現(xiàn)有三維地質(zhì)建模方法的操作過程十分煩瑣、復(fù)雜。為降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，并提高建模的直觀性和模型結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出一種基于GIS 協(xié)同AutoCAD 和Google SketchUp 的三維地質(zhì)建模方法。在介紹了GIS 結(jié)合AutoCAD 和Google SketchUp 構(gòu)建三維地層模型的基本原理和工作流程之后，闡述了地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和三維地質(zhì)場景的構(gòu)建過程，并重點(diǎn)闡述了地層表面的繪制、地層三維體模型的構(gòu)建和可視化關(guān)技術(shù)。最后利用C#語言基于SceneControl 組件開發(fā)了三維地層模型可視化系統(tǒng)，并對構(gòu)建的地層模型進(jìn)行了展示。系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該建模方法具有簡單易學(xué)、可操作性強(qiáng)和流程化的特點(diǎn)，是一種非常實(shí)用的三維地質(zhì)建模方法。

1、引言

　　近年來，三維地質(zhì)建模成為了地質(zhì)、采礦、GIS、測繪和巖土工程等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。所謂三維地質(zhì)建模，就是運(yùn)用現(xiàn)代空間信息理論來研究地層及其環(huán)境的信息處理、數(shù)據(jù)組織、空間建模與數(shù)字表達(dá)，并運(yùn)用科學(xué)可視化技術(shù)來對其進(jìn)行真三維再現(xiàn)和可視化交互的科學(xué)與技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的二維表格和剖面圖表達(dá)地質(zhì)數(shù)據(jù)，三維地質(zhì)模型能夠更加直觀地展示地下巖層的形態(tài)和空間分布，可廣泛用于礦山生產(chǎn)、地質(zhì)研究、工程應(yīng)用、科普宣傳及教育等領(lǐng)域，因此非常有必要對其進(jìn)行深入研究。在采礦、地質(zhì)和巖土工程等領(lǐng)域，技術(shù)人員普遍采用SurPac、DataMine、GOCAD、C-Tech、MicroLynx等商業(yè)化系統(tǒng)進(jìn)行建模工作。由于這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、建模和可視化操作過程都比較煩瑣和復(fù)雜，用戶需要經(jīng)過長期的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握。為解決這一問題，許多研究者基于GIS 系統(tǒng)、OpenGL、IDL 和Java3D 等平臺自行開發(fā)建模系統(tǒng)，但這種方式需要編寫大量程序代碼，開發(fā)周期較長，實(shí)現(xiàn)難度大。

　　實(shí)際上，三維地質(zhì)建模的全過程，包括地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、分析、建模及可視化等工作都可以基于現(xiàn)有GIS 系統(tǒng)、三維制圖軟件和建模軟件，如ArcGIS、AutoCAD 和Google SketchUp ( 以下簡稱SketchUp)來完成。目前，這3 種軟件已廣泛應(yīng)用于地理信息、工程制圖和三維建模等領(lǐng)域，擁有龐大的用戶群。其中，ArcGIS 在二維數(shù)據(jù)處理和分析功能的基礎(chǔ)上，其擴(kuò)展分析模塊提供強(qiáng)大的三維數(shù)據(jù)處理、可視化和空間分析功能，可以應(yīng)用其管理地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)。而AutoCAD 具有繪圖速度快、精度高、便于修改的優(yōu)點(diǎn)，其提供的DWG 和DXF 格式文件可作為ArcGIS 和SketchUp 共用的圖形數(shù)據(jù)儲存文件，從而架起了二者聯(lián)系的橋梁。SketchUp 是一個(gè)直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的三維建模軟件，相對于其他專業(yè)、復(fù)雜的建模軟件，其突出的特點(diǎn)是能夠自動識別線條，并捕捉到其端點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)畫線成面。此外，它還擁有大量用于輔助建模的插件，能夠彌補(bǔ)ArcGIS 系統(tǒng)手繪能力的不足。

　　綜上所述，運(yùn)用ArcGIS 系統(tǒng)、AutoCAD 和SketchUp 軟件各自的優(yōu)勢功能，能夠利用GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能的同時(shí)，發(fā)揮三維制圖和建模軟件的手繪和編輯能力，建模工作的穩(wěn)定性和可靠性都有保證。此外，行業(yè)內(nèi)用戶對這3 種軟件已非常熟悉，也有利于三維地質(zhì)建模技術(shù)的推廣、普及和大眾化。因此，本文將探討如何利用ArcGIS系統(tǒng)協(xié)同AutoCAD 和SketchUp 進(jìn)行三維地質(zhì)建模，并對具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2、建模原理及工作流程

　　2.1、建模原理

　　地質(zhì)體的形態(tài)可分為層狀地質(zhì)體和非層狀地質(zhì)體兩大類，對于層狀地質(zhì)體形態(tài)的幾何表示，可以看作是由地層面、斷層面和邊界面等結(jié)構(gòu)面封閉成的不規(guī)則體。

　　目前，地質(zhì)建模方法主要分為表面建模法和實(shí)體建模法兩大類。其中，多層DEM 表面建模法和三柱體元實(shí)體建模法最為常用。前者通過構(gòu)建地層TIN 表面，并連接這些地層TIN表面的邊界生成地層體的三維模型。后者利用三棱柱單元實(shí)體填充巖層的內(nèi)部來構(gòu)造地層的三維實(shí)體模型。

