矿山地质勘察三维可视化管理系统与建模技术研究

0 引 言

随着地理信息技术的飞速发展, 三维可视化表达和虚拟现实技术越来越引起人们的注意。但现有的GIS 软件只能用数字高程模型来处理空间实体的高程坐标, 无法建立空间实体的三维拓扑关系, 因而使得真三维操作难以实现, 故被称之为二维 GIS或2. 5 维 GIS。例如地质采矿、地表沉降、地下水迁移、地表预应力分布、以及环境污染等均为三维现象, 当以二维系统来描述它们时, 不能精确地反映、分析或显示有关数据。本文以城市三维地质勘察管理信息系统为例, 分析真实三维数据模型的可视化表达与系统建模方法。

许多学者都对三维GIS 的理论和方法进行了广泛研究。但是对于一个真正的三维GIS 的建立,这些工作还远远不够。首先是在二维GIS 中还有许多问题没有圆满解决, 如数据获取、数据建模、高效的拓扑关系描述及空间分析、时态拓扑、时空分析、与地学专用模型的结合及GIS 的开放性与共享性问题等, 其次是在三维 GIS 中还存在三维实体存贮、表达及三维对象间复杂的拓扑关系描述与建立的困难, 本文以矿山地质管理信息为例, 利用组件GIS 技术来探讨基于二维和三维空间信息统一进行空间数据管理的有效途径和实现方法。

1 地形三维的空间表达

目前在GIS 应用中, 关于二维空间数据和信息的管理技术和方法较为成熟, 但相对于三维而言, 在应用和技术方法上还有很多值得探讨的地方。目前地形三维的表达在二维 GIS 和地学可视化中常常是一个独立运行的模块, 即使被放到一个集成环境中, 也只是形式上的集成或部分集成, 很难在数据结构的底层与其它模块实现真正的有机集成与耦合。究其原因, 这固然与 GIS 软件发展的历史和条件有关, 但根本原因在于二维 GIS 维数的局限性, 即二维GIS 没有在所有的模块中将垂向信息Z 坐标独立出来形成真三维空间, 常常是将现实世界中本是空间独立变量( Independent Variable) 的高程数据Z作为依赖变量( Dependent Variable) 或属性来处理。三维GIS 对Z 坐标的处理与二维GIS 完全相反, 它在所有的模块中均将Z 坐标作为独立变量处理, 形成真三维空间, 因此三维 GIS 中表达的地形三维( 用位于表面的边界扩展结点来表达) 与其它模块是真正耦合的, 在底层数据结构的设计及基于它的操作与分析上完全可以实现统一[ 1] 。

虽然有以上不同点, 但三维GIS 中地形三维的三维表达完全可以而且应该借用已经成熟的二维GIS 与地学可视化中的面三维地形表现( DTM ) 算法与技术[ 2] , 它们都要经过几何建模、投影、消隐、光照、显示等基本阶段, 关于这方面的算法与实践已有很多[ 3~ 5] 。目前常见的三维空间信息的表达主要包括DEM 、T IN 及GRID 等空间数据模型。

1. 1 数字高程模型的实现

数字地面模型( Digital T errain Model, 简称DTM) 是描述地面特性诸如空间分布的有序数值阵列[ 6] 。在一般情况下, 地面特性是高程Z, 它的空间分布由X、Y 水平坐标系统来描述, 也可用经度 X、纬度Y 来描述。这种地面特性为高程或海拔高程的DTM , 也称为数字高程模型( Dig ital Elevation M odel, 简称 DEM ) 。其它地面特性可以是诸如地价、土地权属、土壤类型、地貌特征、岩层深度及土地利用等与地形有关的信息。DEM 可以是每3 个坐标值为一组元的散点结构, 也可以是由多项式或富里叶级数确定的曲面方程。

柯正谊等( 1993) 按空间结构形式将DTM 分为7 类: 规则格点( 格网) 数字地面模型、散点数字地面模型、等值线数字地面模型、曲面数字地面模型、线路数字地面模型、平面多边形数字地面模型和空间多边形数字地面模型。由于 DEM 是 DTM 中的一种, 因此它也有7 种形式。在实际中最常用的3 类数字高程模型( 基于 3 种数据结构) 是: 规则格网( GRID) 、不规则格网( T IN) 及数字等值线图。

更多内容请查看pdf