地理信息三維建模方法

『叄』 三維建模方法

在三維地質體建模過程中，地表模型的構建依託於數字地形模型（DTM）的生成，地下模型的構建是首先生成各地質體的三維線框，之後連接成實體進行一定的布爾運算得到。

（1）數字地形模型

數字地形模型的生成是利用一個任意坐標系，對連續地面選擇x、y、z坐標點進行的一個簡單統計表示。或者說，DTM就是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特徵和地形屬性特徵的數字描述。

（2）三維線框模型

三維線框模型的構建主要是採用TIN技術（不規則三角網模型）中的Voronoi圖與Delaunay三角形演算法。其基本原理為:首先依據收集到的地質勘測等資料確定地質結構面的空間關系，利用空間求交得到地質結構縫合面;然後，為了確定各剖切面，剖切生成各地質結構面與建模範圍邊界面的交線;最後，利用Delaunay三角網建立地表、邊界剖切面和底面的TIN模型，將各TIN模型拼合即可建立所需的三維地質模型。

TIN是表示數字高程模型（DEM）方法的一種，它的優點是既減少了規則格網方法帶來的數據冗餘，又在計算效率方面優於純粹基於等高線的方法。由於地質體的復雜形態不是規則的幾何體可以描述的，所以就需要一種更加靈活和簡便的方法來建立復雜地質體，TIN正是基於這一需求提出的。這種表面模型擴展了計算機圖形學中的模型，可以滿足地質制圖的基本要求，進而進行體積估算、切制剖面、表面渲染、三維顯示等操作，是三維實體模型建立的基礎。

（3）線框模型布爾運算

這種運算是在建立復雜地質體時主要對實體與實體或者實體與面之間的相交關系進行交、差、並等的運算，實現對不同實體的拼合或切割，從而得到所需的實體模型。在建模實際中，兩個實體剖面之間是按照直線的方式連接三角網的，但是若遇到斷層呈曲面或斷層破碎帶，斷層體和地質體之間的吻合關系很難體現，所以為了建立更切合實際的地質體只有通過線框模型的布爾運算來實現。一般在建模過程中，按照三維軟體所提供的基本布爾運算功能，對實體進行不同的布爾運算組合，即可以得到需要的地質實體。

『肆』 3D軟體中主要有幾種建模方法

分為NURBS曲面建模和Poly多邊形網格建模

『伍』 地質體三維建模方法及流程

以建立的綜合地質資料庫作為數據基礎，並綜合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 軟體各自的優點來進行地質信息三專維可視化屬建模，主要工作內容包括：(1)地質建模數據（Geodatabase）的導入；(2)剖面地質界線圈定；(3)地質體線框模型建立；(4)地質體塊體模 型建立。

通過綜合地質資料庫的建立，將繁雜的各類地質數據進行了分類並利用關系資料庫進 行了存儲與管理（見第2章）。因此，進行地質體三維建模是從綜合地質資料庫中導入各 類地質建模數據並採用 Vulcan 和Datamine 軟體來進行地質體三維建模，並在不同的地質 剖面上對各類地質體界線進行圈定，並最終形成各類地質體的線框模型和塊體模型。其具 體流程如圖4.1所示。

『陸』 三維建模方法對比

根據地質標本的體積形態、外表色彩多樣、表面不平滑的特性，以及建模的精內度和工作量等，重點分容析了3種建模技術的適應性。

1）三維激光掃描技術：建模方法精度高、速度快、省時省力，適合一些價值高的實物建模，並明顯優於其他的三維建模軟體，但成本相對較高。

2）三維全景照相技術（360°全景）：建模方法比三維激光掃描技術精度低，可以降低建模成本，適用於價值中等的實物地質資料建模。

3）三維虛擬模型技術：建模方法採用多邊形網格將三維模型的表面連接成以多邊形為單位的網格，來表現復雜的物體表面，提供了更強的適應性，可人工調整模型，處理色彩、文字。該方法工作量較大、構建過程復雜、精度偏低，適用於結構簡單的物體建模。但對於凹陷、穿孔、色澤較暗的岩石標本，優於三維激光掃描建模、三維全景合成建模。

