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摘 要：地层的三维可视化是获取地下空间信息，真实表达地层结构和空间关系的重要手段，本文在综合分析了多层DEM和GTP模型表达三维地质体的基础上，利用钻孔数据、柱状图、地质剖面图等资料构建多层DEM—GTP三维混合模型，并利用ArcGIS平台二次开发工具开发三维可视化系统，实现地层的三维可视化，最后运用实例数据对理论成果进行测试，用于辅助相关地学研究和决策，取得了良好的效果。
关键词：多层DEM—GTP模型;三维地质体;可视化
Research on 3D Geological Visualization Based
on Multi-layer DEM-GTP Mixed Model
Zhang Yuanyuan
Guangzhou Marine Geology Survey GuangdongGuangzhou 510760
Abstract：Three-dimensional visualization of strata is an important means to acquire underground space information and truly express strata structure and spatial relations.Based on the comprehensive analysis of multi-layer DEM and GTP models to express three-dimensional geological bodies，this paper constructs a multi-layer DEM-GTP three-dimensional entity hybrid model by using borehole data，columnar maps，geological profile maps and other data.Realize three-dimensional stratum visualization and assist related geoscience research and decision-making.A three-dimensional visualization system is developed by using the secondary development tool of ArcGIS platform，and the relevant theoretical results are tested by using case data，and good results are achieved.
Key words：multi-layer DEM-GTP model;three-dimensional geological body;visualization
1 概述
隨着3DGIS研究不断深入，利用3DGIS原理和方法构建三维地质体模型已成为地学工作者研究的热点。[1-3]近年来国内外学者们已提出几十种三维空间建模方法，总体上可分为面模型、体模型和混合模型三类。面模型结构简单，易于实现，但它只是对实体表面建模不能表达地质体内部信息，不具备空间分析能力。体模型构建基本体元进行三维建模，可准确表达地质体内部信息，具有空间分析能力，但数据量非常大运算太耗时，实现难度也很大。混合模型是综合两种或两种以上的建模方法，取长补短，更适合实际应用。多层DEM—GTP混合模型是综合面模型多层DEM和体模型GTP模型的基础上建立的，它不受棱边平行限制，由上下两个TIN面的不平行三角形来表达不同的地层面，GTP侧面四边形面来描述层面间的空间关系，用GTP柱体表达层与层之间的内部实体。[4-5]该模型适合层状空间实体三维建模，方便对模型内部进行空间查询分析，具有数据结构简单，易于存储等优点。[6]
2 地层的三维可视化
基于多层DEM-GTP混合模型进行三维地层可视化的总体思路：按钻孔方向、岩性、空间位置对地质体进行分层，再由钻孔数据构建地表不规则三角网（简称TIN），[7]以地表TIN为模板对各分层的表面也建立各自TIN，从而完成构建多层数字高程模型（简称多层DEM），[8]对相邻TIN面上的三角形构建广义三棱柱模型（简称GTP模型），再进行地层尖灭与地层层面交叉处理。完成三维地层模型的构建。当实际应用中经常会遇到地层缺失等复杂地质构造，运用GTP模型能够灵活的解决此类问题。地层的三维可视化[9]的具体步骤：
