三維地學(xué)建模與可視化-概述

1、,,,鄒艷紅E-mail:z-yhongstu@163.com,三維地學(xué)建模與可視化,主要內(nèi)容,三維地學(xué)建模概述三維空間數(shù)據(jù)獲取方法面向地學(xué)的三維空間模型與算法數(shù)字地形建模與地物建模三維地質(zhì)顯式建模與隱式建模,參考書,1. 史文中，吳立新，李清泉，王彥兵，楊必勝. 三維空間信息系統(tǒng)模型與算法. 電子工業(yè)出版社，2007 其它根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目撰寫的有關(guān)地學(xué)三維建模書籍：2. 焦養(yǎng)泉，朱培民，雷新榮，楊生科等. 地學(xué)空間信

2、息三維建模與可視化-鄂爾多斯盆地及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐. 科學(xué)出版社，2006 3. 毛先成，鄒艷紅，陳進(jìn)，賴建清，彭省臨.隱伏礦體三維可視化預(yù)測.中南大學(xué)出版社，2011 … … … … …,主要期刊雜志,測繪學(xué)報(bào) 測繪通報(bào)地理學(xué)報(bào)地理信息科學(xué)Computer & GeoscienceInternational Journal of Geographical Information System

3、Geomatics … … … … …,考核方式,選一篇相關(guān)的英文文章翻譯，英文不少于10頁；提交地學(xué)信息三維建模與可視化實(shí)例或進(jìn)展報(bào)告，參考文獻(xiàn)不少于20篇。,1 概述,地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知模型地學(xué)三維空間信息系統(tǒng)3DGIS與3DGMS三維地學(xué)建模地學(xué)三維可視化,1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知,地學(xué) Geoscience 可理解為geography、geology、geophysics、geodesy、geo

4、-engineering等涉地學(xué)科（前綴為geo-）的統(tǒng)稱。,1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知,1）地理系統(tǒng)與GIS的研究范圍 地理系統(tǒng)主要涉及地球表層空間，按層次分為巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈和電離層，它們在空間上有交叉。 傳統(tǒng)的GIS涉及范圍主要在巖石圈和大氣圈之間，即地球表面。,1）地理系統(tǒng)與GIS的研究范圍 GIS不僅僅是一個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而是與計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)密切相關(guān)的一門科學(xué)。

5、 -Goodchild，1992年 GIS是地理信息學(xué)方法的一種實(shí)現(xiàn)手段，它作為集計(jì)算機(jī)科學(xué)、測繪遙感學(xué)、地圖制圖學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的邊緣學(xué)科，是以解決資源與環(huán)境等全球性問題而迅速發(fā)展起來的科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，是對(duì)整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存貯、管理、分析和描述的空間信

6、息系統(tǒng)。 -李德仁，1994,1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知,1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知,2）GIS研究范圍的拓展與地學(xué)系統(tǒng)隨著GIS在氣象等涉及全球變化以及地下工程（地質(zhì)、礦山）領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，GIS 向上已滲透到大氣層及地球的外層空間，向下進(jìn)入地球內(nèi)部巖石圈以內(nèi)。 從學(xué)科融合與交叉的角度，一些學(xué)者把涉及地球內(nèi)部、表面及外部的系統(tǒng)通稱為地學(xué)系統(tǒng)。,,,地下,,地下

7、商場,,地鐵,,地下停車場,,,地表,,,地上,人防工程,地下管線,空氣質(zhì)量,天氣,地下構(gòu)造與自然資源,GIS研究范圍的拓展與地學(xué)系統(tǒng),1.1地學(xué)系統(tǒng)與地學(xué)認(rèn)知,3）地學(xué)認(rèn)知與認(rèn)知模型 地學(xué)認(rèn)知是指人類如何認(rèn)識(shí)自己賴以生存的地學(xué)環(huán)境，包括位置、分布、關(guān)系、變化和規(guī)律等。 根據(jù)GIS數(shù)據(jù)處理與組織方式，目前，地學(xué)認(rèn)知模型大體分為三類： （1）基于對(duì)象的地學(xué)認(rèn)知模型 （2）基于網(wǎng)絡(luò)的地

8、學(xué)認(rèn)知模型 （3）基于域的地學(xué)認(rèn)知模型,（1）基于對(duì)象的地學(xué)認(rèn)知模型 （2）基于網(wǎng)絡(luò)的地學(xué)認(rèn)知模型 （3）基于域的地學(xué)認(rèn)知模型 表達(dá)：矢量數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型 混合數(shù)據(jù)模型,地學(xué)認(rèn)知與GIS表達(dá),1.2 地學(xué)三維空間信息系統(tǒng),從描述對(duì)象的數(shù)據(jù)角度空間信息系統(tǒng)發(fā)展過程 可分為：1）以二維數(shù)據(jù)描述地理對(duì)象：數(shù)據(jù)庫管理與機(jī)助制圖，具有平面制圖和平面分析功能。2）2.5維的空間分析與可視化應(yīng)用：DEM的

