基于GIS耦合SketchUp技术的三维地层模型绘制方法.docx

2095-6045 2014 01-0054-03A基于 GIS 耦合 SketchUp 技术的三维地层模型绘制方法宋仁波（淮阴师范学院城市与环境学院，淮安市长江西路 111 号，223300）A Method of Plotting Three Dimensional Stratum Model Based on Coupled GIS and SketchUp TechniqueSONG Renbo（School of Urban and Environmental Science，Huaiyin Normal University，111 West Changjiang Road，Huaian 223300，China）摘要：针对三维地质建模工作繁琐、复杂，从手工绘制 地质模型角度提出了一种基于 GIS 耦合 SketchUp 技术的 三维地层模型绘制方法。采用钻孔资料作为数据源，通过 ArcGIS 的插值和栅格转换工具生成地层三角网格。然后 利用 SketchUp 的封面插件和表面求交工具，生成地层的三 维体模型。该方法操作简单、直观和易于掌握，具有一定 的推广和应用价值。 关键词：三维地质建模；ArcGIS；Google SketchUp；钻孔数 据中图法分类号：P208；P217Abstract：In order to deal with the cumbersome and complex 3D geological modeling processes，from the perspective of draw ing model manually，a method of plotting 3D stratum model based on coupled GIS and SketchUp technique is proposed. The borehole data are used for generating the stratum triangle mesh with interpolation and raster conversion tools. The make faces plug-ins and surface intersection tools of SketchUp are used for constructing the 3D stratum model. This method has the advantage of being simple，intuitive and easy to learn. Therefore，it has certain value in popularization and application. Key words：3D geological modeling；ArcGIS；Google Sketch Up；borehole data近几年来，三维地质建模一直是矿山、地质、水利 工程、GIS 和测绘等领域的研究热点1-3。相对于二维 地质剖面，三维模型可以更加直观、清晰地展示区域 地层、岩体、构造的空间分布特征。因此，在地质勘 察、矿山开采、石油开发、考古和地下水研究以及重 大工程等诸多领域，研究者和技术人员迫切要求引入 三维模型来解决地质解译、项目规划和决策等实际问 题。在研究、生产和工程等领域，人们更倾向于采用SurPac、GoCAD 等 专 业 建 模 软 件 来 完 成 其 工 作 3-4， 但这些软件的数据前处理、建模及可视化流程都比较 繁琐和复杂，用户必须经过系统学习和专业培训才能 掌握。另外，有部分学者采用 OpenGL、Java3D、IDL 和 GIS 组件开发系统用于建模工作5-8，但这种数据 结构、算法设计以及代码实现都需从零做起，实现难 度很大。目前，地质领域的制图多是利用计算机绘图工具 手工绘制完成，实现完全自动化的三维地质建模仍然 面临一定困难。典型的 ArcGIS 系统更多的是用于二 维制图，虽然其三维扩展模块提供强大的 2.5 维模型 的表达和分析能力，但复杂对象模型编辑功能较弱。而 Google SketchUp 作 为 一 种 面 向 方 案 设 计 的 三维建模软件，提供了非常方便、实用的手绘和模型 编 辑 功 能 ，能 够 有 效 弥 补 ArcGIS 系 统 这 方 面 的 不 足。