『柒』 三維地質建模

一、內容概述

隨著世界各國對資源需求日益上升以及對地質環境問題的日益重視，各國研究機構都將提高資源保障能力、緩解環境壓力的目光逐步轉向了地球深部，這就需要對地下空間有更詳細、更好地了解。正是這種社會需求的不斷增長，以及地理信息系統（GIS）、數字制圖、數據存儲和分析、可視化技術上顯著的技術進步，直接促使了從傳統的二維向三維地質填圖（也稱為三維地質建模）的過渡成為必然。

三維地質圖是傳統的二維地質圖向三維的延伸。這些地圖可以描繪三維空間內地下層疊地層的深度、厚度和物質性質。輸出的結果是通過地質解譯，以及嚴格應用原始數據、地質知識和統計方法而創建的完全屬性化和數字化的三維模型。

二維和三維輸出結果都採用了相似的地質構造單元分類，並針對特定用途和相關機構的需要，按照一定的比例尺和解析度加以呈現。三維填圖完成的三維地質模型可以為需要解決地球科學問題的客戶提供信息，因為：①完成的三維地質圖，可以以可理解的格式、用多種地圖視圖解釋和描繪復雜的地質情況；②當有新信息可用時，可以製作和更新各種衍生或解譯圖；③針對地球資源信息的特定需求，根據客戶需要進行發布和定製（Berg et al.，2011）。

二、應用范圍及應用實例

目前，美國地質調查局的科學家使用三維/四維工具來進行以下工作：①可視化和解釋地質信息；②驗證數據；③驗證他們的解譯和模型。三維地質填圖的例子包括對面向資源評價的地下空間描述，如美國中部的含水層描述，以及作為過程模型的輸入參數，如美國西部的地震。同時，USGS希望通過開發新的三維/四維工具和框架，以及通過對現有技術的提高和更有效的利用，擴大其三維/四維處理能力來監測、解譯和分發自然資源信息。

加拿大地質調查局已經將三維地質填圖融入了各項工作。然而，地下水研究對於三維地質填圖的需求還沒有從傳統的地質調查上完全轉變過來。盆地分析的概念是加拿大地質調查局開展三維地質填圖的基礎。在此框架下，工作重點放在了數據收集和了解盆地的地質歷史。盆地分析在地下水研究項目中已經作為一種常見的三維研究方法。後續在GIS軟體中的數據處理、插值、可視化仍然酌情根據地理和地質的復雜性、研究目標和需求而定。

英國地質調查局的三維地質模型名為LithoFrame。它代表了地質圖從二維擴展到三維（表1）。LithoFrame概念的核心是不同解析度的模型彼此對應，形成從一般的全國模型到詳細的現場模型的無縫過渡。

表1 LithoFrame解析度的主要特點

註：LithoFrame比例尺：1M為1∶100萬；250為1∶25萬；50為1∶5萬；10為1∶1萬。

法國地質調查局的三維建模主要涉及3個領域：公共服務、國際合作項目以及與許多合作夥伴和客戶合作開展的科研活動：

1）公共服務：歐盟、法語國家、地區政府和城鎮機關；

2）國際項目：私營公司和外國政府；

3）研究：實驗室和合作大學。

法國地質調查局的三維建模活動的主要應用領域是地質調查、含水層的保護和管理、城市地質、地震風險評價、土木工程、碳捕獲和存儲研究、地熱潛力、礦產資源開采和采後評價。

國外地質調查機構用於創建三維地質圖和模型最常用的軟體套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三維GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。這些軟體中，GSI3 D、三維GeoModeller和Multilayer-GDM由地質調查機構自行開發，並根據其機構對地質填圖和建模的需求進行定製。許多其他軟體包也用在地質調查機構的部分建模工作流程中，其中包括GIS、統計學分析、地震深度轉換、可視化和屬性建模的軟體。

三、資料來源

Berg R C，Mathers S J et al.2011.Synopsis of Current Three Dimensional Geological Mapping and Modeling in Geological Survey Organizations.Ilinois State Geological Survey Circular，104

