基于MultiPatch的三維地層建模方法

胡小彭，余學(xué)祥，劉星

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001)

基于MultiPatch的三維地層建模方法

胡小彭?，余學(xué)祥，劉星

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001)

地層的三維可視化能夠形象明確的表達(dá)出地質(zhì)構(gòu)造情況。常用的三維建模軟件不具備屬性信息，本文采用了ArcGIS提供的三維要素類型MultiPatch來存儲(chǔ)和管理三維地層屬性信息，并介紹了生成MultiPatch數(shù)據(jù)的一種方法。

ArcGIS；MultiPatch；三維地層

1 引 言

地質(zhì)構(gòu)造是城市建設(shè)、煤礦開采、地下工程等的重要決策依據(jù)。目前，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，三維的地質(zhì)可視化技術(shù)也越來越多的在相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。國內(nèi)外的三維建模軟件也很多，但也有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。利用OpenGL、DirectX等進(jìn)行底層開發(fā)，涉及大量的三維圖形學(xué)及其算法方面的知識(shí)，而且工作量大，要求開發(fā)人員具有很強(qiáng)的專業(yè)能力。專業(yè)的三維建模軟件雖然能建立較好的三維模型，但繪制出的圖形不具備屬性信息；GIS軟件雖然具備屬性信息，但不便于建立復(fù)雜的三維模型。本文采用ArcGIS提供的3D擴(kuò)展模塊以及輔助三維建模軟件Google SketchUp來顯示及制作礦區(qū)的三維地質(zhì)圖。

ArcGIS 3D擴(kuò)展模塊的核心是ArcScene的應(yīng)用以及ArcGIS Engine提供的SceneControl組件，基于它可以對(duì)多層三維數(shù)據(jù)圖進(jìn)行顯示、觀察以及屬性的查詢，還可以開發(fā)出用戶需求的系統(tǒng)。

MultiPatch是ArcGIS軟件提供的一種三維要素類型，用于描述3D面狀的幾何類型。

2 MultiPatch元素介紹

MultiPatch Features是一種描述三維面狀要素的幾何類型，與shape文件中的Point Features、Polygon Features和Line Features相似。可以在ArcScene中顯示MultiPatch類型的三維模型，在ArcCatalog中能創(chuàng)建一個(gè)空白的MultiPatch GeoDataBase，但不能在Desktop軟件中對(duì)其進(jìn)行編輯，可以通過ArcObjects編程來編輯或修改含MultiPatch的GeodataBase。另外一種創(chuàng)建MultiPatch數(shù)據(jù)的方法是:通過將其他三維建模軟件創(chuàng)建的三維模型轉(zhuǎn)化為MultiPatch數(shù)據(jù)。

一個(gè)MultiPatch由多個(gè)面片(Surface Patch)組成，每個(gè)面片描述一個(gè)表面。面片就是MultiPatch的分塊單元，包含了3種常用的單元類型:三角帶、三角扇和環(huán)。

3 三維地層建模

3.1 三維地層建模方法

在三維領(lǐng)域，專家、學(xué)者提出了很多三維空間建模的方法。總的來說，三維地層的建模方法主要有基于面模型(Facial Model)和基于體模型(Volumetric Model)的建模方法。其中，基于面模型的建模方法是利用表面擬合技術(shù)來建立一個(gè)地質(zhì)體的外表，利用該方法繪制的地質(zhì)體可以滿足一般的三維顯示、分析等需求。并且還可以將一塊地質(zhì)體存儲(chǔ)為一個(gè)MultiPatch要素，對(duì)其賦以相關(guān)的屬性信息。

3.2 地質(zhì)層面生成方法

地質(zhì)層面的生成方法類似于DEM的生成方法，主要有不規(guī)則三角網(wǎng)法(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)法(Grid)。

TIN是由一系列相互連接的相鄰三角形組成的三角網(wǎng)來表示層面的起伏信息，TIN能較好的表達(dá)地層體的邊界。Grid是由一系列連續(xù)的、形狀相同的矩形或正方形組成組合面，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于不規(guī)則的邊界來說，利用Grid插值有些失真，不能較好的表達(dá)邊界。本文采用TIN的表面建模方法來生成地質(zhì)的層面。

