地理信息三维建模方法

『叁』 三维建模方法

在三维地质体建模过程中，地表模型的构建依托于数字地形模型（DTM）的生成，地下模型的构建是首先生成各地质体的三维线框，之后连接成实体进行一定的布尔运算得到。

（1）数字地形模型

数字地形模型的生成是利用一个任意坐标系，对连续地面选择x、y、z坐标点进行的一个简单统计表示。或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。

（2）三维线框模型

三维线框模型的构建主要是采用TIN技术（不规则三角网模型）中的Voronoi图与Delaunay三角形算法。其基本原理为:首先依据收集到的地质勘测等资料确定地质结构面的空间关系，利用空间求交得到地质结构缝合面;然后，为了确定各剖切面，剖切生成各地质结构面与建模范围边界面的交线;最后，利用Delaunay三角网建立地表、边界剖切面和底面的TIN模型，将各TIN模型拼合即可建立所需的三维地质模型。

TIN是表示数字高程模型（DEM）方法的一种，它的优点是既减少了规则格网方法带来的数据冗余，又在计算效率方面优于纯粹基于等高线的方法。由于地质体的复杂形态不是规则的几何体可以描述的，所以就需要一种更加灵活和简便的方法来建立复杂地质体，TIN正是基于这一需求提出的。这种表面模型扩展了计算机图形学中的模型，可以满足地质制图的基本要求，进而进行体积估算、切制剖面、表面渲染、三维显示等操作，是三维实体模型建立的基础。

（3）线框模型布尔运算

这种运算是在建立复杂地质体时主要对实体与实体或者实体与面之间的相交关系进行交、差、并等的运算，实现对不同实体的拼合或切割，从而得到所需的实体模型。在建模实际中，两个实体剖面之间是按照直线的方式连接三角网的，但是若遇到断层呈曲面或断层破碎带，断层体和地质体之间的吻合关系很难体现，所以为了建立更切合实际的地质体只有通过线框模型的布尔运算来实现。一般在建模过程中，按照三维软件所提供的基本布尔运算功能，对实体进行不同的布尔运算组合，即可以得到需要的地质实体。

『肆』 3D软件中主要有几种建模方法

分为NURBS曲面建模和Poly多边形网格建模

『伍』 地质体三维建模方法及流程

以建立的综合地质数据库作为数据基础，并综合利用 Vulcan 7.5和 Datamine Studio 3 软件各自的优点来进行地质信息三专维可视化属建模，主要工作内容包括：(1)地质建模数据（Geodatabase）的导入；(2)剖面地质界线圈定；(3)地质体线框模型建立；(4)地质体块体模 型建立。

通过综合地质数据库的建立，将繁杂的各类地质数据进行了分类并利用关系数据库进 行了存储与管理（见第2章）。因此，进行地质体三维建模是从综合地质数据库中导入各 类地质建模数据并采用 Vulcan 和Datamine 软件来进行地质体三维建模，并在不同的地质 剖面上对各类地质体界线进行圈定，并最终形成各类地质体的线框模型和块体模型。其具 体流程如图4.1所示。

『陆』 三维建模方法对比

根据地质标本的体积形态、外表色彩多样、表面不平滑的特性，以及建模的精内度和工作量等，重点分容析了3种建模技术的适应性。

1）三维激光扫描技术：建模方法精度高、速度快、省时省力，适合一些价值高的实物建模，并明显优于其他的三维建模软件，但成本相对较高。

2）三维全景照相技术（360°全景）：建模方法比三维激光扫描技术精度低，可以降低建模成本，适用于价值中等的实物地质资料建模。

3）三维虚拟模型技术：建模方法采用多边形网格将三维模型的表面连接成以多边形为单位的网格，来表现复杂的物体表面，提供了更强的适应性，可人工调整模型，处理色彩、文字。该方法工作量较大、构建过程复杂、精度偏低，适用于结构简单的物体建模。但对于凹陷、穿孔、色泽较暗的岩石标本，优于三维激光扫描建模、三维全景合成建模。

『柒』 三维地质建模

一、内容概述

随着世界各国对资源需求日益上升以及对地质环境问题的日益重视，各国研究机构都将提高资源保障能力、缓解环境压力的目光逐步转向了地球深部，这就需要对地下空间有更详细、更好地了解。正是这种社会需求的不断增长，以及地理信息系统（GIS）、数字制图、数据存储和分析、可视化技术上显著的技术进步，直接促使了从传统的二维向三维地质填图（也称为三维地质建模）的过渡成为必然。