『捌』 如何在gis里建立三維城市模型

用cityengine，根據你已經有了的數據，分分鍾可以做完。
3.18
既然有人感興趣我就多說幾句。
1、你已內經有了DEM，那麼下載一張影像圖浮在DEM上可以基本上把三維地形做出來。
2、在GIS裡面做好建築基底要素資料庫，其中就包括了你的建築層高、高度等等屬性。
3、看網上教程學會在cityengine里寫幾個簡單的建築體塊規則。
4、通過拍照獲取建築立面材質、開窗、風格等，將規則賦予建築基底就能生成了。
之所以建議使用cityengine的原因是題主作為規劃出身，掌握並熟練ArcGIS挺重要的。cityengine與ArcGIS天然銜接，學習cityengine的同時也能將ArcGIS也學習了。同時cityengine的大批量建模對城市規劃的建模優勢很大，而3Dmax或SU與之相比的話顯得精細化了，容無疑增加了工作量。

『玖』 地質體三維建模方法

在分析三維空間建模方面的國內外大量研究文獻的基礎上，目前主要有四種類型的建模方法：基於體的建模方法、基於面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛權建模方法。

表1-1 3D空間建模方法分類

1.基於體的建模方法

體模型基於3D空間的體元分割和真3D實體表達，體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行3D空間操作和分析。體元模型可以按體元的面數分為四面體（Tetrahedral）、六面體（Hexahedral）、稜柱體（Prismatic）和多面體（Polyhedral）等類型，也可以根據體元的規整性分為規則體元和不規則體元兩個大類。建模方法如下：

（1）規則塊體（Regular Block）建模；

（2）結構實體幾何（CSG）建模；

（3）3D體素（Voxel）建模；

（4）八叉樹（Octree）建模；

（5）針體（Needle）建模；

（6）四面體格網（TEN）建模；

（7）金字塔（Pyramid）模型；

（8）三稜柱（Tri-Prism，TP）建模；

（9）地質細胞（Geocellular）模型；

（10）不規則塊體（Irregular Block）建模；

（11）實體（Solid）建模；

（12）3D Voronoi圖模型；

（13）廣義三稜柱（GTP）建模。

2.基於面的建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面、構築物（建築物）及地下工程的輪廓與空間框架。所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。基於采樣點的TIN模型和基於數據內插的Grid模型通常用於非封閉表面模擬；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用於封閉表面或外部輪廓模擬。Section模型、Section-TIN混合模型及多層DEM模型通常用於地質建模。通過表面表示形成3D空間目標輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處由於缺少3D幾何描述和內部屬性記錄而難以進行3D空間查詢與分析。建模方法如下：

（1）TIN和Grid模型；

（2）邊界表示（B-Rep）模型；

（3）線框（Wire Frame）模型；

（4）斷面（Section）模型；

（5）斷面-三角網混合模型；

（6）多層DEM建模。

3.混合建模方法

基於面模型的建模方法側重於3D空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面等，通過表面表示形成3D目標的空間輪廓，其優點是便於顯示和數據更新，不足之處是難以進行空間分析。基於體模型的建模方法側重於3D空間實體的邊界與內部的整體表示，如地層、礦體、水體、建築物等，通過對體的描述實現3D目標的空間表示，優點是易於進行空間操作和分析，但存儲空間大，計算速度慢。混合模型的目的則是綜合面模型和體模型的優點，以及綜合規則體元與不規則體元的優點，取長補短。主要包括如下混合建模方法：

（1）TIN-CSG混合建模；

（2）TIN-Octree混合建模；

（3）Wire Frame-Block混合建模；

（4）Octree-TEN混合建模；

（5）GTP-TEN混合建模。

4.泛權建模方法

陳樹銘認為地質三維領域中，地礦、石油的三維分析相對來說是比較簡單的，相比之下工程地質、水文地質等的三維分析更復雜，比如說在地礦、石油領域應用克里格方法基本就可以分析，但是對於工程地質、水文地質分析來說，克里格方法基本是不可行的。他認為目前主要有三類地質三維重構演算法，即剖面成面法、直接點面法，以及拓撲分析方法。在綜合應用概率統計、模糊、神經網路、插值、積分等理論的基礎上，構造了一種新演算法（他稱之為「泛權」演算法），其核心思想就是能對任意M維的連續、非連續邊界進行重構分析，並同時能耦合地模擬各種復雜背景因素的影響。

