三维地学建模与可视化-概述

邹艳红E-mail:[e-mail]三维地学建模与可视化主要内容•三维地学建模概述•三维空间数据获取方法•面向地学的三维空间模型与算法•数字地形建模与地物建模•三维地质显式建模与隐式建模参考书1.史文中，吴立新，李清泉，王彦兵，杨必胜.三维空间信息系统模型与算法.电子工业出版社，2007其它根据实际项目撰写的有关地学三维建模书籍：2.焦养泉，朱培民，雷新荣，杨生科等.地学空间信息三维建模与可视化-鄂尔多斯盆地及相关领域的实践.科学出版社，20063.毛先成，邹艳红，陈进，赖建清，彭省临.隐伏矿体三维可视化预测.中南大学出版社，2011……………主要期刊杂志测绘学报测绘通报地理学报地理信息科学Computer&GeoscienceInternationalJournalofGeographicalInformationSystemGeomatics……………考核方式•选一篇相关的英文文章翻译，英文不少于10页；•提交地学信息三维建模与可视化实例或进展报告，参考文献不少于20篇。1概述地学系统与地学认知模型地学三维空间信息系统3DGIS与3DGMS三维地学建模地学三维可视化1.1地学系统与地学认知地学Geoscience可理解为geography、geology、geophysics、geodesy、geo-engineering等涉地学科（前缀为geo-）的统称。1.1地学系统与地学认知1）地理系统与GIS的研究范围地理系统主要涉及地球表层空间，按层次分为岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层，它们在空间上有交叉。传统的GIS涉及范围主要在岩石圈和大气圈之间，即地球表面。1）地理系统与GIS的研究范围GIS不仅仅是一个技术实现，而是与计算机科学、地理学、测绘学密切相关的一门科学。-Goodchild，1992年GIS是地理信息学方法的一种实现手段，它作为集计算机科学、测绘遥感学、地图制图学、地理学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的边缘学科，是以解决资源与环境等全球性问题而迅速发展起来的科学和产业，是对整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据进行采集、存贮、管理、分析和描述的空间信息系统。-李德仁，19941.1地学系统与地学认知1.1地学系统与地学认知2）GIS研究范围的拓展与地学系统随着GIS在气象等涉及全球变化以及地下工程（地质、矿山）领域的应用与发展，GIS向上已渗透到大气层及地球的外层空间，向下进入地球内部岩石圈以内。从学科融合与交叉的角度，一些学者把涉及地球内部、表面及外部的系统通称为地学系统。地下地下商场地铁地下停车场地表地上人防工程地下管线空气质量天气地下构造与自然资源GIS研究范围的拓展与地学系统1.1地学系统与地学认知3）地学认知与认知模型地学认知是指人类如何认识自己赖以生存的地学环境，包括位置、分布、关系、变化和规律等。根据GIS数据处理与组织方式，目前，地学认知模型大体分为三类：（1）基于对象的地学认知模型（2）基于网络的地学认知模型（3）基于域的地学认知模型（1）基于对象的地学认知模型（2）基于网络的地学认知模型（3）基于域的地学认知模型表达：矢量数据模型栅格数据模型混合数据模型地学认知与GIS表达1.2地学三维空间信息系统从描述对象的数据角度空间信息系统发展过程可分为：1）以二维数据描述地理对象：数据库管理与机助制图，具有平面制图和平面分析功能。2）2.5维的空间分析与可视化应用：DEM的应用3）准三维（2.75维）和真三维空间分析与可视化：GIS是空间信息系统发展的基础和重要组成，空间信息系统是GIS发展的延拓，其研究对象由地形、地表扩展到地下空间及地形、地表与地下集成空间1.2地学三维空间信息系统地学三维空间信息系统研究三维空间信息采集、描述、组织、表达、建模、分析与可视化过程。目前形成了两大并行发展的支流：1）3DGIS：以地球表面及其上自然地理实体、人工构建实体为研究对象的三维地理信息系统2）3DGMS：3Dgeosciencemodelingsystem，是以地球表面及其下自然地质实体、人工开掘实体为研究对象的三维地学模拟系统3DGIS：将三维空间坐标（x,y,z)作为独立参数进行空间实体对象的几何建模，其数学表示为:F=f(x,y,z)，所建立的模型不仅可以实现真三维可视化，而且可以进行三维空间分析。由于缺少三维数据模型与数据结构的支持，现有的商用GIS系统难以执行三维空间操作与分析，三维空间信息的有效表达与可视化处理受到严重制约，目前还没有真正的“3DGIS”系统。研究议题包括：三维空间数据模型、三维拓扑数据模型、三维空间数据库、三维空间查询与三维可视化。3DGMS是随着科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术而发展起来的。针对传统的地质信息模拟和表达方法（平面图、剖面图、透视图）的不足与缺陷，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体和地质环境。将三维空间坐标（x,y,z)作为参数进行空间实体对象的几何建模。