三維地理信息系統在巖層產狀測量的應用

韋國舒

（賓陽縣自然資源勘測設計院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

在地質勘探和地質災害防治等領域中，巖層產狀是一個非常重要的內容。通過巖層產狀測量，可以獲得巖層的結構和變形等信息，對于勘探和防治工作具有重要的指導意義。目前，隨著科技的不斷進步和高精度測量技術的普及，三維地理信息系統被應用于巖層產狀測量中，取得了令人矚目的成果。本文旨在探討三維地理信息系統在巖層產狀測量中的應用，通過對其理論基礎、現狀和應用案例的分析，揭示其優勢、局限性和未來發展方向。有望為巖層產狀測量的理論和技術水平提供新思路或借鑒，為地質勘探和地質災害防治等領域的研究和實踐提供支持或指導。

1 三維地理信息系統基礎

1.1 三維地理信息系統的概念和特點

三維地理信息系統是指將空間數據、屬性數據和分類數據有機結合，以三維模型為基礎，實現對地球表面及其內部信息的收集、管理、分析和展示的系統。與傳統的二維地理信息系統相比，三維地理信息系統具有精度高、直觀性強、數據量大等特點。同時，三維地理信息系統還具有良好的可擴展性和普適性，為不同行業和應用領域提供了強有力的技術支持。近年來，眾多研究者將三維地理信息系統應用于地質勘探、城市規劃、資源管理等領域，取得了顯著的應用效果[1-2]。

1.2 三維地理信息系統的技術框架

三維地理信息系統的技術框架主要包括視覺化技術、空間數據采集、空間數據處理、空間數據管理和空間數據分析等部分。視覺化技術主要是將空間數據以三維模型的形式進行可視化呈現，并且需要實現基礎圖形、光照、陰影、透視、著色和透明等效果，以保證數據的可視化效果。空間數據采集部分涉及諸如GPS、激光雷達和攝影測量等技術，用于獲取三維空間數據信息。空間數據處理主要是將采集獲得的空間數據進行加工處理，包括點云處理、三角網格生成和模型擬合等。空間數據管理則是通過數據庫技術對空間數據進行組織、分類、查詢和更新等操作，以支持數據共享和數據交互等需求。空間數據分析的主要目的是為了從空間數據中提取有用的信息和知識，以支持科學決策和應用研究。隨著機器學習和深度學習等技術的發展，基于這些技術的空間數據分析在三維地理信息系統中也將得到廣泛應用。總之，三維地理信息系統的技術框架涉及的技術手段較多，需要綜合考慮應用需求和用戶使用習慣，以更好地發揮其效能和價值。

1.3 三維可視化技術的理論基礎

三維可視化技術是三維地理信息系統中的一個重要方面，主要用于將空間數據以三維模型的形式進行可視化呈現。其理論基礎主要包括計算機圖形學、視覺感知和數據可視化等方面。計算機圖形學是三維可視化技術的基礎，包括基礎圖形繪制技術、幾何變換技術和光照模型等。視覺感知則是影響三維可視化技術實現的一個重要因素。在三維場景中，人們通過視角、觀察距離、透視等視覺感知方式感知場景，因此在三維可視化技術中需要考慮這些影響因素。而數據可視化則是將大量的數據進行可視化展示的一個重要技術，主要目的是為了通過圖形圖表等方式提高用戶對數據的理解和分析能力，從而更好地支持科學決策和應用研究。綜上所述，三維可視化技術的理論基礎比較復雜，需要綜合計算機圖形學、視覺感知、數據可視化等多個方面的基礎知識，才能更好地實現空間數據的可視化呈現。

2 巖層產狀測量現狀

2.1 巖層產狀測量的意義和方法

巖層產狀測量是指通過一定的測量手段和方法，對巖層結構、傾向、傾角、強度、節理、裂隙等產狀特征進行研究和描述的過程。巖層產狀測量是巖土工程領域中極為重要的一項工作，對于巖石工程設計、開采和施工具有重要的意義。巖層產狀的測量可以幫助工程師了解巖層的性質和力學行為，提供有價值的信息并指導實際工程的設計和施工。巖層產狀測量的方法根據工程目的及巖層條件的不同，可分為現場測量方法和實驗室測量方法兩種。現場測量方法主要采用傳統的實地測量和靜力觀測技術、程序化、高清晰度攝影技術、激光掃描技術和地面雷達等技術，可以快速準確地獲取巖層的產狀特征。實驗室測量方法主要采用標準化試驗和模型實驗等方法，可以對大尺度復雜的構造進行較為全面的調查和分析。總之，巖層產狀的測量具有重要的實際意義，不僅是巖土工程領域中必要的一項技術，也是保障工程安全和減輕對環境的不良影響的重要措施。

