组件式三维地质建模系统研究

颜玫 ，明镜

(1.重庆市勘测院，重庆 400020; 2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆 400020;3.重庆数字城市科技有限公司，重庆 400020; 4.重庆市地理信息云服务企业工程技术研究中心，重庆 400020)

1 前 言

GIS 的不断发展使其在空间信息各相关研究领域得到了广泛的应用。GIS 引入地质研究中，极大地推动了计算机技术和空间信息技术在地质中的应用，客观上带动了地质学信息化的发展，使得三维地质建模成为当前的一个研究热点［1－5］。

三维地质建模是根据钻孔、剖面、地质图等各种原始数据建立地下地质体数字化模型的过程，旨在揭示其地质构造形态和构造关系、反映地质体内部属性变化规律，广泛地应用于城市地质、岩土工程、石油开发等多个领域。三维地质建模的结果，以真三维的形式为用户展示了虚拟的现实地质环境，加深了用户对地质情况的理解。基于模型的数值模拟和空间分析结果，能够更好地辅助用户进行科学决策，以规避可能的风险。

现实中，各生产和研究单位不仅需要能够反映实际地质规律的三维地质模型，对于物美价廉的三维地质建模软件的需求亦愈发强烈。

COM(Component Object Model)即组件对象模型，是一种跨应用和语言共享二进制代码的方法［6］，采用组件式技术进行GIS 研发已成为当前主流趋势［7～9］。基于COM 技术开发三维地质建模软件，将系统划分成为相对独立的功能模块，能够极大地方便功能的相互调用、系统的并行开发、跨语言的系统集成，使得三维地质建模软件系统的设计与开发效率达到最优。

本文设计一种基于COM 技术的组件式三维地质建模系统的设计方案，详述了研发实践中三维地质建模系统的结构与功能，并利用三维地质建模实例对已研发软件系统的功能与运行效率进行了测试。

2 系统设计

三维地质建模系统是一个专业性较强的软件系统，不仅需要对建模原始数据进行组织和管理，还需要结合地质学、数学、计算机图形学等知识进行各种建模工具和功能的开发以及建模流程的组织，因此该系统具有一定的综合性，需在系统设计基础上有效组织系统功能模块，指导原型系统开发。

系统的主要模块及逻辑层次设计如图1所示。

图1 系统模块

2.1 数据转换导入

多种来源多种格式的建模原始数据，需经过数据转换导入模块进入到系统中。通过数据转换接口，将多源数据整合转化为系统中的点、线、不规则三角网(TIN)面、钻孔、含拓扑剖面等数据对象。

2.2 二维图件生成及管理

在三维地质建模系统中，需要提供对二维平面图和二维剖面图的生成及管理功能，以此提供对原始建模数据的进一步加工功能和对三维建模的数据支持。二维图件生成及管理模块主要包括对二维地质图、等值线图和二维剖面图的生成、编辑等功能，也包括二维数据向三维的转化导出等功能。

2.3 数据组织管理

进入系统内的各种类型数据，数据组织管理模块将对它们进行有效的组织管理，以方便系统其他模块对数据的访问和存储。本系统数据组织管理将按照“数据源→数据集→数据对象”的逻辑层级进行管理。

2.4 三维地质建模

三维地质建模模块是该系统的重要模块，主要专注于从系统中各种低维数据对象(点、线、TIN 面、钻孔、含拓扑剖面等)生成反映地质实际的三维模型。本系统建模总体框架设计中整合集成了三大类地质建模方法:基于钻孔数据的三维地质建模［10］、基于网状含拓扑剖面的三维地质建模［11］以及基于多源数据的一般建模方法。因此，该模块又向下分为钻孔建模子模块、剖面建模子模块、多源数据一般建模子模块、工程体建模子模块、多模型融合子模块等。其中，钻孔建模子模块实现了基于钻孔的三维地质模型快速构建方法［10］;剖面建模子模块能够利用相互交叉形成网状的含拓扑剖面进行三维地质模型的构建［11］;多源数据一般建模子模块利用钻孔、剖面、地质图、等值线图等多种来源的地质数据，采用人机交互的方式构建地质界面及三维地质体;工程体建模子模块用于构建桩基、隧道、基坑等较为规则的工程体。利用多种方法构建的三维地质模型，还需利用多模型融合子模块，基于体布尔操作等方式，实现多模型间的融合，保证模型之间没有空隙和交叠。