（1）结合空间位置数据、钻孔、柱状图、地质剖面图、构造图等资料，对数据进行预处理，总结出钻孔点各个地层的岩性、深度、厚度、总地层数、按其邻接关系对地层进行顺序编号，编号按照沉积顺序从老到新，逐层递进，构建钻孔信息数据库，创建位置、深度、岩性等字段，将数据录入。
（2）以钻孔坐标和表层层高为基准，结合建模区域边界条件，采用Delaunay三角网剖分生成地表TIN，[10]使离散的钻孔点相关联。以地表TIN为模板约定其他各层TIN的三角形个数，构建带约束的各层TIN面，保证各个地层层面具有确定的、上下一致的拓扑关系，来简化插值的时间复杂度。
（3）由相邻TIN层中的三角形的点，沿钻孔方向构建GTP模型的侧面四边形，从而保证四边形的侧棱边在同一条钻孔上。从地表TIN开始遍历所有地层层面，当出现层面缺失的现象（尖灭），要重新赋值缺失层高值地层层面上达到点，如下图第2层中点层高值缺失时，需将临近层点1的层高值赋值给点2，地层3到地层1之间，地层2的厚度为0。
（4）当出现相邻层TIN面对应三角形交叉现象时，按实际地层严格的沉积顺序，对交叉地层进行重赋予层高值，1层和2层相交，将地层1上TIN点的层高值赋值给地层2。保障各个体元间是相互邻接关系，上下相邻地层间无交叉情况。 （5）选择表层TIN中一个点为起点，遍历所有TIN面，构建DEM-GTP模型体元，即完成三维地层模型。
3 实验分析
基于多层DEM-GTP的混合模型建模理论和方法，[11]测试数据以研究区域内15个实际钻孔数据为主要数据来源，在windows7环境下，采用面向对象的编程理念，基于ArcGIS Engine平台进行二次开发三维地层可视化系统，系统是对混合模型建模结果的展示是通过组件Scene Control来实现。在少量人工干预的情况下，实现对地层任意剖面的三维显示，属性查询、图例的自动生成与显示、地层的分层显示等功能。
系统窗口下的各种操作都是实时的、快速的，方便用户全方位多角度浏览。自定义绘制用户需要的裁切多边形，来实现任意剖面裁切，强化人机交互功能，地层经任意面裁切的结果如图2所示。
4 结论
基于多层DEM-GTP模型实现三维地层可视化，充分运用了单一模型多层DEM和GTP模型的优点，方便有效的获取于地层形态和属性，地层的三维可视化能直观、准确的表达地质实体空间内部结构，全方位动态的显示能方便用户实时的进行空间查询与分析，更好地辅助决策，能为地质工作者提供了可靠的地层信息。但三维地层数据的获取还相对较难，钻孔总体上也很稀疏，数据量比较少，建模效果也比较粗糙，不够精细。在下一步工作中，建议结合专家经验增加虚拟钻孔，增加表达带断层的复杂地层。同时还能看出，ArcGIS平台的二次开发工具有开发周期短、成本低等优点，3DGIS技术的快速发展，未来在地质调查和勘查工作中将发挥更大的作用。
參考文献：
[1]罗智勇，杨武年.基于钻孔数据的三维地质建模与可视化研究.测绘科学，2008，（02）：130-132.
[2]明镜.基于钻孔的三维地质模型快速构建及更新.地理与地理信息科学，2012，（05）：55-59+113.
[3]孙记红，魏合龙，王诏，等.基于Open Inventor的重点海域地质体三维模型构建.海洋地质前沿，2018，34（03）：39-45.
[4]车德福，吴立新，陈学习，等.基于GTP修正的R3DGM建模与可视化方法.煤炭学报，2006，（05）：576-580.
[5]李长春，王宝山，薛华柱.基于GTP的煤矿地质体三维建模及剖切.煤炭学报，2008，（11）：1268-1271.
[6]衣昕，贾瑞生.DEMs-STP混合模型在三维地层建模中的应用研究.信息技术与信息化，2012，（01）：82-86.
[7]朱良峰，吴信才，刘修国，等.基于钻孔数据的三维地层模型的构建.地理与地理信息科学，2004，（03）：26-30.
[8]刘少华，吴东胜，罗小龙，等.三维GIS数据模型在地层建模中的应用研究及可视化.测绘信息与工程，2007，（02）：37-38.
[9]罗云烈，王常明，王天佐.基于ArcGIS的地层三维可视化方法.中国水运（下半月），2015，15（07）：91-93+96.