9、應(yīng)用3）準(zhǔn)三維（2.75維）和真三維空間分析與可視化： GIS是空間信息系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要組成，空間信息系統(tǒng)是GIS 發(fā)展的延拓，其研究對(duì)象由地形、地表擴(kuò)展到地下空間及地形、地表與地下集成空間,1.2 地學(xué)三維空間信息系統(tǒng),地學(xué)三維空間信息系統(tǒng)研究三維空間信息采集、描述、組織、表達(dá)、建模、分析與可視化過程。目前形成了兩大并行發(fā)展的支流：1）3DGIS：以地球表面及其上自然地理實(shí)體、人工構(gòu)建實(shí)體為研究對(duì)象的三維地理信息系統(tǒng)

10、2）3DGMS：3D geoscience modeling system，是以地球表面及其下自然地質(zhì)實(shí)體、人工開掘?qū)嶓w為研究對(duì)象的三維地學(xué)模擬系統(tǒng),3DGIS：將三維空間坐標(biāo)（x,y,z)作為獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行空間實(shí)體對(duì)象的幾何建模，其數(shù)學(xué)表示為: F=f(x,y,z)，所建立的模型不僅可以實(shí)現(xiàn)真三維可視化，而且可以進(jìn)行三維空間分析。 由于缺少三維數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持，現(xiàn)有的商用GIS系統(tǒng)難以執(zhí)行三維空間操作與分析，三維空間

11、信息的有效表達(dá)與可視化處理受到嚴(yán)重制約，目前還沒有真正的“3DGIS”系統(tǒng)。研究議題包括：三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型、三維空間數(shù)據(jù)庫、三維空間查詢與三維可視化。,3DGMS是隨著科學(xué)可視化技術(shù)和地質(zhì)信息計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)而發(fā)展起來的。針對(duì)傳統(tǒng)的地質(zhì)信息模擬和表達(dá)方法（平面圖、剖面圖、透視圖）的不足與缺陷，直接從三維空間的角度去理解和表達(dá)地質(zhì)體和地質(zhì)環(huán)境。將三維空間坐標(biāo)（x,y,z)作為參數(shù)進(jìn)行空間實(shí)體對(duì)象的幾何建模。 3DGM

12、S多以三維空間構(gòu)模和地學(xué)可視化為主，拓?fù)淇臻g關(guān)系考慮較少。但由于3DGMS以體元構(gòu)模為主，離散化為柵格模型表達(dá)屬性應(yīng)用較多。因此，國外、國內(nèi)都相繼推出了一批在礦山、巖土與地質(zhì)領(lǐng)域廣為應(yīng)用的3DGMS軟件,1.3 三維空間構(gòu)模現(xiàn)狀,空間維數(shù)分析: 2DGIS 2.5DGIS 準(zhǔn)(quasi)3DGIS：2.75DGIS 、假3DGIS 準(zhǔn)3DGIS、準(zhǔn)3DGMS 只描述空

13、間實(shí)體的外部輪廓，不表達(dá)其內(nèi)部目標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系及屬性。 真3DGIS（有爭議）、真3DGMS 以體元的方式在描述三維空間實(shí)體外部輪廓的同時(shí)，表達(dá)其內(nèi)部屬性。,地形二維可視化表達(dá),同一地區(qū)不同條件下地貌暈渲圖,地貌暈渲加等高線明暗圖,地面DTM,基于地物疊加的DEM可視化,基于遙感、航空影像的地形三維景觀（航空）正射影像+DEM,基于地物疊加的DEM可視化,三維地面景觀模型,三維線框建模,1.3 三維空

14、間構(gòu)?，F(xiàn)狀,三維空間構(gòu)模方法分類: （1）基于幾何描述的分類 針對(duì)地學(xué)空間目標(biāo)幾何特征的描述分為面元模型和體元模型。 （2）基于拓?fù)涿枋龅姆诸?Zlatanova將三維拓?fù)淇臻g模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩組：維護(hù)對(duì)象、維護(hù)關(guān)系。拓?fù)淠Ｐ陀啥S向三維發(fā)展困難。三維拓?fù)淠Ｐ屯槍?duì)具體領(lǐng)域。 （3）基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分類 矢量構(gòu)模、柵格構(gòu)模、矢柵混合構(gòu)?；?/p>