3DGMS多以三维空间构模和地学可视化为主，拓扑空间关系考虑较少。但由于3DGMS以体元构模为主，离散化为栅格模型表达属性应用较多。因此，国外、国内都相继推出了一批在矿山、岩土与地质领域广为应用的3DGMS软件1.3三维空间构模现状空间维数分析:2DGIS2.5DGIS准(quasi)3DGIS：2.75DGIS、假3DGIS准3DGIS、准3DGMS只描述空间实体的外部轮廓，不表达其内部目标拓扑关系及属性。真3DGIS（有争议）、真3DGMS以体元的方式在描述三维空间实体外部轮廓的同时，表达其内部属性。地形二维可视化表达同一地区不同条件下地貌晕渲图地貌晕渲加等高线明暗图地面DTM基于地物叠加的DEM可视化基于遥感、航空影像的地形三维景观（航空）正射影像+DEM基于地物叠加的DEM可视化三维地面景观模型三维线框建模1.3三维空间构模现状三维空间构模方法分类:（1）基于几何描述的分类针对地学空间目标几何特征的描述分为面元模型和体元模型。（2）基于拓扑描述的分类Zlatanova将三维拓扑空间模型数据结构分为两组：维护对象、维护关系。拓扑模型由二维向三维发展困难。三维拓扑模型往往针对具体领域。（3）基于节点数据的分类矢量构模、栅格构模、矢栅混合构模或集成构模相关的主要著作•SWHoulding.3DGeoscienceModeling:ComputerTechniquesforGeologicalCharacterization.Berlin:Springer-Verlag,1994.•J.-L.Mallet,Geomodeling.NewYork:OxfordUniversityPress.2002.•JiyeongLee,SiykaZlatanova.3DGeo-informationScience.Springer,2008•ThomasH.Kolbe,GerhardKönig,ClausNagel.Advancesin3DGeo-InformationSciences.Springer,2011用户需求社会公众服务可视化辅助决策管理需求三维空间数据中心专业分析应用专业需求可视化应急指挥安全需求1.4地学三维建模应用与需求地学信息可视化服务对三维建模的要求多维地学数据公众服务专业应用分析要求技术支撑：多维地学数据的一体化组织与管理地面三维景观建模与可视化地下管线、各类设施建模与可视化三维地质体建模与可视化虚拟地质环境模拟可视化三维属性查询与空间分析。。。可视化决策地上景观地形、地层地上下一体化三维数字城市地上下三维空间实体一体化的数据模型统一的坐标基准统一的数据结构统一的数据库引擎统一的三维可视化引擎地上下空间对象的无缝集成多源数据耦合的层状体建模三维剖面图地层实体模型层顶、底、厚等值线图选取建模范围二维剖面图地层结构建模及可视化分析不同空间实体的三维建模方法地层结构建模及可视化分析基于切割技术的基坑开挖轴向剖面切割任意角度剖面切割垂直折剖面切割地层结构建模及可视化分析47大规模复杂实体模型的多视点实时动态剖切技术面向过程的三维实体动态模拟分析技术根据地下水位数据、流场数据进行三维水位模拟，并结合地质结构模型对指定区域内的地下水位历年变化进行动态模拟。三维地质隐式建模与应用带约束条件的三维距离反比插值建模三维空间统计学的Kriging插值建模基于神经网络的多维地质非线性插值建模提供基于面绘制与直接体绘制等可视化方法提供三维剖切、等值面提取、等值线套合等分析功能49选取数据属性体模型等值面追踪等值体追踪属性模型剖切三维地学建模可视化应用-以下资料源自中地数码三维地质信息可视化服务平台1、服务于城市总体规划--功能区规划、工程选址上海临港新城基础稳定性评估与区划根据城区活动构造的分布和活动性，对城市地壳稳定性进行区域划分，并对地面沉降等主要平原区地质灾害和工程地质问题、山区滑坡与泥石流等地质灾害和工程地质问题进行分析和评价，成果直接用于城市发展的总体规划。北京奥运公园规划2、地下空间开发适宜性评价•地下空间环境岩土工程评价：从岩土的工程性质、开发条件和环境影响等方面综合评估，确定未来城市发展适宜地下空间开发的地段和高风险区，为地下空间可利用规划编制与修编提供必要的信息。工程地质模型爆炸显示基于工程地质三维模型的城市地下市政综合管沟适建性分区3、基于三维地层模型的工程建设方案优选在三维地质结构模型基础上，利用三维技术模拟地下空间开发过程，并按隧道不同设计深度，综合评价地层结构变化对隧道工程的影响。4、地面沉降监测与防治研究•结合水文地质结构模型、地下水采灌及地下水位动态，进一步研究地面沉降规律和机理，有针对性制定控制措施。地铁安全运营管道损毁战略应急水源地评价：评价战略应急水源地的分布格局、水量、开采时限及优化配置的技术方案；应急供水条件下潜在的环境效应，水源地周边环境防护措施；地表水和地下水联合调蓄方案及区域联网供水方案，提出规划建议。6、城市地下水资源可持续开发与保护规划研究在三维水文地质结构的基础上，建立地表水-地下水耦合模型，为地下水资源可持续开发与保护规划研究提供依据。7、辅助城市地下空间设施管理围绕地下空间开发，探索建立“地籍图—地下地籍图—地质图”三图合一的服务能力，提供城市地下空间的权属管理。8、桥隧三维建模的稳定性分析与灾害防治思想有多远，我们就能走多远。