基于GIS协同AutoCAD和Google SketchUp的三维地质建模方法研究

　　现有三维地质建模方法的操作过程十分烦琐、复杂。为降低作业人员的劳动强度，并提高建模的直观性和模型结果的准确性，提出一种基于GIS 协同AutoCAD 和Google SketchUp 的三维地质建模方法。在介绍了GIS 结合AutoCAD 和Google SketchUp 构建三维地层模型的基本原理和工作流程之后，阐述了地质数据的处理和三维地质场景的构建过程，并重点阐述了地层表面的绘制、地层三维体模型的构建和可视化关技术。最后利用C#语言基于SceneControl 组件开发了三维地层模型可视化系统，并对构建的地层模型进行了展示。系列实验结果表明，该建模方法具有简单易学、可操作性强和流程化的特点，是一种非常实用的三维地质建模方法。

1、引言

　　近年来，三维地质建模成为了地质、采矿、GIS、测绘和岩土工程等领域的研究热点。所谓三维地质建模，就是运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化技术来对其进行真三维再现和可视化交互的科学与技术。相对于传统的二维表格和剖面图表达地质数据，三维地质模型能够更加直观地展示地下岩层的形态和空间分布，可广泛用于矿山生产、地质研究、工程应用、科普宣传及教育等领域，因此非常有必要对其进行深入研究。在采矿、地质和岩土工程等领域，技术人员普遍采用SurPac、DataMine、GOCAD、C-Tech、MicroLynx等商业化系统进行建模工作。由于这些系统的数据处理、建模和可视化操作过程都比较烦琐和复杂，用户需要经过长期的专业培训才能掌握。为解决这一问题，许多研究者基于GIS 系统、OpenGL、IDL 和Java3D 等平台自行开发建模系统，但这种方式需要编写大量程序代码，开发周期较长，实现难度大。

　　实际上，三维地质建模的全过程，包括地质数据处理、分析、建模及可视化等工作都可以基于现有GIS 系统、三维制图软件和建模软件，如ArcGIS、AutoCAD 和Google SketchUp ( 以下简称SketchUp)来完成。目前，这3 种软件已广泛应用于地理信息、工程制图和三维建模等领域，拥有庞大的用户群。其中，ArcGIS 在二维数据处理和分析功能的基础上，其扩展分析模块提供强大的三维数据处理、可视化和空间分析功能，可以应用其管理地质勘探数据。而AutoCAD 具有绘图速度快、精度高、便于修改的优点，其提供的DWG 和DXF 格式文件可作为ArcGIS 和SketchUp 共用的图形数据储存文件，从而架起了二者联系的桥梁。SketchUp 是一个直接面向设计方案创作的三维建模软件，相对于其他专业、复杂的建模软件，其突出的特点是能够自动识别线条，并捕捉到其端点，实现画线成面。此外，它还拥有大量用于辅助建模的插件，能够弥补ArcGIS 系统手绘能力的不足。

　　综上所述，运用ArcGIS 系统、AutoCAD 和SketchUp 软件各自的优势功能，能够利用GIS 系统的空间数据处理和分析功能的同时，发挥三维制图和建模软件的手绘和编辑能力，建模工作的稳定性和可靠性都有保证。此外，行业内用户对这3 种软件已非常熟悉，也有利于三维地质建模技术的推广、普及和大众化。因此，本文将探讨如何利用ArcGIS系统协同AutoCAD 和SketchUp 进行三维地质建模，并对具体实现进行详细阐述。

2、建模原理及工作流程

　　2.1、建模原理

　　地质体的形态可分为层状地质体和非层状地质体两大类，对于层状地质体形态的几何表示，可以看作是由地层面、断层面和边界面等结构面封闭成的不规则体。

　　目前，地质建模方法主要分为表面建模法和实体建模法两大类。其中，多层DEM 表面建模法和三柱体元实体建模法最为常用。前者通过构建地层TIN 表面，并连接这些地层TIN表面的边界生成地层体的三维模型。后者利用三棱柱单元实体填充岩层的内部来构造地层的三维实体模型。