（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地質剖面的基礎上，再應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面，進而來表達三維體。比如國外的三維地質分析軟體GEOCOM就是採取此種思路的一個典型。具體的解決步驟如下：

①收集、整理原始地質資料，並進行柱狀和綜合分層；

②建立地質空間多參數資料庫；

③根據以上資料，應用人工互動式的地質剖面生成軟體平台，加上專家的人工干預生成各種各樣的空間地質剖面；

④分別根據各已計算剖面的地層分布結果，加上專家的干預、分析參數的控制來生成各個地質曲面；

⑤建立地層空間曲面構架資料庫；

⑥應用地質三維展示平台，基於地層空間曲面構架資料庫、地質空間多參數資料庫，來進行地質三維展示，三維切割分析、方量計算等功能。

（2）直接點面法。直接點面法的基本思路是，直接將原始的散狀數據進行有效的分層，直接根據各個層面的標高，應用曲面構造法（趨勢面法、DEM生成技術）來生成各個層面。比如國外的三維地質分析軟體ROCKWARE就是採取此種思路的一個典型。其解決步驟基本同於剖面成面法，只是沒有下文第3）步，但是地層曲面生成技術相對前者來說要更難一些。

（3）拓撲分析法。拓撲分析法的基本思路就是，基於各個層面的離散點，通過分析這些點的空間拓撲關系，構造地質體。目前來說進行拓撲分析基本採用六面體、四面體模型，或者是Delaunay四面體模型等。其與剖面成面法、直接點面法，在本質上沒有什麼區別，還是從離散的點出發去構造地質層面。

『拾』 三維地質建模方法

自20世紀80年代以來，研究人員提出了許多三維地質模型來模擬地質體，使這方面的研究有了長足的發展。通過對國內外大量的三維地質建模方面的文獻和專業軟體的研究分析，三維地質建模方法大體可歸納為三類：離散點源法、剖面框架法和多源數據耦合建模法。

1.2.3.1 離散點源法

在地質找礦中，經常需要根據少量的離散點采樣數據(如地質測繪或鑽孔資料)來獲取地質體的形狀，從而為進一步指導找礦起指導性的作用。因此，研究如何實現空間散亂點數據場可視化的方法具有一定的意義。

Carlson(1987)從地質學的角度提出了地下空間結構的三維概念模型，並提出用單純復形模型(Simplicial Complex Model)來建立地質模型。Victor(1993)、Pilout(1994)則具體應用Delaunay四面體的三維矢量數據模型研究離散點地質建模問題。Lattuada(1995)對3DDT(3 Dimensional Delaunay Triangulation)在地質領域內的應用進行了研究，表明四面體格網能很好地用於地質體的三維建模，優點包括：四面體單元易於建立索引；模型易於手工編輯；可通過相鄰關系導出拓撲結構；約束三角剖分易於實現面約束；四面體非常便於可視化，同時具有較高的表達精度；易於實現搜索和關系查詢等。Courrioux et al.(2001)基於Voronoi圖實現了地質對象實體的自動重構。Frank et al.(2007)採用隱函數法(implicit function)表達三維曲面，對離散點集進行三維重構(reconstruction)，用來模擬斷層和鹽丘(salt dome)。楊欽(2001，2005)利用離散點源信息構建地層與斷層結構面，依此作為約束條件約束Delaunay剖分建立三維地質模型。