2.2 巖層產狀測量中存在的問題和挑戰

巖層產狀測量是指測量巖石中的產狀和構造要素，這是地質學研究中的一個重要領域。在地質勘探、煤炭開采、大壩建設、隧道掘進等實際工程中，進行巖層產狀測量是必不可少的。盡管巖層產狀測量技術發展迅速，但仍然存在不少困難和挑戰。首先，巖層產狀測量需要進行現場測量，受現場環境所限存在一定難度。在山區、沙漠等復雜地形區域，地形環境不僅較為復雜，而且往往無法進行水準測量，因此定點測量較為困難。此外，測量過程中還受到時間、天氣、環境等因素的影響，這些因素都會影響到測量的準確度和精度。其次，巖層產狀測量所需的設備和儀器技術比較高端，價格昂貴，而巖層產狀測量還需要綜合運用多種設備和方法，例如，經常會使用立體測量儀、GPS 定位設備和無人機等現代測量技術進行測量，這些設備的使用需要專業技術人員進行操作，技術含量高，測量難度大。再次，巖層產狀測量還存在著數據處理、數字建模等方面的問題。一方面，由于巖層的物理特性具有空間異質性，因此測量數據具有不確定性和誤差，需要采取質量控制措施，確保數據的可靠性和精度。另一方面，由于數據量龐大，測量工作后需要進行數據處理和數字建模，此時需要運用GIS、CAD、建模軟件等技術，需要較強的計算機技術和數據分析能力。最后，對于巖層產狀測量工作的相關人員，需要具備較強的實際操作能力和實踐經驗。他們還需要對相關的地質學專業知識和現代測量儀器技術進行掌握，并能夠靈活應用。此外，還需要進行不斷的學習和知識更新，以適應新技術、新領域的發展變化[3]。

3 三維地理信息系統在巖層產狀測量中的應用內容

3.1 巖層產狀測量的數據處理

巖層產狀測量是巖石工程中重要的一項工作，其中數據處理是關鍵環節。傳統的數據處理方法主要基于二維手繪圖方法，效率低、準確性差，并不能滿足現代工程的需要。而三維地理信息系統（GIS）則是目前處理和管理空間數據的最佳技術手段之一，取得了廣泛的應用。在巖層產狀測量中，三維GIS 技術可以通過數據輸入、處理、分析、可視化等重要環節，實現巖層產狀數據的快速、準確、高效處理。以下將對三維GIS 在巖層產狀測量數據處理中的應用進行詳細敘述。巖層產狀測量數據的輸入包括測量數據和地理坐標數據兩個方面。測量數據包括巖層傾向、傾角、節理、裂隙等參數，而地理坐標數據則包括地圖和地形等數據。三維GIS 技術可以通過數據投影、格式轉換等方法將這些數據整合到GIS 中。數據處理和分析是三維GIS 技術在巖層產狀測量中的重要應用。在數據處理方面，通過三維可視化技術，將二維平面數據轉化為三維數據，并進行三維建模。在數據分析方面，可以通過地理空間數據挖掘和地圖測量等方法，對數據進行深入分析，提取關鍵參數，形成產狀分析報告。三維GIS 技術的可視化功能是巖層產狀測量中應用最為廣泛的環節。通過三維可視化技術，可以將巖層產狀數據準確地呈現在三維虛擬空間中，實現數據可視化。此外，三維可視化技術還能夠進行立體交互和模擬，使得用戶能夠直觀而快速地掌握巖層的產狀信息，明確工程地質問題和風險點。

三維GIS 技術在巖層產狀測量數據處理領域中有著廣泛的應用前景，通過提高數據處理和分析效率，降低數據處理成本、比較巖層的穩定性、可行性等，三維GIS 技術發揮了重要的作用，并將促進巖層工程領域的快速發展。