　　在實(shí)際建模過程中，采用的建模方法與勘測數(shù)據(jù)的空間分布形態(tài)相關(guān)，如淺震、高密度電法獲取的勘測數(shù)據(jù)通常呈線狀排列。本文采用連續(xù)剖面輪廓線表面建模法構(gòu)建三維地質(zhì)模型，其主要原理是: 先依據(jù)鉆孔空間數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建各地層的一系列剖面線。然后，網(wǎng)格化同一地層的相鄰剖面線產(chǎn)生地層表面，連接地層的邊界線形成邊界面。最后，對不同地層賦予相應(yīng)的顏色材質(zhì)，從而構(gòu)建出三維地層模型，其主要原理如圖1 所示。

　　要實(shí)現(xiàn)ArcGIS 系統(tǒng)協(xié)同AutoCAD 和SkechUp進(jìn)行建模工作，必須深入了解和掌握3 種軟件各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢及其結(jié)合點(diǎn)，即ArcGIS 系統(tǒng)的可視化查詢和空間分析、AutoCAD 的精確制圖、SketchUp的畫線成面，將它們綜合起來用于建模的數(shù)據(jù)處理、圖形編輯和可視化流程的各個(gè)階段，才能達(dá)到準(zhǔn)確、高效建模的目的。

　　2.2、工作流程

　　主要工作流程包括:

　　(1) 利用ArcGIS 系統(tǒng)的VBA 編寫鉆孔提取程序，通過程序讀取鉆孔數(shù)表中的記錄信息，將其轉(zhuǎn)換成三維鉆孔矢量線;

　　(2) 將生成的三維鉆孔矢量線導(dǎo)入AutoCAD 中進(jìn)行編輯生成剖面線;

圖1 地層剖面輪廓線三維地質(zhì)建模示意圖

a. 地層剖面輪廓線; b. 地層剖面輪廓線三角網(wǎng);c. 賦予顏色材質(zhì)的三維地層模型

　　(3) 利用SketchUp 的BZ 曲線插件、Extrude 放樣插件和模型求交功能快速生成各地層的分界面和邊界面，從而構(gòu)建出三維地層體模型;

　　(4) 將構(gòu)建的模型結(jié)果輸出到ArcScene 中進(jìn)行可視化，同時(shí)對模型結(jié)果進(jìn)行檢查和修正。

4、與其他建模方法的比較

　　三維地質(zhì)建模一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)和開發(fā)出很多建模方法，實(shí)現(xiàn)的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)軟件也多種多樣，本文提出的基于GIS 協(xié)同AutoCAD 和SketchUp 的三維地質(zhì)建模方法具有以下優(yōu)勢:

　　(1) 利用GIS 管理、處理和分析地質(zhì)數(shù)據(jù)，符合多數(shù)行業(yè)用戶的工作和思維習(xí)慣，可以顯著降低建模數(shù)據(jù)前處理和分析的勞動強(qiáng)度。

　　(2) 使用AutoCAD 精確的三維圖形編輯功能，可以快速勾繪建模所需要的各種空間矢量線，修改容易，且文件轉(zhuǎn)換方便。

　　(3) 利用SketchUp 的快速手繪功能，并借助于其豐富的插件功能，可快速生成各巖層表面，操作簡單方便，還能夠?qū)��?gòu)建的地質(zhì)模型導(dǎo)出到ArcGIS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同工作。

　　(4) 綜合運(yùn)用ArcGIS 系統(tǒng)、AutoCAD 制圖軟件和SketchUp 三維建模軟件，實(shí)現(xiàn)三者的協(xié)同工作，有利于實(shí)現(xiàn)模型的修正和檢查，從而顯著提高建模的準(zhǔn)確性和可靠性。

5、結(jié)論

　　本文所述的建模方法對簡單地質(zhì)條件( 不包括斷層) 的層狀地質(zhì)體進(jìn)行了三維建模，其主要目的是利用現(xiàn)有軟件平臺，探索出一條快速、準(zhǔn)確的三維地質(zhì)建模方法，以促進(jìn)三維建模方法及其成果在地學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐、工程應(yīng)用和科普宣傳等領(lǐng)域的深入推廣、應(yīng)用，通過系列實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:

　　(1) 由于地下空間勘測手段的不同和數(shù)據(jù)來源的多樣化，導(dǎo)致多數(shù)情況下建模所用數(shù)據(jù)十分零散和破碎，GIS 系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和空間查詢功能非常適合勘察數(shù)據(jù)的前處理、集中管理和分析，這對提高建模速度和準(zhǔn)確性都是非常必要的。

　　(2) 由于客觀世界的地質(zhì)現(xiàn)象變化萬千，實(shí)現(xiàn)完全自動化建模尚存在諸多困難。實(shí)際建模工作既需自動處理，又需要手工繪制，還需要對構(gòu)建的模型進(jìn)行修正，才能使模型接近真實(shí)情況。由于單一軟件系統(tǒng)大都是針對某一領(lǐng)域開發(fā)的，很難滿足這種多重需求，因此，需協(xié)同多種軟件，發(fā)揮不同軟件的優(yōu)勢，才能提高建模的準(zhǔn)確性和可靠性。