三维地质图是传统的二维地质图向三维的延伸。这些地图可以描绘三维空间内地下层叠地层的深度、厚度和物质性质。输出的结果是通过地质解译，以及严格应用原始数据、地质知识和统计方法而创建的完全属性化和数字化的三维模型。

二维和三维输出结果都采用了相似的地质构造单元分类，并针对特定用途和相关机构的需要，按照一定的比例尺和分辨率加以呈现。三维填图完成的三维地质模型可以为需要解决地球科学问题的客户提供信息，因为：①完成的三维地质图，可以以可理解的格式、用多种地图视图解释和描绘复杂的地质情况；②当有新信息可用时，可以制作和更新各种衍生或解译图；③针对地球资源信息的特定需求，根据客户需要进行发布和定制（Berg et al.，2011）。

二、应用范围及应用实例

目前，美国地质调查局的科学家使用三维/四维工具来进行以下工作：①可视化和解释地质信息；②验证数据；③验证他们的解译和模型。三维地质填图的例子包括对面向资源评价的地下空间描述，如美国中部的含水层描述，以及作为过程模型的输入参数，如美国西部的地震。同时，USGS希望通过开发新的三维/四维工具和框架，以及通过对现有技术的提高和更有效的利用，扩大其三维/四维处理能力来监测、解译和分发自然资源信息。

加拿大地质调查局已经将三维地质填图融入了各项工作。然而，地下水研究对于三维地质填图的需求还没有从传统的地质调查上完全转变过来。盆地分析的概念是加拿大地质调查局开展三维地质填图的基础。在此框架下，工作重点放在了数据收集和了解盆地的地质历史。盆地分析在地下水研究项目中已经作为一种常见的三维研究方法。后续在GIS软件中的数据处理、插值、可视化仍然酌情根据地理和地质的复杂性、研究目标和需求而定。

英国地质调查局的三维地质模型名为LithoFrame。它代表了地质图从二维扩展到三维（表1）。LithoFrame概念的核心是不同分辨率的模型彼此对应，形成从一般的全国模型到详细的现场模型的无缝过渡。

表1 LithoFrame分辨率的主要特点

注：LithoFrame比例尺：1M为1∶100万；250为1∶25万；50为1∶5万；10为1∶1万。

法国地质调查局的三维建模主要涉及3个领域：公共服务、国际合作项目以及与许多合作伙伴和客户合作开展的科研活动：

1）公共服务：欧盟、法语国家、地区政府和城镇机关；

2）国际项目：私营公司和外国政府；

3）研究：实验室和合作大学。

法国地质调查局的三维建模活动的主要应用领域是地质调查、含水层的保护和管理、城市地质、地震风险评价、土木工程、碳捕获和存储研究、地热潜力、矿产资源开采和采后评价。

国外地质调查机构用于创建三维地质图和模型最常用的软件套件包括ArcGIS、Gocad、EarthVision、三维GeoModeller，GSI3 D、Multilayer-GDM和Isatis。这些软件中，GSI3 D、三维GeoModeller和Multilayer-GDM由地质调查机构自行开发，并根据其机构对地质填图和建模的需求进行定制。许多其他软件包也用在地质调查机构的部分建模工作流程中，其中包括GIS、统计学分析、地震深度转换、可视化和属性建模的软件。

三、资料来源

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里建立三维城市模型

用cityengine，根据你已经有了的数据，分分钟可以做完。
3.18
既然有人感兴趣我就多说几句。
1、你已内经有了DEM，那么下载一张影像图浮在DEM上可以基本上把三维地形做出来。
2、在GIS里面做好建筑基底要素数据库，其中就包括了你的建筑层高、高度等等属性。
3、看网上教程学会在cityengine里写几个简单的建筑体块规则。
4、通过拍照获取建筑立面材质、开窗、风格等，将规则赋予建筑基底就能生成了。
之所以建议使用cityengine的原因是题主作为规划出身，掌握并熟练ArcGIS挺重要的。cityengine与ArcGIS天然衔接，学习cityengine的同时也能将ArcGIS也学习了。同时cityengine的大批量建模对城市规划的建模优势很大，而3Dmax或SU与之相比的话显得精细化了，容无疑增加了工作量。

『玖』 地质体三维建模方法

在分析三维空间建模方面的国内外大量研究文献的基础上，目前主要有四种类型的建模方法：基于体的建模方法、基于面的建模方法、混合建模方法（表1-1）以及泛权建模方法。

表1-1 3D空间建模方法分类

1.基于体的建模方法

体模型基于3D空间的体元分割和真3D实体表达，体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体（Tetrahedral）、六面体（Hexahedral）、棱柱体（Prismatic）和多面体（Polyhedral）等类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。建模方法如下：