鑽孔數據也屬於一種點源信息。它實質上是將原始的點、線數據進行有效的分層，根據各層面標高應用曲面構造法來生成各個層面或實體。圍繞鑽孔數據進行三維地質建模已有許多學者進行了研究，其中較早利用鑽孔數據進行三維地質模擬的是加拿大學者Houlding(1994，2000)，利用鑽孔孔口點位信息進行 Delaunay三角剖分，作為「主 TIN(Primary TIN)」，其他地層面則通過高程映射實現。張煜等(2001)對其建模方法進行了深入研究與發展，在垂直鑽孔的理想狀態下，採用三稜柱(Tri-prism，TP)數據模型建立三維地質模型，並給出了相關的剖切演算法。Lemon et al.(2003)採用「地層層位法」建立三維地層模型，並採用自定義剖面(user-defined cross-sections)的方法對地質模型進行局部交互修正。吳江斌(2003)、朱合華等(2003)提出一種基於鑽孔數據的二分拓撲數據結構的建模演算法，嘗試採用基於鑽孔數據的四面體體元模型構建地下三維地質模型；四面體結構在表達復雜結構上則較靈活，但是使用四面體表示空間實體會產生大量的冗餘，且生成四面體的演算法比較復雜。張芳(2005)採用Delaunay三角構網技術，利用鑽孔數據構建三維地層層面模型，同時引入「界面分片」思想，以適應於海量數據模型的可視化表達，但缺少對地質體屬性信息的表達。在三稜柱模型的基礎上，針對鑽孔存在偏斜問題，類三稜柱(Analogical Tri-prism，ATP)(齊安文等，2002)、廣義三稜柱(Generalized Tri-prism，GTP)(Wu，2004)方法先後被提出，用來進行三維地質建模，已被證明廣泛適應於礦山、石油等深部地質問題建模；同時，似三稜柱(Similar Triprism，STP)(Gong et al.，2004)也被提出用於解決鑽孔傾斜問題，如鄭蔚等(2005)基於鑽孔數據採用STP建立三維地質模型對地下空間進行虛擬漫遊。STP與GTP本質上是相同的。基於鑽孔數據建立三維地質建模，這一看似簡單的數據模型方法，經歷了10多年的發展歷程：從初期的TP數據模型，適用於鑽孔垂直成層、地層等厚的理想情況，發展到STP、GTP適用於鑽孔不垂直且地層不等厚的常見情況。

1.2.3.2 剖面框架法

剖面框架法就是在收集整理原始地質勘探資料的基礎上，建立分類資料庫，人工交互生成大量的二維地質剖面，然後應用曲面構造法生成各層位面表達三維地質模型，或者利用體元表示法直接進行地質體建模(Chae et al.，1999)。

利用地質剖面表達研究區域三維地質現象的初級形式是序列地質剖面法(朱小弟等，2001)。序列地質剖面構模技術實質是傳統地質制圖方法的計算機實現，即通過平面圖或剖面圖來描述地質構造，記錄地質信息，如圖1.2所示。其特點是將3D問題2D化，在空間上採用若干平行或近似平行的地質剖面來表達研究區域的地質分布特徵，但它在空間表達上是不完整的，它把剖面之間的地層或構造分布情況留給工程設計人員去「想像」。這種構模方法難以完整表達3D礦床及其內部構造。

基於剖面信息建立真三維模型具有很大的發展空間，對於復雜地質構造區域具有很好的適應性，成為當前地質建模的主要方法之一。然而，基於剖面進行三維重構得到完善發展的是在醫學領域，後來迅速擴展到其他領域。在醫學領域里，通過電腦斷層掃描(CAT)或者核磁共振(MRI)等技術，可以獲得一系列相互平行的人體切片圖像，通過提取對象的邊界，基於輪廓線演算法，生成三維人體模型。地質剖面信息同醫學切片信息一樣，都是反映研究對象的某一特定斷面上的構造分布，可以藉助醫學三維人體建模技術來構造三維地質模型。較早將醫學領域的切面三維建模引入地學領域的是在考古學方面的應用(Tipper，1976，1977；Herbert et al.，1995)，主要應用在古生物的三維重構方面，而應用在三維地質建模方面的文獻並不很多。

