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城市地质信息三维可视化研究
一、引言
随着城市建设的不断深入，各种改建扩建工程此起彼伏，但人们往往忽视了地质问题。在不同的地质带上进行的工程会不同程度地受到各种地质灾害的威胁。因此，在掌握和管理各种地表信息的基础上，对地下各类信息的采集与管理尤为重要。对灾害地质体的正确识别以及对各种潜在的地质灾害的有效预防将有助于城市的建设和发展，减少地质灾害过程中的生命财产损失。这些都需要借助三维可视化技术、数据库技术以及地理信息系统的相关技术。建立一个真三维的地质信息可视化与管理系统，能为城市建设、发展和管理提供基于三维地质数据的信息服务；便于城市管理人员有效地管理和监控城市地质资源；辅助研究城市的地质构造。
二、现状分析
当前，在三维可视化地质软件中比较专业的软件有加拿大Gemcom公司的Gemcom、澳大利亚Surpa国际软件公司的Surpac、Intergraph公司的GeoVoxel等。这些软件的三维可视化功能较强，在油田勘探、石油开采等领域得到了颇有成效的应用。但他们在费用、硬件要求、图形环境和文件支持方面不完全符合我国工程地质的实际情况。与此同时，国内一些大学与科研机构通过对国外先进软件的二次开发或自主研发，来满足我国空间地质信息的三维可视化需求，但始终没有形成一个标准化、商业化的产品。
三维可视化模型的建立是为了在计算机上展现虚拟三维场景，它是3DGIS研究的重点。可以重现地质构造的三维地层分布形态，为工程技术人员提供准确、直观的地质构造模型，用于分析、量算工作而设计。3D数据模型主要有三维几何数据模型和三维拓扑数据模型两种。考虑到其适用性，本文侧重研究第一类模型。
吴立新和史文中提出在不区分准3D和真3D的前提下，根据3D空间模型对地学空间目标进行几何刻画的方式，将三维几何数据模型分为面元模型和体元模型。其中，面元模型采用表面描述方式对3D空间对象的表面进行连续或非连续的几何描述和特征刻画，不研究3D空间对象的内部特征，适合建立物体表面模型。
体元模型采用空间剖分方式对3D空间对象的内部空间进行无缝完整的空间剖分，不仅描述3D空间对象的表面几何，还研究其内部特征。对比这两种数据模型，根据它们的特点并结合系统的实现目标，才能最终确定系统所采用的数据模型。下表列出的是(如表1所示)三维空间数据模型在一定的条件下产生的合理性和缺陷。
三维空间数据模型优点缺点
面元模型方便地实现地层可视化和模型更新不是真3D不描述3D拓扑关系无法进行开采开挖设计难以描述实体的内部信息难以进行3D空间查询与空间分析
体元模型
规则体元模型真3D模型更新也比较方便难以适应复杂地质体建模非规则体元模型真3D可以适应复杂地质体建模模型更新比较困难
三、城市地质信息三维可视化
首先，由于客观世界的地质现象存在着一定的复杂性，且地层具有层状展铺的特性，有些地层存在交叉，层与层之间是紧密的相邻关系。对构建三维地层模型而言，要考虑不同地质属性的地层结构分布，如果利用面元模型表达不同地层，会导致对地层模型操作的复杂化，特别是在任意切割剖面时，将会遇到更复杂的情况而导致该操作无法进行。是不可取的方法。
其次，通过对模型特点的分析可知，非规则体元模型可以解决实际应用操作与分析问题，适用于工程地质领域，且可操作性强，数据组织严密，推理过程规范明了，易于编程实现，可用于工程地质领域3DGIS系统的空间建模。
最后，在构造地层三维模型时，体元可以是各种多面体，常用的有四面体、棱柱体和六面体。四面体体元可以构造非常复杂的地层结构，但四面体数据组织困难，数据冗余量大，对计算机的速度和内存要求较高。棱柱体和六面体结构体元都可以很好地建立地层模型。本模型采用非规则六面体元进行构造。如图1所示。
其中，点Tx(x=1，2，3，4)构成了体元模型的上表面，而点Bx则构成了体元模型的下表面。其余四个表面分别为体元模型的前、后、左、右面。图1中给出的是标准的数据模型，即非规则体元模型的特例
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