基于3D—GIS技术的地质勘察信息系统研究

摘 要：3D-GIS技术在资源与环境领域中，发挥着技术先导的作用，它的应用与发展推动了地质、石油、化工、环境等众多行业的发展。本文首先从3D-GIS的定义、特点、基本功能三个方面简单介绍了3D-GIS技术，其次详细分析了基于3D-GIS技术的地质勘察领域，最后重点研究了地质勘察信息系统构架及其功能实现。

关键词：3D-GIS；地理信息；地质勘察；三维

中图分类号：P20 文献标识码：A

1概述

3D-GIS一直是GIS理论和应用研究中的热点问题，也是数字地球的核心技术问题。“数字地球”对建立三维地理信息系统提出了更为迫切的要求。“数字地球计划”是信息社会的主要组成部分，是遥感、遥测、全球定位系统、GIS、仿真与虚拟现实技术的高度综合，是当代科技发展的制高点。由于数字地球中的现实空间是一个动态三维空间，因此4D-GIS可以说是GIS发展的必然趋势。而所谓的3D-GIS就是从数据结构到空间查询和建模分析都建立在三维（x，y，z）数据模型基础上的地理信息系统，3D/4D-GIS研究的突破必然推动GIS在地质、矿业、环境、海洋、城市以及相关信息管理领域的应用。

2 3D-GIS技术简介

2.1 3D-GIS的定义

3D-GIS是能够对空间对象进行真三维描述和分析，从数据结构到空间查询和建模分析都建立在三维数据模型基础上的地理信息系统。

Breunig认为3D-GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。地球上的一切物体都可以用一组（X，Y，Z）来描述它们的空间位置，3D-GIS中空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，复杂程度高，它与二维GIS定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。

2.2 3D-GIS的特点

3D-GIS作为二维GIS在空间和功能上的扩展，具有二维GIS的功能之外还具有自己本身强大的功能。肖乐斌等众多学者总结出三维GIS独有的功能

1）包容一维、二维对象。三维GIS不仅要表达三维对象，而且还要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。

2）可视化2.5维、三维对象。三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是其一项基本功能。

3）三维空间DBMS管理。三维GIS的核心是三维空间数据库。它可由扩展的关系数据库系统也可由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。

4）三维空间分析。直接在三维空间中进行空间操作与分析，对空间对象进行三维表达与管理，使三维GIS明显不同于二维GIS，在功能上更加强大。

2.3 3D-GIS的基本功能

由于3D-GIS尚处于研究阶段，不同学者对其不同领域三维GIS功能的理解也不甚相同。由于地质勘察主要以地学对象为研究载体，所以笔者主要对地学方面三维GIS的基本功能加以总结，主要包括以下几个方面：

三维数据管理：主要包括三维数据录入、与其他系统数据的转换、数据基本分析、三维坐标转换、入库数据的有效整合和查询等；

三维对象管理：基于三维数据的三维对象建模、三维对象模型可视化选择与查询、三维对象变化（平移、旋转等）；

三维空间分析：三维布尔操作（交、并、差、切割断面、开挖等）、三维计算（计算体积、表面积、距离、方向等）。

3　地质勘察信息系统研究

3.1　地质勘察领域分析

地质勘察是利用勘探、物探、试验和监测等工程技术手段，调查、分析和评价区域（又称勘察场区）的地质、环境特征、岩土工程条件等，以获取定性和定量的结果，并用专题图、报表和文字报告表现，这是一个复杂的综合过程。采用面向对象的思想和方法，综合分析地质勘察涉及的主要对象（实体）及其相互关系，有利于整体把握地质勘察领域的实质问题。图1是地质勘察领域图示分析。地质勘察领域涉及地质实体/现象、基础地理和勘察专题三大类数据。地质实体/现象是工程地质勘察要揭示的区域（如城市）地表以下所有物质的抽象，包括区域地和构造、环境地质及地质灾害等综合信息。基础地理对象包括控制点、建筑物与构筑物、工矿及设施、交通线路及设施、行政区划与境界、地貌等十大专题，是地质勘察的空间参考和重要背景信息。

勘察专题主要包括勘察场区、地层、钻孔三类对象。勘察场区是工程勘察的空间范围，是具有一定地表面积和不定深度的三维空间实体。勘察场区地表下立体空间是由许多具有一定厚度和分布特征的不规则空间实体———地层构成。经归纳抽象，地层具有如下特征：地层具有一定层理特征和地质年代、地质成因、岩土特征等关键特性，在空间连续分布，相同的地层具有相同的关键特性；不同地层按一定层序在垂直方向上叠加，水平分布受地质构造和外力影响也呈一定规律。

通过在勘察场区设置观测点，典型地点布置钻孔进行勘探、物探，并进行原位测试或取样进行室内试验，获取原始的物理几何、岩土力学和化学组分等特征的离散数据。原位测试通常有标贯试验、静力触探、动力触探、载荷试验、十字板剪切和抽（注）水试验等，室内试验有土工试验、水质分析、岩石单轴抗压试验和点荷载试验等。钻孔是具有狭小地表面积和一定深度的柱状三维空间实体，相当于垂直方向上的多个观测点，具有不同深度的岩土特征分层数据，即对应真实的地层。通过制作各类图表表现钻孔的垂直分层特征以及原位测试数据和室内试验数据，进而反映整个场区地表以下的地质状况。

3.2 信息系统架构

地质勘察三维辅助信息系统体系结构如图2所示，可分为二维工程勘察辅助建模子系统和三维工程勘察建模子系统两部分，利用二维工程勘察辅助建模子系统可对钻孔等勘察数据和工程设计图件进行检查和预处理，形成三维剖面、钻孔和设计文件，再经三维工程勘察建模子系统处理得到三维地质结构模型、三维工程对象模型和三维地质属性模型，基于三维GIS功能，这三类模型均具有对三维空间数据和属性数据进行一体化管理、显示和空间分析的功能。

3.3　信息系统功能实现

现有CAD型的岩土工程勘察系统，全面升级转变为GIS型地质勘察系统。将城市地质勘察信息及相关数据统一存储在数据库中，消除了信息孤岛，实现城市基础地形、基础地质和工程地质勘察信息的高度共享和图文一体化管理。具体实现了工程勘察成果管理（包括数据编辑、制图输出、报表报告制作和三维显示）、查询分析、数据维护（地形数据和地质数据）和系统管理维护（数据字典维护和用户权限管理）等功能。图3是系统主要功能实现图。

结语

近年来，地理信息技术在国内发展迅速，并且迈入了国际先进行列。我国的地理信息产业经过多年的发展已具有一定规模，系统集成化、数据标准化、平台网络化和应用社会化等是地理信息系统未来的发展趋势。具体来说，3D-GIS技术会与无线通信技术相结合，与高分辨率遥感影像相结合，与虚拟现实技术相结合等，它的应用将推动各行各业的发展。

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