基于ArcGIS的三維地層建模方法

劉林貴 劉高揚

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基于ArcGIS的三維地層建模方法

劉林貴 劉高揚

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

基于多層DEM地層建模思路，總結(jié)了在ArcGIS中利用鉆孔數(shù)據(jù)生成地層分界面TIN模型來實現(xiàn)三維地層建模及可視化的一般方法，建模實例表明，該方法簡單、高效，可以快速建立層狀地質(zhì)體的三維可視化模型，可以為類似的工程提供參考。

ArcGIS，地統(tǒng)計分析，三維地層模型

0 引言

近年來，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來越多地應(yīng)用于巖土、采礦、城市建設(shè)等工程中[1]。由于三維地質(zhì)模型可以直觀地表達研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體的空間形態(tài)，可以克服傳統(tǒng)二維地質(zhì)分析的不足，使地質(zhì)分析更加直觀準確，對工程決策和科學管理有著重要的輔助作用。目前，三維地質(zhì)建模及可視化大多是借助Visual C++和OpenGL從底層開始編程實現(xiàn)[2]，這需要建模人員由底層的三維數(shù)據(jù)模型開始構(gòu)建，建模難度大、周期長，費時費力，而且建模效果受開發(fā)人員編程水平的限制。而隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，成熟GIS軟件可以較好地實現(xiàn)地表形態(tài)及地面物體(如樹木、建筑物等)的三維可視化，并且出現(xiàn)了描述三維空間要素的數(shù)據(jù)格式(如ArcGIS的Multipatch)。不少學者對利用ArcGIS實現(xiàn)地質(zhì)體的三維可視化進行了研究。張凱選、武文波等提出了在ArcGIS環(huán)境下基于多層TIN模型建立地質(zhì)體的方法和基于面拉伸擴充建立地質(zhì)體的方法，并分析了兩種方法的優(yōu)缺點[2]；高壽峰、李亞等提出了基于Kriging方法的三維地質(zhì)體構(gòu)建方案，并在ArcGIS 10平臺上加以實現(xiàn)[3]；張振遠、李曉軍利用ArcGIS軟件的Extrude Between,Union,Merge等工具，建立了某隧道的三維地質(zhì)模型，較好地反映了地層不連續(xù)現(xiàn)象，并利用Intersect 3D工具實現(xiàn)了地層模型的剖切分析[4]。本文基于多層DEM建模思路，總結(jié)了利用ArcGIS實現(xiàn)層狀地層模型三維建模及可視化的一般方法，并結(jié)合實例分析了利用該方法實現(xiàn)地層三維可視化的優(yōu)勢。

1 三維地層多層DEM建模

三維空間數(shù)據(jù)模型的選擇與構(gòu)建是實現(xiàn)地層三維建模及可視化的核心。目前的三維空間數(shù)據(jù)模型可歸納為基于面表示的模型、基于體表示的模型和基于混合表示的模型三大類[5]?；诿姹硎镜哪Ｐ筒捎脴?gòu)造三維空間表面的方法來表達三維地質(zhì)體，具有便于顯示和數(shù)據(jù)更新的優(yōu)點，但是缺少地質(zhì)實體的內(nèi)部屬性記錄，空間查詢與分析困難?；隗w表示的模型用體元信息代替表面信息來描述三維空間對象的內(nèi)部，可以表達空間對象的內(nèi)部信息，易于進行空間操作和分析，但是其存儲空間占用大，計算速度也較慢?；诨旌媳硎镜哪Ｐ偷哪康木褪蔷C合面模型和體模型的優(yōu)點，取長補短，是三維地質(zhì)建模的一個主要發(fā)展方向。雖然存在無法表達內(nèi)部屬性信息及空間分析困難等缺點，但基于面表示的模型建模理論成熟，容易實現(xiàn)，是三維地層建模的主流方法。其中，基于面模型的多層DEM(Digital Elevation Model,數(shù)字高程模型)建模利用DEM來模擬各個地質(zhì)分界面，已達到對地層構(gòu)模的目的。其建模實施過程為：將建模區(qū)域內(nèi)的地層進行分層、劃片處理；選用合適的空間插值方法對同一地層界面上的采樣點進行插值加密；根據(jù)地層屬性對多層DEM進行處理，形成嚴格按巖性或其他特性進行劃分的三維地層模型骨架結(jié)構(gòu)；引入特殊地質(zhì)現(xiàn)象，形成三維可視化模型。DEM可以是規(guī)則格網(wǎng)(Grid)，也可以是不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN，Triangulated Irregular Network)。