2.5 三维模型可视化

可视化是对模型的三维直观展示，以图形的方式来反馈建模结果。该模块基于OpenGL 实现各种可视化渲染和三维交互功能。

2.6 模型空间分析

模型空间分析模块是在三维模型的基础上，对模型进行几何或可视化切割以分析模型内部结构，主要包括剖面切割、隧道开挖、虚拟钻探、体积量算等分析功能。

2.7 模型转换导出

三维地质模型还可以通过体元剖分和三维空间属性插值转化为三维地质属性模型，以方便对地质变量的空间变化做深入研究。通过模型转换导出，还可将地质模型转化为有限元网格，为工程的有限元分析和数值模拟提供数据支持。导出的有限元网格为FLAC3D 文本文件格式，不仅可以导入到FLAC3D 软件中，还可利用数据格式转换工具，方便地转换为ANSYS、MIDAS 等常用有限元计算软件能够直接利用的数据格式。

3 系统架构

以GeoBase 地质信息系统平台为基础，进行若干与三维地质建模相关功能插件的二次开发，建立了一个专业的三维地质建模原型系统V3DModel(如图2所示)，系统体系结构图如图3所示。

图2 V3DModel 系统界面

图3 系统体系结构图

3.1 GeoBase 地质信息系统平台

GeoBase 地质信息系统平台是一个基于COM 技术开发的基础平台，它基于PC 机运行于Microsoft Windows 操作系统上，其中实现了最基本的插件管理、数据组织与管理、二维和三维视图管理等功能。

GeoBase 是具有自主知识产权的基础平台。基于GeoBase，可通过组件式开发有效整合各模块功能，集成多种针对不同实际地质情况研发的建模方法，切实降低开发难度、提高研发效率，同时保证系统具有良好的扩展性，故选取其作为三维地质建模开发的基础平台。

GeoBase 平台分为两个功能层次，其底层包含基础平台和基础组件，上层包含3 个系统插件。

其中，底层的基础平台是整个系统的运行时环境，实现了系统的主界面，暴露了工具栏、菜单、按钮项、工具视图、主视图的扩展点，使其他插件可以通过二次开发丰富界面功能;系统主界面基于MFC(Microsoft 基础类库)实现，由主窗口、工具栏、工具视图和主视图组成。基础平台还实现了插件的管理功能，以管理、执行系统的所有插件(功能模块)，包括经过注册新加入到系统中的插件。底层的基础组件实现了基本的地质数据模型、空间数据库存取、三维场景和二维地图等基本功能，是构造上层应用的基础工作。

在基础平台和基础组件之上，实现了平台的基础应用功能模块，包括工作空间、三维场景视图和二维地图视图3个系统插件。其中，工作空间插件是应用系统组织管理数据的顶层结构，实现了空间数据和显示数据的组织管理;空间数据组织管理方面，工作空间插件按照“数据源→数据集→数据对象”这一从上到下的层次关系实现了对所有空间数据的有效管理，方便了系统其他插件对空间数据的读取和存放;显示数据组织管理方面，工作空间插件对三维场景和二维地图的各个图层以及图层中所引用的空间数据进行了组织和管理。三维场景视图和二维地图视图插件均为扩展界面框架主视图的插件，分别用于显示三维场景和二维地图。

