基于ArcGIS空間插值分析的三維地質可視化

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059）

三維可視化是借助計算機算法和圖形顯示技術將數據呈現出接近于實物的三維形態，想要實現地質體的三維可視化可通過設計算法編制程序調用3D圖形庫（如基于OpenGl、IDL等）[1，2]或基于Arc GIS等第三方軟件平臺，借助于地理信息系統的特性和相應的軟件平臺構建三維地質體[3]。三維GIS與二維GIS的一個重要的不同之處在于它擁有一個三維對象的視覺表現問題，傳統的二維形式的平面圖或者剖面圖難以直觀的展現復雜的地質體結構，亦很難再現地質體的三維空間交錯關系。

1 基于ArcGIS三維地質可視化方法

選用了基于真實數據的地表地形建模和基于面的地質實體建模方法，在地表建模中，直接使用真實數據依靠不規則三角網（TIN）構建DEM數據，在地質實體建模中，基于整理各鉆孔點的各高程值，以此高程值插值。插值后，將插值柵格轉為點數據，再依靠不規則三角網（TIN）構建DEM數據。最后采用三棱柱體元填充各地層TIN表面間的內部空間，添加三維圖形效果，調整圖層的顯示級別，對圖層進行渲染顯示。

2 數據準備與預處理

本文三維地質可視化模型數據包括DEM柵格數據、遙感影像圖像、鉆孔點（包括虛擬鉆孔）及各地層高程值。DEM數據可為地面影像提供各地面位置的高程值，并輔以三維圖像圖形顯示技術使得遙感影像呈現出逼近真實形態的凹凸起伏的地面形態。遙感影像在獲取過程后需要圖像的幾何精校正。主要分兩個步驟：第一，把所獲取的遙感影像的坐標轉換成DEM數據的坐標；第二，選取一定的地面控制點坐標進行地理配準。原始鉆孔數據和剖面圖是由地質、淺震和工程地質等勘測方法獲取的，可提取出鉆孔點和各地層高程值，以及地層巖性等資料。

3 空間插值

3.1 空間插值研究

空間插值的理論假設是空間位置距離決定點值的相似性，隨著距離增大，其估計值相似的可能性越小。在插值中越多、分布越均勻、高程值變化越平緩則擬合精度越高[4]。目前反距離權重法、克里金法是對于生成復雜地形DEM常用的插值方法[5，6]。但是對于眾多的空間插值方法，沒有絕對最優的空間插值方法，且不同插值方法的擬合精度存在較大差異,應該根據數據的特點選擇合理的空間插值方法。

3.2 插值精度評價

為進一步提高三維可視化效果，以目標區域的鉆孔高程數據作為樣本點，基于普通克里金法、泛克里金法、反距離權重法、張力樣條函數法，分別對不同地層的高程數據進行空間插值。

表1 地層RMSE、MRE平均值

本文所選取的驗證方法為反映數據離散度的標準誤差（RMSE）和反映誤差趨勢性的平均相對誤差（MRE）對不同插值方法的插值結果進行分析與評價。

將擬合值與實際值分別代入交叉驗證公式中，并求出平均值，所得數據（表1）。

雖然在同一地層某次抽取中驗證分析的數值所指向的四種插值方法中，最優插值并非完全一致，但是在同一個地層中驗證分析多次抽取的平均值，其指向的插值方法最優插值函數是一致的。由表分析結果可知，在第一層、第三層、第四層采用反距離權重法（IDW）精度最高、誤差最小、擬合效果最好；第二層采用普通克里金法（OK）精度最高、誤差最小、擬合效果最好。

4 三維地質可視化

本項研究在地形地貌研究基礎上，基于平面地形圖，選取三維地質模型的邊界，在Arcscene中實現地形三維顯示，將真實地表地形數據生成DEM數據加載進Arcscene中，右鍵點擊圖層屬性-從表面獲取高程改為從在定義表面上浮動，完成地表高精度的三維矢量化模型構建。完成相應地層空間插值之后，在ArcMap中：利用柵格轉點得到各地層擬合值數據，接著利用3D Analyst-數據管理-TIN-創建TIN工具創建地層TIN；然后利用3D Analyst-轉換-由TIN轉出-TIN范圍工具得出其該TIN面shp文件；最后利用3D Analyst-表面三角化-在TIN之間拉伸工具創建多面體文件，由此得到地層實體，依次生成各地層實體。基于Arcscene模塊為了方便顯示，添加三維效果工具，并調整圖層顯示級別，對圖層進行渲染顯示得到完整三維地質模型（圖1）。

圖1 完整三維地質模型

利用3D Analyst工具—表面三角化—在兩個TIN間拉伸命令，依次輸入相鄰兩個層面TIN，并輸出結果。為規范顯示，分析處理后的顏色按照相應的三維地質模型設置，便可生成三維地質剖面（圖2）。

圖2 三維地質剖面模型

5 結論

（1）本文研究在地形地貌研究基礎上，基于平面地形圖，選取三維地質模型的邊界，在Arcscene中實現地形三維顯示，完成地表高精度的三維矢量化模型構建。地下地質體三維矢量化地質模型，基于構建的智能地質模型與鉆孔揭露的實際地質體地質信息進行比較，分析對比普通克里金法、泛克里金法、反距離權重法、張力樣條函數法對各地層的插值精度，第一、三、四層采用反距離權重法為最優插值，第二層采用普通克里金法為最優插值。

（2）通過整理地質數據，總結地層垂直上下的空間關系，根據不同的地質條件選擇能夠實現特定功能的空間數據結構，對三維數據模型進行分類，歸納出基于面元的三維數據模型能夠滿足研究需求。通過地層劃分、建立地層TIN、地層相交處理，建立三維地質模型、三維地質剖面模型。