　　在实际建模过程中，采用的建模方法与勘测数据的空间分布形态相关，如浅震、高密度电法获取的勘测数据通常呈线状排列。本文采用连续剖面轮廓线表面建模法构建三维地质模型，其主要原理是: 先依据钻孔空间数据，分别构建各地层的一系列剖面线。然后，网格化同一地层的相邻剖面线产生地层表面，连接地层的边界线形成边界面。最后，对不同地层赋予相应的颜色材质，从而构建出三维地层模型，其主要原理如图1 所示。

　　要实现ArcGIS 系统协同AutoCAD 和SkechUp进行建模工作，必须深入了解和掌握3 种软件各自的特点、优势及其结合点，即ArcGIS 系统的可视化查询和空间分析、AutoCAD 的精确制图、SketchUp的画线成面，将它们综合起来用于建模的数据处理、图形编辑和可视化流程的各个阶段，才能达到准确、高效建模的目的。

　　2.2、工作流程

　　主要工作流程包括:

　　(1) 利用ArcGIS 系统的VBA 编写钻孔提取程序，通过程序读取钻孔数表中的记录信息，将其转换成三维钻孔矢量线;

　　(2) 将生成的三维钻孔矢量线导入AutoCAD 中进行编辑生成剖面线;

图1 地层剖面轮廓线三维地质建模示意图

a. 地层剖面轮廓线; b. 地层剖面轮廓线三角网;c. 赋予颜色材质的三维地层模型

　　(3) 利用SketchUp 的BZ 曲线插件、Extrude 放样插件和模型求交功能快速生成各地层的分界面和边界面，从而构建出三维地层体模型;

　　(4) 将构建的模型结果输出到ArcScene 中进行可视化，同时对模型结果进行检查和修正。

4、与其他建模方法的比较

　　三维地质建模一直是国内外研究的热点，已经设计和开发出很多建模方法，实现的三维地质建模系统软件也多种多样，本文提出的基于GIS 协同AutoCAD 和SketchUp 的三维地质建模方法具有以下优势:

　　(1) 利用GIS 管理、处理和分析地质数据，符合多数行业用户的工作和思维习惯，可以显著降低建模数据前处理和分析的劳动强度。

　　(2) 使用AutoCAD 精确的三维图形编辑功能，可以快速勾绘建模所需要的各种空间矢量线，修改容易，且文件转换方便。

　　(3) 利用SketchUp 的快速手绘功能，并借助于其丰富的插件功能，可快速生成各岩层表面，操作简单方便，还能够将构建的地质模型导出到ArcGIS 系统，实现二者的协同工作。

　　(4) 综合运用ArcGIS 系统、AutoCAD 制图软件和SketchUp 三维建模软件，实现三者的协同工作，有利于实现模型的修正和检查，从而显著提高建模的准确性和可靠性。

5、结论

　　本文所述的建模方法对简单地质条件( 不包括断层) 的层状地质体进行了三维建模，其主要目的是利用现有软件平台，探索出一条快速、准确的三维地质建模方法，以促进三维建模方法及其成果在地学研究、生产实践、工程应用和科普宣传等领域的深入推广、应用，通过系列实验得出以下结论:

　　(1) 由于地下空间勘测手段的不同和数据来源的多样化，导致多数情况下建模所用数据十分零散和破碎，GIS 系统强大的数据处理和空间查询功能非常适合勘察数据的前处理、集中管理和分析，这对提高建模速度和准确性都是非常必要的。

　　(2) 由于客观世界的地质现象变化万千，实现完全自动化建模尚存在诸多困难。实际建模工作既需自动处理，又需要手工绘制，还需要对构建的模型进行修正，才能使模型接近真实情况。由于单一软件系统大都是针对某一领域开发的，很难满足这种多重需求，因此，需协同多种软件，发挥不同软件的优势，才能提高建模的准确性和可靠性。