4 三維地層模型的建立

4.1 地層面的建立

SketchUp提供的SketchUpESRI插件可以實(shí)現(xiàn)Arc-GIS文件與SketchUp文件的相互轉(zhuǎn)換功能。在ArcGIS中，將通過鉆孔資料獲取的數(shù)據(jù)生成一系列對(duì)應(yīng)的點(diǎn)文件，如圖1(a)，然后根據(jù)生成的點(diǎn)文件通過TIN的建模方法來構(gòu)建地層的層面，如圖1(b)。將生成的TIN導(dǎo)出為Google SketchUp的?.skp格式的文件。

圖1 地層面的建立

4.2 地層體的建立

在Google SketchUp中導(dǎo)入相關(guān)地層體的上下兩個(gè)地層面，如圖2(a)，然后利用Google SketchUp提供的建模工具將上下地層面連成一個(gè)封閉的地層體，如圖2(b)。并對(duì)其賦予相應(yīng)的材質(zhì)或顏色，用以識(shí)別地層的類型。

圖2 三維地層的建立

選擇做好的地層體，導(dǎo)出為ESRI MultiPatch的?.mdb格式的文件，并在屬性表中建立需要的屬性字段，用于存儲(chǔ)與地層相關(guān)的屬性信息。可以在ArcGIS Desktop軟件中對(duì)導(dǎo)出的MultiPatch文件的屬性進(jìn)編輯。

4.3 地層體的顯示

利用ArcGIS Engine提供的SceneControl控件，開發(fā)了如下的三維地質(zhì)顯示程序，如圖3所示。在SceneControl控件中分別加載導(dǎo)出的各層地層的Multi-Patch數(shù)據(jù)文件，便可以顯示出多層地層的三維圖。根據(jù)需要，可以通過控制圖層的開關(guān)來控制地層的顯示與隱藏，通過觀察工具按鈕可以從各個(gè)角度觀察地質(zhì)體，并可以查詢地層的相關(guān)信息以及鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的三維空間坐標(biāo)。

圖3 三維地層的顯示

(1)加載MultiPatch數(shù)據(jù)文件的程序:

(2)獲取鼠標(biāo)位置的三維坐標(biāo):

通過輸出的pPt即可獲得相應(yīng)的點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

(3)地質(zhì)剖面圖的制作:

通過IExtrude.ExtrudeBetween方法計(jì)算并生成一個(gè)位于兩個(gè)表面之間的Muntipatch圖形，其函數(shù)定義如下:

利用ExtrudeBetween方法可以生成任意兩個(gè)層面之間的剖面圖，圖4是制作了的最下面三層地層的剖面圖。

圖4 剖面圖

5 結(jié) 語

本文提出了一種三維地層建模的方法，充分利用了GIS軟件和專業(yè)建模軟件的優(yōu)點(diǎn)，將兩者巧妙的結(jié)合起來。根據(jù)礦區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)，建立了地層圖，并開發(fā)了相關(guān)的三維顯示和操作程序，實(shí)驗(yàn)證明該方法是可行的。另外，該方法也適用于對(duì)斷層的處理，根據(jù)斷層面分塊建立地層，然后再將其合并。

參考資料

[1] 包世泰，夏斌等.地質(zhì)三維信息模型研究及其應(yīng)用[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2004，28(4):470～476

[2] 董梅，慎乃齊等.基于GOCAD的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，28(2):188～192

[3] 羅智勇，楊武年.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模與可視化研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2008，33(2):130～132

[4] 范力銘，吳建平等.ArcObjects中三維模型的創(chuàng)建方法[J].2007，24(2):54～58

[5] 蔡恒剛，李小根等.基于MultiPatch的地下三維物體在ArcGIS上的實(shí)現(xiàn)[J].2004，25(4):64～66

[6] ArcGIS Engine developers help.ESRI.

Establishing 3D Geology Model Method Based on MultiPatch

Hu XiaoPeng，Yu XueXiang，Liu Xing
(Department of Earth and Environment of Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

3D geological model can explicit expression geologic structure.The commonly software of 3D Model establishment don’t have attribute information.This article using the factor type of MultiPatch which ArcGIS provided to save 3D model and manage the three dimensional stratum information.

ArcGIS；MultiPatch；3D geological model

1672－8262(2010)06－174－03

P628.4

B

2010—04—15

胡小彭(1987—)，男，碩士研究生，研究方向:GIS軟件應(yīng)用與開發(fā)、數(shù)字城市與礦山空間信息技術(shù)。