3.2 建模应用插件

为了实现V3DModel 三维地质建模系统的各个功能模块，在GeoBase 平台上开发了若干应用插件，主要包括数据转换导入、二维图件生成及管理、三维场景交互、三维地质建模、模型空间分析及模型转换导出插件。

三维地质建模插件组主要包括钻孔解译及自动建模、平行剖面建模、网状剖面建模、空间对象转化创建、添加约束及离散光滑插值(DSI)、TIN 面编辑等插件，包含了绝大部分三维地质建模功能。其中，空间对象转化创建、添加约束及DSI 插值、TIN 面编辑这3 个插件共同实现了基于多源数据的一般建模方法。由于建模过程中经常需要用到三维场景中的交互，三维地质建模插件组依赖于三维场景交互插件。

4 系统功能

系统已有主要功能如图4所示。

开展实际建模时，用于建模的原始数据类型多样，其刻画的地质情况的复杂程度是不同的。同时，三维地质建模系统是一个专业性较强的软件系统，应有效结合多种建模方法。建模时，需要根据原始数据的实际情况，选择合适的建模方法，才可能最快速地建立相应复杂程度的地质模型，以求最大限度减少用户交互，提高建模效率。

本文系统通过组件式开发，有效结合了钻孔建模、平行剖面建模、网状剖面建模等自动化程度较高的建模方法，可快速实现模型建立。同时，若待建模型的地质情况特别复杂，该系统还通过“空间对象转化创建”、“约束及DSI 插值”、“TIN 编辑”等插件组，实现了基于多源数据通用建模方法。该方法以三维空间曲面为核心，围绕TIN 面的创建、编辑、约束、插值、形变、交切、拼合，能够以人机交互的方式建立复杂的三维地质模型。因此，该系统兼具自动化及交互式建模方法，既能保证简单模型的快速建立，又能实现复杂模型的交互式创建，系统具有较高的实用性。

未来研究形成的新建模方法和新功能，可通过开发新组件的方式，方便快捷地添加到现有系统中，实现三维地质建模方法的深入与扩展。

5 应用实验

V3DModel 在北京等城市地质调查项目中的多个三维地质模型构建课题中得到了实际应用。系统利用“基于含拓扑网状剖面的三维地质建模方法”，成功地建立起了北京市的工程层、新生界和基岩地质这三大类三维地质模型［10］。图5(a)展示了模型的全貌，顶面的第四系地层模型上贴有该地区的真实遥感图像。为了更好地展示模型的内部结构，切割模型形成的栅栏图与断层叠加显示见图5(b)。图5(c)和图5(d)是对模型进行隧道虚拟开挖的效果。通过沿虚拟隧道可视化漫游的方式，用户将更好地观察模型的内部情况。主城区基岩地质结构模型的成功建立，证明该系统可以针对含有相交复杂断层的区域进行三维地质模型构建。

实际应用实验的结果表明，该系统有效地结合了各种建模方法，兼具了快捷简单建模和交互式复杂建模，同时，系统能够利用多种来源的原始数据，能够针对复杂地质情况进行建模，因此，该系统具有较强建模能力和很高实用价值，本文提出的系统设计与开发策略是正确可行的。

图4 系统主要功能

图5 北京主城区基岩地质结构模型

6 结 语

本文基于COM 技术进行了三维地质建模系统设计与研发，在系统设计的基础上，不仅讨论了系统模块的划分以及模块间的逻辑层次，还阐述了系统体系结构，并简要介绍了系统的主要功能。若干三维地质建模实例的建立，证明了V3DModel 三维地质建模系统的成功，同时也证明了利用COM 技术完成如此专业性较强软件系统的功能模块设计与高效并行开发是合理且明智的。采用组件式的系统开发策略，降低了系统模块之间的耦合度，方便了系统的集成和功能扩展，提高了系统的开发效率，降低了系统的研发成本，对于三维地质建模方法的理论研究以及三维地质建模软件系统的研发也具有重要的积极意义，必将极大地促进三维地质建模的研究。

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