圖1.2 序列地質剖面構模實例

公認的剖面三維重構的代表之作是Keppel的文章(Meyres et al.，1992；Herbert et al.，1995，2001；Xu et al.，2003；屈紅剛等，2003)。在Keppel的研究基礎上，Meyres(1992)將剖面建模方法分為4個子問題：對應問題(correspondence problem)、構網問題(tiling problem)、分支問題(branching problem)和光滑問題(fitting problem)：①對應問題解決相鄰剖面之間的輪廓線匹配問題；②構網問題主要解決輪廓線之間的三角形構網問題，考慮滿足某個准則，例如最大體積法(Keppel，1975)、最小面積法(Fuchsetal.，1977)等；③分支問題是解決同一對象在不同剖面上的組成部分的個數不同的問題；④光滑問題主要解決將初始生成的三角網進行插值，從而得到更加光滑的三角網。

屈紅剛等(2003)提出基於含拓撲剖面地質建模方法來實現復雜地質的三維建模的對應問題，鄧飛等(2007)則對一般意義上的剖面地質建模進行了討論。

1.2.3.3 多源數據耦合建模法

隨著計算機性能的提高，具備了對海量數據的處理能力，人們對建立的地質模型要求也不斷提高，希望能夠建立高精度和高復雜度的地質模型(Turner，2003，2006；Calcagno et al.，2006；Kaufmann et al.，2008)。提高模型的精度可以通過插值的方法來實現，但更好的方法是通過增加約束信息來對初始地質模型進行細化，這就涉及耦合多源數據來建立地質模型的問題。

早在1993年，Houlding提出三維地學建模概念的時候就強調地質解釋信息具備對模型的修正(revision)功能。並且指出礦業工程有地質勘探數據、人工繪制數據及施工數據，還有不確定性的需要通過地質統計學進行估計的數據(Houlding，2000)，最終的地質模型需要綜合考慮這些種類不同的數據。

McInerney et al.(2005a，b)認為三維地質建模只能部分上是一個數字地質采樣過程，更重要的是地質學家的人工解釋過程。並且尖銳地指出，不要指望一些計算機軟體能夠自動並成功地「建模」! 讓一個有經驗的地質學家輸入解釋性的信息進行建模，是現實和必要的；而軟體只是建模過程中提供便利的一個工具(There is no expectation that some computer software will successfully and automatically「builda model」! The reality is that interpretative input from a skilled geologist is essential to build a model；the software is simply a tool to facilitate the model-building process)。其要求實際上是，地質建模不僅要考慮地質勘探所獲取的確定性數據，還應加入地質工程人員對地質構造的解釋性數據，這就構成多源地質建模的基本思想。

Mallet(2002)針對地質體建模的特殊性和復雜性，以點、線數據為主要數據源，建立以三角形為基本單元的三維曲面，採用離散光滑插值技術(Discrete Smooth Interploate，DSI)使曲面的粗糙度最小，並作為GOCAD的核心技術，得到了許多地球物理公司和石油公司的支持。

相比較國外以石油、礦業工程為主要應用領域的三維地質建模，鍾登華等(2006)則從水利水電工程地質領域，研究多源地質數據建立壩區的三維地質模型。Wu et al.(2005)提出一種逐步細分的多源數據集成地質建模方法，考慮到地質數據大多比較稀疏和低采樣率的特徵，採用逐步細化的方法對初始地質模型不斷修正。

地質構造的復雜性和認識的階段性，使多源地質建模引起越來越多的研究興趣。32屆國際地質大會(International Geological Conference，IGC)於2004年在義大利佛羅倫薩召開，在「地質的復興(The Renaissance of Geology)」(Zanchi et al.，2007)議題上，多名國際知名的地學建模專家共同提到了多源地質建模問題。其中，Zanchi et al.(2008)藉助商業軟體對義大利境內阿爾卑斯山(Alps)利用多源地質建模問題進行研究，並應用於滑坡穩定性分析。西方發達國家主要將地質建模應用於能源與環境領域，這是為數不多的在工程建設領域開辟蹊徑的研究。無獨有偶，Kaufmann et al.(2008)嘗試採用多源地質建模，研究在廢棄煤礦巷道內進行天然氣儲存問題。

總體來看，三維地質建模技術是一個從簡單地層模擬到復雜地質構造模擬的發展過程。從最初基於單一數據建立簡單層狀三維地質模型，到綜合利用多源數據建立復雜地質模型，能夠反映地質構造的空間特徵。