[10]乔金海，潘懋，金毅，等.基于DEM三维地层建模及一体化显示.地理与地理信息科学，2011，27（02）：34-37.
[11]沈爱俊，李伟波，国洪艳.基于多层DEM与GTP混合数据模型研究与应用.软件导刊，2007，（21）：23-24.
关键词：多层DEM—GTP模型;三维地质体;可视化
Research on 3D Geological Visualization Based
on Multi-layer DEM-GTP Mixed Model
Zhang Yuanyuan
Guangzhou Marine Geology Survey GuangdongGuangzhou 510760
Abstract：Three-dimensional visualization of strata is an important means to acquire underground space information and truly express strata structure and spatial relations.Based on the comprehensive analysis of multi-layer DEM and GTP models to express three-dimensional geological bodies，this paper constructs a multi-layer DEM-GTP three-dimensional entity hybrid model by using borehole data，columnar maps，geological profile maps and other data.Realize three-dimensional stratum visualization and assist related geoscience research and decision-making.A three-dimensional visualization system is developed by using the secondary development tool of ArcGIS platform，and the relevant theoretical results are tested by using case data，and good results are achieved.
Key words：multi-layer DEM-GTP model;three-dimensional geological body;visualization
1 概述
隨着3DGIS研究不断深入，利用3DGIS原理和方法构建三维地质体模型已成为地学工作者研究的热点。[1-3]近年来国内外学者们已提出几十种三维空间建模方法，总体上可分为面模型、体模型和混合模型三类。面模型结构简单，易于实现，但它只是对实体表面建模不能表达地质体内部信息，不具备空间分析能力。体模型构建基本体元进行三维建模，可准确表达地质体内部信息，具有空间分析能力，但数据量非常大运算太耗时，实现难度也很大。混合模型是综合两种或两种以上的建模方法，取长补短，更适合实际应用。多层DEM—GTP混合模型是综合面模型多层DEM和体模型GTP模型的基础上建立的，它不受棱边平行限制，由上下两个TIN面的不平行三角形来表达不同的地层面，GTP侧面四边形面来描述层面间的空间关系，用GTP柱体表达层与层之间的内部实体。[4-5]该模型适合层状空间实体三维建模，方便对模型内部进行空间查询分析，具有数据结构简单，易于存储等优点。[6]
2 地层的三维可视化
基于多层DEM-GTP混合模型进行三维地层可视化的总体思路：按钻孔方向、岩性、空间位置对地质体进行分层，再由钻孔数据构建地表不规则三角网（简称TIN），[7]以地表TIN为模板对各分层的表面也建立各自TIN，从而完成构建多层数字高程模型（简称多层DEM），[8]对相邻TIN面上的三角形构建广义三棱柱模型（简称GTP模型），再进行地层尖灭与地层层面交叉处理。完成三维地层模型的构建。当实际应用中经常会遇到地层缺失等复杂地质构造，运用GTP模型能够灵活的解决此类问题。地层的三维可视化[9]的具体步骤：