（1）规则块体（Regular Block）建模；

（2）结构实体几何（CSG）建模；

（3）3D体素（Voxel）建模；

（4）八叉树（Octree）建模；

（5）针体（Needle）建模；

（6）四面体格网（TEN）建模；

（7）金字塔（Pyramid）模型；

（8）三棱柱（Tri-Prism，TP）建模；

（9）地质细胞（Geocellular）模型；

（10）不规则块体（Irregular Block）建模；

（11）实体（Solid）建模；

（12）3D Voronoi图模型；

（13）广义三棱柱（GTP）建模。

2.基于面的建模方法

基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物（建筑物）及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的，也可能是非封闭的。基于采样点的TIN模型和基于数据内插的Grid模型通常用于非封闭表面模拟；而B-Rep模型和Wire Frame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。Section模型、Section-TIN混合模型及多层DEM模型通常用于地质建模。通过表面表示形成3D空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处由于缺少3D几何描述和内部属性记录而难以进行3D空间查询与分析。建模方法如下：

（1）TIN和Grid模型；

（2）边界表示（B-Rep）模型；

（3）线框（Wire Frame）模型；

（4）断面（Section）模型；

（5）断面-三角网混合模型；

（6）多层DEM建模。

3.混合建模方法

基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3D目标的空间轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的建模方法侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，如地层、矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3D目标的空间表示，优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。混合模型的目的则是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与不规则体元的优点，取长补短。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.泛权建模方法

陈树铭认为地质三维领域中，地矿、石油的三维分析相对来说是比较简单的，相比之下工程地质、水文地质等的三维分析更复杂，比如说在地矿、石油领域应用克里格方法基本就可以分析，但是对于工程地质、水文地质分析来说，克里格方法基本是不可行的。他认为目前主要有三类地质三维重构算法，即剖面成面法、直接点面法，以及拓扑分析方法。在综合应用概率统计、模糊、神经网络、插值、积分等理论的基础上，构造了一种新算法（他称之为“泛权”算法），其核心思想就是能对任意M维的连续、非连续边界进行重构分析，并同时能耦合地模拟各种复杂背景因素的影响。

（1）剖面成面法。剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地质剖面的基础上，再应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面，进而来表达三维体。比如国外的三维地质分析软件GEOCOM就是采取此种思路的一个典型。具体的解决步骤如下：

①收集、整理原始地质资料，并进行柱状和综合分层；

②建立地质空间多参数数据库；

③根据以上资料，应用人工交互式的地质剖面生成软件平台，加上专家的人工干预生成各种各样的空间地质剖面；

④分别根据各已计算剖面的地层分布结果，加上专家的干预、分析参数的控制来生成各个地质曲面；

⑤建立地层空间曲面构架数据库；

⑥应用地质三维展示平台，基于地层空间曲面构架数据库、地质空间多参数数据库，来进行地质三维展示，三维切割分析、方量计算等功能。

（2）直接点面法。直接点面法的基本思路是，直接将原始的散状数据进行有效的分层，直接根据各个层面的标高，应用曲面构造法（趋势面法、DEM生成技术）来生成各个层面。比如国外的三维地质分析软件ROCKWARE就是采取此种思路的一个典型。其解决步骤基本同于剖面成面法，只是没有下文第3）步，但是地层曲面生成技术相对前者来说要更难一些。

（3）拓扑分析法。拓扑分析法的基本思路就是，基于各个层面的离散点，通过分析这些点的空间拓扑关系，构造地质体。目前来说进行拓扑分析基本采用六面体、四面体模型，或者是Delaunay四面体模型等。其与剖面成面法、直接点面法，在本质上没有什么区别，还是从离散的点出发去构造地质层面。

『拾』 三维地质建模方法

自20世纪80年代以来，研究人员提出了许多三维地质模型来模拟地质体，使这方面的研究有了长足的发展。通过对国内外大量的三维地质建模方面的文献和专业软件的研究分析，三维地质建模方法大体可归纳为三类：离散点源法、剖面框架法和多源数据耦合建模法。

1.2.3.1 离散点源法

在地质找矿中，经常需要根据少量的离散点采样数据(如地质测绘或钻孔资料)来获取地质体的形状，从而为进一步指导找矿起指导性的作用。因此，研究如何实现空间散乱点数据场可视化的方法具有一定的意义。