因此，为降低三维地质建模的复杂性，并将模型 推广和应用于生产实际，笔者设计了基于 GIS 耦合 SketchUp 技术的三维地层模型绘制方法，并对其工 作流程和具体实现过程进行了详细介绍。1工作流程数据处理、分析和可视化是 ArcGIS 系统的优势， 而 SkectchUp 的优势在于三维建模，二者互相协助工 作。模型绘制的主要工作流程包括：1）利用 Access 导入 Excel 钻孔文件，将其转换成DBF 文件，导入到 ArcCatalog 构建的空间数据库；2）通过 ArcGIS 读取钻孔 DBF 文件，导出为钻孔 三维点 shp 文件；3）利用 ArcGIS 的 TIN 工具分层创建地层三角网 格，手工勾绘出建模边界线，并导出为 CAD 文件；2014 年第 39 卷第 1 期宋仁波：基于 GIS 耦合 SketchUp 技术的三维地层模型绘制方法 554）将 前 一 步 骤 生 成 的 三 角 网 格 导 入 SketchUp 中，并利用 MakeFaces 封面插件分别生成各地层三角 面；5）利用 Push 拉伸工具生成边界六面体，并与地 层三角面求交生成各地层交线和边界面，生成地层体 三维模型；6）赋予各地层边界面相应颜色材质，以 3DS 文 件格式导出，并加载到 ArcGIS 的扩展分析模块进行 三维展示、空间查询、制图和打印输出等。2具体实现过程2.1 数据准备和处理绘制三维地质模型的数据主要来自于地质勘察 获取的钻孔资料，其类型主要包括地质钻孔、工程地 质 钻孔、浅震数据和高密度电数据，保存在 Excel 工 作簿中。利用 ArcGIS 处理钻孔数据之前，需先利用 Access 关系数据库将钻孔数据转换成 DBF 文件，并 保存于空间数据库中，以便于数据的集中管理和分 析。然后，利用 ArcGIS 系统读取 DBF 文件，将表中 的钻孔数据转换为三维矢量点。进一步，为协同后续 的模型绘制，将其符号化为球体三维模型，并保存为 shp 文件。根据钻孔数据揭示的岩层三维空间分布， 能够清晰地观察到各地层岩性、地质构造以及数据密 度等情况。在 ArcScene 中显示的三维钻孔矢量点及 其符号化效果如图 1 所示。示。然后，将每一层的 TIN 三角网格和建模边界线 分别存储成 CAD 文件，为 SketchUp 建模做好数据准 备工作。（a）TIN 网格(水平）（b）TIN 表面(透视）图 2 插值生成地层 TIN 网格2.3 模型绘制和可视化将 前 一 步 生 成 的 各 地 层 三 角 网 格 和 建 模 边 界 CAD 文 件 导 入 SketchUp 建 模 环 境 。 先 利 用 Make- Faces 自动封面工具封闭各地层三角网格生成地层三 角面，然后封闭边界线成面，并利用 Push/Pull 工具拉 伸边界面成六面体。进一步,将二者叠放在一起，并 利用表面求交工具生成各地层交线和边界面，最后生 成地层体三维模型，其操作过程如图 3 所示。（a）地层三角面（b）边界六面体（c）表面求交（d）自动生成交线（a）钻孔三维矢量点（b）符号化球体模型图 1 地质勘察获取的钻孔数据分布情况2.2 数据插值和边界生成由于沿浅震和高密度电法沿勘探线方向的数据 密度较大，而勘探线之间的数据较稀疏，只分布少量 地质和工程钻孔数据，在建模之前，需对原始数据进 行 插 值 。 笔 者 对 ArcGIS 的 几 种 插 值 方 法 进 行 对 比 发现，反距离加权法生成的各地层表面相交的情况较 少，非常有利于模型的进一步调整和编辑。因此，本文采用反距离加权插值工具生成各地层 栅 格 文 件 ，并 将 其 转 换 成 TIN 三 角 网 格 ，如 图 2 所图 3 利用 Google SketchUp 表面求交生 成地层交线及其边界面演示图需要注意的是，由于插值会造成地层表面出现 局部交错的情况，需手工参照相邻地层的钻孔数据 进行局部调整。同时，为区分不同岩层属性，对每一 地层模型的表面模型赋予相应的纹理颜色。然后将 模 型 导 出 为 3DS 文 件 ，然 后 利 用 ArcGIS 的 3D 文 件 导入功能，将其导入于 GeoDatabase 空间数据库中。 