penggen AnalysisonM echansi mofD iscontinuousGround Deation lnduced by Presence of lnterlayer Eak Plane- -ln m ining steeply-inclined coal seam s, the ground and particularly the outcrop ofweak planes often experience non -continuous deation in of terrace or cracks, posing severe threat to and even damage of buildings. A study and discussion are made in the paper of the pattern and mechanismofthis kind of deationby using numerical calculation . Da Huayang et al Predicting Collapse of Danger Rock Body inM ountain Area Through 3D Observation with Theodolite--The routine ground subsidence above worked- out area in this case can be effectively monitored w ith only one theodolite at one station. The proves to be high in accuracy and reliability.The paper also points out the for ensuring the observation accuracy. Lu Q ingguo