Carlson(1987)从地质学的角度提出了地下空间结构的三维概念模型，并提出用单纯复形模型(Simplicial Complex Model)来建立地质模型。Victor(1993)、Pilout(1994)则具体应用Delaunay四面体的三维矢量数据模型研究离散点地质建模问题。Lattuada(1995)对3DDT(3 Dimensional Delaunay Triangulation)在地质领域内的应用进行了研究，表明四面体格网能很好地用于地质体的三维建模，优点包括：四面体单元易于建立索引；模型易于手工编辑；可通过相邻关系导出拓扑结构；约束三角剖分易于实现面约束；四面体非常便于可视化，同时具有较高的表达精度；易于实现搜索和关系查询等。Courrioux et al.(2001)基于Voronoi图实现了地质对象实体的自动重构。Frank et al.(2007)采用隐函数法(implicit function)表达三维曲面，对离散点集进行三维重构(reconstruction)，用来模拟断层和盐丘(salt dome)。杨钦(2001，2005)利用离散点源信息构建地层与断层结构面，依此作为约束条件约束Delaunay剖分建立三维地质模型。

钻孔数据也属于一种点源信息。它实质上是将原始的点、线数据进行有效的分层，根据各层面标高应用曲面构造法来生成各个层面或实体。围绕钻孔数据进行三维地质建模已有许多学者进行了研究，其中较早利用钻孔数据进行三维地质模拟的是加拿大学者Houlding(1994，2000)，利用钻孔孔口点位信息进行 Delaunay三角剖分，作为“主 TIN(Primary TIN)”，其他地层面则通过高程映射实现。张煜等(2001)对其建模方法进行了深入研究与发展，在垂直钻孔的理想状态下，采用三棱柱(Tri-prism，TP)数据模型建立三维地质模型，并给出了相关的剖切算法。Lemon et al.(2003)采用“地层层位法”建立三维地层模型，并采用自定义剖面(user-defined cross-sections)的方法对地质模型进行局部交互修正。吴江斌(2003)、朱合华等(2003)提出一种基于钻孔数据的二分拓扑数据结构的建模算法，尝试采用基于钻孔数据的四面体体元模型构建地下三维地质模型；四面体结构在表达复杂结构上则较灵活，但是使用四面体表示空间实体会产生大量的冗余，且生成四面体的算法比较复杂。张芳(2005)采用Delaunay三角构网技术，利用钻孔数据构建三维地层层面模型，同时引入“界面分片”思想，以适应于海量数据模型的可视化表达，但缺少对地质体属性信息的表达。在三棱柱模型的基础上，针对钻孔存在偏斜问题，类三棱柱(Analogical Tri-prism，ATP)(齐安文等，2002)、广义三棱柱(Generalized Tri-prism，GTP)(Wu，2004)方法先后被提出，用来进行三维地质建模，已被证明广泛适应于矿山、石油等深部地质问题建模；同时，似三棱柱(Similar Triprism，STP)(Gong et al.，2004)也被提出用于解决钻孔倾斜问题，如郑蔚等(2005)基于钻孔数据采用STP建立三维地质模型对地下空间进行虚拟漫游。STP与GTP本质上是相同的。基于钻孔数据建立三维地质建模，这一看似简单的数据模型方法，经历了10多年的发展历程：从初期的TP数据模型，适用于钻孔垂直成层、地层等厚的理想情况，发展到STP、GTP适用于钻孔不垂直且地层不等厚的常见情况。

1.2.3.2 剖面框架法

剖面框架法就是在收集整理原始地质勘探资料的基础上，建立分类数据库，人工交互生成大量的二维地质剖面，然后应用曲面构造法生成各层位面表达三维地质模型，或者利用体元表示法直接进行地质体建模(Chae et al.，1999)。

利用地质剖面表达研究区域三维地质现象的初级形式是序列地质剖面法(朱小弟等，2001)。序列地质剖面构模技术实质是传统地质制图方法的计算机实现，即通过平面图或剖面图来描述地质构造，记录地质信息，如图1.2所示。其特点是将3D问题2D化，在空间上采用若干平行或近似平行的地质剖面来表达研究区域的地质分布特征，但它在空间表达上是不完整的，它把剖面之间的地层或构造分布情况留给工程设计人员去“想象”。这种构模方法难以完整表达3D矿床及其内部构造。

基于剖面信息建立真三维模型具有很大的发展空间，对于复杂地质构造区域具有很好的适应性，成为当前地质建模的主要方法之一。然而，基于剖面进行三维重构得到完善发展的是在医学领域，后来迅速扩展到其他领域。在医学领域里，通过电脑断层扫描(CAT)或者核磁共振(MRI)等技术，可以获得一系列相互平行的人体切片图像，通过提取对象的边界，基于轮廓线算法，生成三维人体模型。地质剖面信息同医学切片信息一样，都是反映研究对象的某一特定断面上的构造分布，可以借助医学三维人体建模技术来构造三维地质模型。较早将医学领域的切面三维建模引入地学领域的是在考古学方面的应用(Tipper，1976，1977；Herbert et al.，1995)，主要应用在古生物的三维重构方面，而应用在三维地质建模方面的文献并不很多。