3.2 三維建模與可視化

三維建模與可視化是三維GIS 技術在巖層產狀測量中的重要環節，能夠將二維的產狀數據轉化為完整的三維建模模型，通過三維可視化技術將其呈現在虛擬的三維空間中，以便用戶直觀而準確地掌握巖層的產狀信息。三維建模是將二維巖層產狀數據轉化為立體三維實體模型的過程。其主要涉及數據采集、處理和建模等環節，其中最核心的是立體建模技術。三維建模技術有多種，包括三角剖分法、立體掃描技術、三維可視化技術和多次重采樣法等。通過這些技術，可以將二維數據轉換為準確、完整而立體的三維模型。三維可視化技術是將三維模型實現展示的重要手段，其包括場景渲染、模型展示和動態交互等多方面內容。在巖層產狀測量中，三維可視化技術可以通過不同的渲染方法，包括貼圖技術、光線跟蹤技術和陰影渲染技術等，把三維模型表現得更加真實，通過動態交互，提高用戶的訪問、查詢和操作的效率，使得用戶能夠更好地了解和分析巖層產狀的信息。三維建模與可視化技術的應用，可使巖層產狀測量變得更加準確、高效而優雅，不僅能為巖層工程的設計、建設和施工提供重要的動態信息，并且極大地提升工程的競爭力和應用價值。

3.3 巖層產狀的定量分析和模擬

巖層產狀的定量分析和模擬是三維GIS 技術在巖層產狀測量中的重要應用方向。采用三維GIS 技術進行巖層產狀分析，能夠實現巖石結構特性的各項參數的分析和計算。這些特性包括，在裂隙中的相對位置、裂隙類型和裂隙長度、相互聯系的裂隙系數、穩定性、預測等。通過巖層產狀的定量分析，可以進行巖石工程特性的表征，如判斷穩定性，代碼規范定量化分析、評估巖體的支持為巖石支撐、巖石工程爆炸及山地溝通等。這個分析過程采用的軟件包括MATLAB，FORTRAN等，同時采用三維GIS 模型數據，更利于巖層產狀的可視化和分析，優化解決挑戰工程中的問題。巖層產狀的模擬是巖層產狀分析中最為關鍵的環節之一。基于巖層產狀的精確數據，在三維GIS 軟件中進行巖層產狀的模擬，可以使用有限元法、物理性質模擬等方法，同時集成巖石物理參數，通過數據輸入、計算、分析和顯示的一系列過程，對所需要的模擬數據進行預測、優化、計算和分析，進而確定特定的工程參數，解決巖石工程中的實際問題[4]。

3.4 巖層產狀測量中應用

隨著科技進步和工程技術的不斷提高，三維測量技術已經成為實際工程中廣泛應用的一種測量技術。在巖層產狀測量中，三維測量技術可以發揮重要作用。首先，三維測量技術可以更加準確地對巖層產狀進行測量和記錄。傳統的二維測量方法往往只能提供巖層產狀的局部信息，而難以反映整個巖石體的產狀特征和空間結構。而三維測量技術可以實現對整個巖石體的產狀信息進行獲取和記錄，使得分析和評估更加全面、準確。其次，三維測量技術可以提高對巖石體形態和結構的理解與模擬。通過利用三維測量技術獲取的數據，可以建立高度精確的巖石體模型，以觀察不同類型的裂隙、節理和缺陷，并進行三維仿真分析。這對于巖石體形態和結構的深入理解和全面研究具有重要意義。最后，三維測量技術可以提高巖體穩定性分析的精度。通過三維測量技術采集的三維空間數據和信息，可以快速、準確地計算巖石體的各項參數和力學性質，以支持巖體穩定性分析和評估[5]。這可以為工程師提供重要的參考，以便制定更加完整、安全的工程設計方案。

4 結語

在巖層產狀測量領域，三維GIS 技術不斷創新，不斷提升著巖石工程的設計、建設和施工效率。其在巖層產狀的數據采集、處理、建模、可視化和定量分析等方面的應用和優化，為巖石工程提供了更為完整、準確、高效和優雅的解決方案。三維GIS 技術的應用有效地縮短了工期、降低了成本、強化了掌握巖石工程安全風險的能力，為各工程的規范化管理和可持續發展帶來了新的機遇和挑戰。