（1）结合空间位置数据、钻孔、柱状图、地质剖面图、构造图等资料，对数据进行预处理，总结出钻孔点各个地层的岩性、深度、厚度、总地层数、按其邻接关系对地层进行顺序编号，编号按照沉积顺序从老到新，逐层递进，构建钻孔信息数据库，创建位置、深度、岩性等字段，将数据录入。
（2）以钻孔坐标和表层层高为基准，结合建模区域边界条件，采用Delaunay三角网剖分生成地表TIN，[10]使离散的钻孔点相关联。以地表TIN为模板约定其他各层TIN的三角形个数，构建带约束的各层TIN面，保证各个地层层面具有确定的、上下一致的拓扑关系，来简化插值的时间复杂度。
（3）由相邻TIN层中的三角形的点，沿钻孔方向构建GTP模型的侧面四边形，从而保证四边形的侧棱边在同一条钻孔上。从地表TIN开始遍历所有地层层面，当出现层面缺失的现象（尖灭），要重新赋值缺失层高值地层层面上达到点，如下图第2层中点层高值缺失时，需将临近层点1的层高值赋值给点2，地层3到地层1之间，地层2的厚度为0。
（4）当出现相邻层TIN面对应三角形交叉现象时，按实际地层严格的沉积顺序，对交叉地层进行重赋予层高值，1层和2层相交，将地层1上TIN点的层高值赋值给地层2。保障各个体元间是相互邻接关系，上下相邻地层间无交叉情况。 （5）选择表层TIN中一个点为起点，遍历所有TIN面，构建DEM-GTP模型体元，即完成三维地层模型。
3 实验分析
基于多层DEM-GTP的混合模型建模理论和方法，[11]测试数据以研究区域内15个实际钻孔数据为主要数据来源，在windows7环境下，采用面向对象的编程理念，基于ArcGIS Engine平台进行二次开发三维地层可视化系统，系统是对混合模型建模结果的展示是通过组件Scene Control来实现。在少量人工干预的情况下，实现对地层任意剖面的三维显示，属性查询、图例的自动生成与显示、地层的分层显示等功能。
系统窗口下的各种操作都是实时的、快速的，方便用户全方位多角度浏览。自定义绘制用户需要的裁切多边形，来实现任意剖面裁切，强化人机交互功能，地层经任意面裁切的结果如图2所示。
4 结论
基于多层DEM-GTP模型实现三维地层可视化，充分运用了单一模型多层DEM和GTP模型的优点，方便有效的获取于地层形态和属性，地层的三维可视化能直观、准确的表达地质实体空间内部结构，全方位动态的显示能方便用户实时的进行空间查询与分析，更好地辅助决策，能为地质工作者提供了可靠的地层信息。但三维地层数据的获取还相对较难，钻孔总体上也很稀疏，数据量比较少，建模效果也比较粗糙，不够精细。在下一步工作中，建议结合专家经验增加虚拟钻孔，增加表达带断层的复杂地层。同时还能看出，ArcGIS平台的二次开发工具有开发周期短、成本低等优点，3DGIS技术的快速发展，未来在地质调查和勘查工作中将发挥更大的作用。
參考文献：
[1]罗智勇，杨武年.基于钻孔数据的三维地质建模与可视化研究.测绘科学，2008，（02）：130-132.
[2]明镜.基于钻孔的三维地质模型快速构建及更新.地理与地理信息科学，2012，（05）：55-59+113.
[3]孙记红，魏合龙，王诏，等.基于Open Inventor的重点海域地质体三维模型构建.海洋地质前沿，2018，34（03）：39-45.
[4]车德福，吴立新，陈学习，等.基于GTP修正的R3DGM建模与可视化方法.煤炭学报，2006，（05）：576-580.
[5]李长春，王宝山，薛华柱.基于GTP的煤矿地质体三维建模及剖切.煤炭学报，2008，（11）：1268-1271.
[6]衣昕，贾瑞生.DEMs-STP混合模型在三维地层建模中的应用研究.信息技术与信息化，2012，（01）：82-86.
[7]朱良峰，吴信才，刘修国，等.基于钻孔数据的三维地层模型的构建.地理与地理信息科学，2004，（03）：26-30.
[8]刘少华，吴东胜，罗小龙，等.三维GIS数据模型在地层建模中的应用研究及可视化.测绘信息与工程，2007，（02）：37-38.
[9]罗云烈，王常明，王天佐.基于ArcGIS的地层三维可视化方法.中国水运（下半月），2015，15（07）：91-93+96.
[10]乔金海，潘懋，金毅，等.基于DEM三维地层建模及一体化显示.地理与地理信息科学，2011，27（02）：34-37.
[11]沈爱俊，李伟波，国洪艳.基于多层DEM与GTP混合数据模型研究与应用.软件导刊，2007，（21）：23-24.