图1.2 序列地质剖面构模实例

公认的剖面三维重构的代表之作是Keppel的文章(Meyres et al.，1992；Herbert et al.，1995，2001；Xu et al.，2003；屈红刚等，2003)。在Keppel的研究基础上，Meyres(1992)将剖面建模方法分为4个子问题：对应问题(correspondence problem)、构网问题(tiling problem)、分支问题(branching problem)和光滑问题(fitting problem)：①对应问题解决相邻剖面之间的轮廓线匹配问题；②构网问题主要解决轮廓线之间的三角形构网问题，考虑满足某个准则，例如最大体积法(Keppel，1975)、最小面积法(Fuchsetal.，1977)等；③分支问题是解决同一对象在不同剖面上的组成部分的个数不同的问题；④光滑问题主要解决将初始生成的三角网进行插值，从而得到更加光滑的三角网。

屈红刚等(2003)提出基于含拓扑剖面地质建模方法来实现复杂地质的三维建模的对应问题，邓飞等(2007)则对一般意义上的剖面地质建模进行了讨论。

1.2.3.3 多源数据耦合建模法

随着计算机性能的提高，具备了对海量数据的处理能力，人们对建立的地质模型要求也不断提高，希望能够建立高精度和高复杂度的地质模型(Turner，2003，2006；Calcagno et al.，2006；Kaufmann et al.，2008)。提高模型的精度可以通过插值的方法来实现，但更好的方法是通过增加约束信息来对初始地质模型进行细化，这就涉及耦合多源数据来建立地质模型的问题。

早在1993年，Houlding提出三维地学建模概念的时候就强调地质解释信息具备对模型的修正(revision)功能。并且指出矿业工程有地质勘探数据、人工绘制数据及施工数据，还有不确定性的需要通过地质统计学进行估计的数据(Houlding，2000)，最终的地质模型需要综合考虑这些种类不同的数据。

McInerney et al.(2005a，b)认为三维地质建模只能部分上是一个数字地质采样过程，更重要的是地质学家的人工解释过程。并且尖锐地指出，不要指望一些计算机软件能够自动并成功地“建模”! 让一个有经验的地质学家输入解释性的信息进行建模，是现实和必要的；而软件只是建模过程中提供便利的一个工具(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)。其要求实际上是，地质建模不仅要考虑地质勘探所获取的确定性数据，还应加入地质工程人员对地质构造的解释性数据，这就构成多源地质建模的基本思想。

Mallet(2002)针对地质体建模的特殊性和复杂性，以点、线数据为主要数据源，建立以三角形为基本单元的三维曲面，采用离散光滑插值技术(Discrete Smooth Interploate，DSI)使曲面的粗糙度最小，并作为GOCAD的核心技术，得到了许多地球物理公司和石油公司的支持。

相比较国外以石油、矿业工程为主要应用领域的三维地质建模，钟登华等(2006)则从水利水电工程地质领域，研究多源地质数据建立坝区的三维地质模型。Wu et al.(2005)提出一种逐步细分的多源数据集成地质建模方法，考虑到地质数据大多比较稀疏和低采样率的特征，采用逐步细化的方法对初始地质模型不断修正。

地质构造的复杂性和认识的阶段性，使多源地质建模引起越来越多的研究兴趣。32届国际地质大会(International Geological Conference，IGC)于2004年在意大利佛罗伦萨召开，在“地质的复兴(The Renaissance of Geology)”(Zanchi et al.，2007)议题上，多名国际知名的地学建模专家共同提到了多源地质建模问题。其中，Zanchi et al.(2008)借助商业软件对意大利境内阿尔卑斯山(Alps)利用多源地质建模问题进行研究，并应用于滑坡稳定性分析。西方发达国家主要将地质建模应用于能源与环境领域，这是为数不多的在工程建设领域开辟蹊径的研究。无独有偶，Kaufmann et al.(2008)尝试采用多源地质建模，研究在废弃煤矿巷道内进行天然气储存问题。

总体来看，三维地质建模技术是一个从简单地层模拟到复杂地质构造模拟的发展过程。从最初基于单一数据建立简单层状三维地质模型，到综合利用多源数据建立复杂地质模型，能够反映地质构造的空间特征。