15、集成構(gòu)模,相關(guān)的主要著作,S W Houlding. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization. Berlin: Springer-Verlag, 1994. J.-L. Mallet, Geomodeling. New York: Oxford University Press. 2002.Jiyeong Lee, Siy

16、ka Zlatanova. 3D Geo-information Science. Springer, 2008Thomas H. Kolbe, Gerhard König, Claus Nagel. Advances in 3D Geo-Information Sciences. Springer, 2011,1.4 地學(xué)三維建模應(yīng)用與需求,地學(xué)信息可視化服務(wù)對(duì)三維建模的要求,多維地學(xué)數(shù)據(jù),公眾服務(wù),專業(yè)應(yīng)用分析,,,,要

17、求技術(shù)支撐： 多維地學(xué)數(shù)據(jù)的一體化組織與管理 地面三維景觀建模與可視化地下管線、各類設(shè)施建模與可視化三維地質(zhì)體建模與可視化虛擬地質(zhì)環(huán)境模擬可視化 三維屬性查詢與空間分析 。。。,可視化決策,,地上下空間對(duì)象的無縫集成,,,多源數(shù)據(jù)耦合的層狀體建模,地層結(jié)構(gòu)建模及可視化分析,,,,,,地層結(jié)構(gòu)建模及可視化分析,基于切割技術(shù)的基坑開挖,軸向剖面切割,任意角度剖面切割,垂直折剖面切割,地層結(jié)構(gòu)建

18、模及可視化分析,47,大規(guī)模復(fù)雜實(shí)體模型的多視點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)剖切技術(shù),面向過程的三維實(shí)體動(dòng)態(tài)模擬分析技術(shù),根據(jù)地下水位數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)進(jìn)行三維水位模擬，并結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的地下水位歷年變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。,三維地質(zhì)隱式建模與應(yīng)用,,帶約束條件的三維距離反比插值建模三維空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的Kriging插值建?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的多維地質(zhì)非線性插值建模提供基于面繪制與直接體繪制等可視化方法提供三維剖切、等值面提取、等值線套合等分析功能,,4

19、9,選取數(shù)據(jù),屬性體模型,,,,等值面追蹤,等值體追蹤,屬性模型剖切,三維地質(zhì)信息可視化服務(wù)平臺(tái),1、服務(wù)于城市總體規(guī)劃--功能區(qū)規(guī)劃、工程選址,上海臨港新城,基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)估與區(qū)劃根據(jù)城區(qū)活動(dòng)構(gòu)造的分布和活動(dòng)性，對(duì)城市地殼穩(wěn)定性進(jìn)行區(qū)域劃分，并對(duì)地面沉降等主要平原區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和工程地質(zhì)問題、山區(qū)滑坡與泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和工程地質(zhì)問題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，成果直接用于城市發(fā)展的總體規(guī)劃。,北京奧運(yùn)公園規(guī)劃,2、地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià),地下空間環(huán)境

20、巖土工程評(píng)價(jià)：從巖土的工程性質(zhì)、開發(fā)條件和環(huán)境影響等方面綜合評(píng)估，確定未來城市發(fā)展適宜地下空間開發(fā)的地段和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，為地下空間可利用規(guī)劃編制與修編提供必要的信息。,工程地質(zhì)模型爆炸顯示,基于工程地質(zhì)三維模型的城市地下市政綜合管溝適建性分區(qū),3、基于三維地層模型的工程建設(shè)方案優(yōu)選,在三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，利用三維技術(shù)模擬地下空間開發(fā)過程，并按隧道不同設(shè)計(jì)深度，綜合評(píng)價(jià)地層結(jié)構(gòu)變化對(duì)隧道工程的影響。,4、地面沉降監(jiān)測與防治研究,結(jié)合水文地

21、質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、地下水采灌及地下水位動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步研究地面沉降規(guī)律和機(jī)理，有針對(duì)性制定控制措施。,地鐵安全運(yùn)營,管道損毀,戰(zhàn)略應(yīng)急水源地評(píng)價(jià)：評(píng)價(jià)戰(zhàn)略應(yīng)急水源地的分布格局、水量、開采時(shí)限及優(yōu)化配置的技術(shù)方案；應(yīng)急供水條件下潛在的環(huán)境效應(yīng)，水源地周邊環(huán)境防護(hù)措施；地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄方案及區(qū)域聯(lián)網(wǎng)供水方案，提出規(guī)劃建議。,6、城市地下水資源可持續(xù)開發(fā)與保護(hù)規(guī)劃研究,在三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立地表水-地下水耦合模型，為地下水資源可持續(xù)開發(fā)