最后，与钻孔矢量点数据一同加载到 ArcScene 环境中 进行三维展示、空间查询、制图和打印输出等工作， ArcScene 环境中显示的三维地质模型的可视化效果 如图 4 所示。56Journal of GeomaticsFeb. 2014 Vol.39 No.1图 4 三维地层模型的可视化效果3结束语目前，已有多种三维地质建模方法, 但它们的数 据前处理、建模和可视化流程都很复杂。为简化建模 过程，促进技术推广和应用，笔者设计了基于 ArcGIS 和 Google SketchUp 的三维地层模型绘制方法。该 方法不需要编写任何程序，大大降低建模的实现难 度。同时，其操作过程非常简单、直观和易于理解， 为快速处理和分析地质数据，准确构建三维模型提供 了一条快速的技术路线和实现方案。此外，该方法为 构建复杂地质体模型和辅助地质解译与分析奠定了 牢固的技术基础，在矿山生产、地质研究和工程应用 等领域都将具有一定的推广和应用价值。参考文献1Wang B J，Shi B. A Simple Approach to 3D Geo logical Modelling and VisualizationJ. Bulletin of En_ gineering Geology and the Environment，2009，68（4）：559_5652Zhong D H，Li M C，Song L G. Enhanced NURBS Modeling and Visualization for Large 3D Geoengineer ing Applications：An Example from the Jinping First-level Hydropower Engineering ProjectJ. Com puters & Geosciences，2006，32（9）：1 270_1 2823罗 周 全 ，吴 亚 斌 ，刘 晓 明. 基 于 SURPAC 的 复 杂 地 质 体 FLAC3D 模 型 生 成 技 术J. 岩 土 力 学 ，2008，29（5）：1 334_1 3374杨 志 华 ，兰 恒 星 ，张 永 双. 基 于 GIS-GOCAD 耦 合 技 术的三维地质建模J. 地理与地理信息科学，2012， 28（5）：16_205朱 良 峰 ，潘 信 ，吴 信 才. 三 维 地 质 建 模 及 可 视 化 系 统 的设计与开发J. 岩土力学，2006，27（5）：829_8316杨小冬，胡立堂，唐仲华. 基于 Java/Java 3D 的地层 3维建模与可视化J. 测绘学报，2006，35（2）：166_1707罗智勇，杨武年. 基于钻孔数据的三维地质建模与可 视化研究J. 测绘科学，2008，33（2）：130_1338王 宝 军 ，施 斌 ，宋 震. 基 于 GIS 与 虚 拟 现 实 的 三 维 地 质 建 模方法J. 岩石力学与工程学报，2008，27（2）： 3 564_3 566收稿日期：2013_04 _15。 作者简介：宋仁波，讲师，博士，主要研究方向为三维 GIS、地学可视 化和虚拟地理环境。E-mail：srb_（上接第 53 页）区 采 动 滑 坡 监 测 中 的 应 用 研 究J. 矿 山 测 量 ，2009（3）：29_312罗德安，朱光，陆立，等. 基于三维激光影像扫描技术 的整体变形监测J. 测绘通报，2005（7）：40_423徐 进 军 ，王 海 城 ，罗 喻 真. 基 于 三 维 激 光 扫 描 的 滑 坡 变形监测与数据处理J. 岩土力学，2010，31（7）：89_ 904黄有，郑坤，刘修国，等. 三维激光扫描仪在测算矿方量中的应用J. 测绘科学，2012，37（3）：90_925RIEGL Laser Measurement Systems GmbHEB/OL. ，20096黄 姗 ，薛 勇 ，蒋 涛. 三 维 激 光 扫 描 技 术 在 地 质 滑 坡 中 的应用J. 测绘通报，2012（1）：100_1017Girardeau-Montaut D，Michel Roux，Raphael. Workshop-Laser ScanningJ. ISPRS，2005：12_148武晓波，王世新，肖春生. Delaunay 三角网的生成算法 研究J. 测绘学报，1999，29（1）：2