2 基于ArcGIS的三維地層可視化

基于多層DEM建模思想，利用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊(Geostatistical Analyst)對鉆孔數(shù)據(jù)進行插值，得到地層厚度在整個建模區(qū)域內(nèi)的估計值，然后生成各地層分界面TIN模型，拉伸即可獲得研究區(qū)域的三維地層可視化模型。建模的一般過程如下：

1)鉆孔數(shù)據(jù)準備。將建模區(qū)域內(nèi)的鉆孔以點要素的形式導(dǎo)入到ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫中，添加地層編號、地層厚度、地層頂?shù)酌娓叱痰茸侄危瑥你@孔柱狀圖和地質(zhì)剖面圖中提取數(shù)據(jù)錄入到鉆孔數(shù)據(jù)表里。

2)鉆孔數(shù)據(jù)插值。以地層厚度為區(qū)域化變量，在ArcMap中對其進行地統(tǒng)計分析，選擇合適的空間插值方法得到整個建模區(qū)域內(nèi)的地層厚度。

3)創(chuàng)建地層分界面。將地層厚度插值結(jié)果轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)格式，通過柵格運算修正插值結(jié)果并得到地層分界面處的高程柵格數(shù)據(jù)集，利用高程柵格數(shù)據(jù)創(chuàng)建地層分界面TIN。

4)生成三維地層模型。使用TIN Domain工具得到地層分界面TIN的覆蓋范圍，再利用Extrude Between工具在相鄰TIN之間拉伸即可得到一個地層的三維實體模型，依次建立各地層的三維實體模型，合并在一起并添加屬性信息即可得到研究區(qū)域的三維地層模型。三維地層建模流程見圖1。

3 建模實例

某露采礦山地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層地質(zhì)年代從上到下依次為第四系地層、下石炭統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)、上震旦統(tǒng)等，巖性主要為白云巖、磷塊巖、砂巖、頁巖及粘土巖。利用鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)剖面圖數(shù)據(jù)，按照上述建模流程在ArcGIS中建立該礦山的三維地層可視化模型如圖2所示。

由建模實例可知，利用本文的方法實現(xiàn)三維地層建模及可視化，可以充分利用ArcGIS強大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能，可以選擇多種方法進行鉆孔數(shù)據(jù)的插值，地層分界面TIN模型的生成也很方便，可以實現(xiàn)地層分層顯示、屬性查詢等操作，地層模型的應(yīng)用擴展也比較容易。利用ArcGIS實現(xiàn)三維地層模型的可視化，避免了編程上的困難，可以得到滿足要求的三維地層模型是一種簡單、快速、高效的三維地層可視化方案。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了利用ArcGIS建立三維地層可視化模型的方法，并給出了建模實例。該方法思路清晰、易于理解、操作方便，是一種簡單高效的地層可視化方案，可以為類似工程提供參考。本文的地層可視化方案適用于簡單的層狀地層，對于斷層、透鏡體等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模這一三維地質(zhì)建模領(lǐng)域的難點問題則需要做進一步研究。

[1] 王明華，白 云.三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].土工基礎(chǔ)，2006,20(4)：68-70.

[2] 張凱選，武文波，白云峰，等.基于ArcGIS的地質(zhì)三維可視化[J].遼寧工程技術(shù)大學學報，2007,26(3)：345-347.

[3] 高壽峰，李 亞，楊 欣.基于Kriging方法的三維地質(zhì)體構(gòu)建[A].第十四屆華東六省一市測繪學會學術(shù)交流會[C].2012:170-173.

[4] 張振遠，李曉軍.某隧道地層模型的ArcGIS實現(xiàn)[J].中國水運，2013,13(3)：115-116.

[5] 程朋根，文 紅.三維空間數(shù)據(jù)建模及算法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

3D strata modeling based on ArcGIS

Liu Lingui Liu Gaoyang

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Based on the 3D strata modeling method of multi-layer DEM, the general workflow of building the 3D visualized strata model with borehole data generating TIN model of different stratum surface in ArcGIS is summarized. The modeling instance shows that this method is a simple and effective way to obtain the 3D strata visualized model, and could offer reference for similar engineering.

ArcGIS， geostatistical analyst， 3D strata model

2015-02-09

劉林貴(1988- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)12-0055-02

P642

A