現(xiàn)有三維地質建模方法的操作過程十分煩瑣、復雜。為降低作業(yè)人員的勞動強度，并提高建模的直觀性和模型結果的準確性，提出一種基于GIS 協(xié)同AutoCAD 和Google SketchUp 的三維地質建模方法。在介紹了GIS 結合AutoCAD 和Google SketchUp 構建三維地層模型的基本原理和工作流程之后，闡述了地質數(shù)據(jù)的處理和三維地質場景的構建過程，并重點闡述了地層表面的繪制、地層三維體模型的構建和可視化關技術。最后利用C#語言基于SceneControl 組件開發(fā)了三維地層模型可視化系統(tǒng)，并對構建的地層模型進行了展示。系列實驗結果表明，該建模方法具有簡單易學、可操作性強和流程化的特點，是一種非常實用的三維地質建模方法。

1、引言

　　近年來，三維地質建模成為了地質、采礦、GIS、測繪和巖土工程等領域的研究熱點。所謂三維地質建模，就是運用現(xiàn)代空間信息理論來研究地層及其環(huán)境的信息處理、數(shù)據(jù)組織、空間建模與數(shù)字表達，并運用科學可視化技術來對其進行真三維再現(xiàn)和可視化交互的科學與技術。相對于傳統(tǒng)的二維表格和剖面圖表達地質數(shù)據(jù)，三維地質模型能夠更加直觀地展示地下巖層的形態(tài)和空間分布，可廣泛用于礦山生產、地質研究、工程應用、科普宣傳及教育等領域，因此非常有必要對其進行深入研究。在采礦、地質和巖土工程等領域，技術人員普遍采用SurPac、DataMine、GOCAD、C-Tech、MicroLynx等商業(yè)化系統(tǒng)進行建模工作。由于這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、建模和可視化操作過程都比較煩瑣和復雜，用戶需要經過長期的專業(yè)培訓才能掌握。為解決這一問題，許多研究者基于GIS 系統(tǒng)、OpenGL、IDL 和Java3D 等平臺自行開發(fā)建模系統(tǒng)，但這種方式需要編寫大量程序代碼，開發(fā)周期較長，實現(xiàn)難度大。

　　實際上，三維地質建模的全過程，包括地質數(shù)據(jù)處理、分析、建模及可視化等工作都可以基于現(xiàn)有GIS 系統(tǒng)、三維制圖軟件和建模軟件，如ArcGIS、AutoCAD 和Google SketchUp ( 以下簡稱SketchUp)來完成。目前，這3 種軟件已廣泛應用于地理信息、工程制圖和三維建模等領域，擁有龐大的用戶群。其中，ArcGIS 在二維數(shù)據(jù)處理和分析功能的基礎上，其擴展分析模塊提供強大的三維數(shù)據(jù)處理、可視化和空間分析功能，可以應用其管理地質勘探數(shù)據(jù)。而AutoCAD 具有繪圖速度快、精度高、便于修改的優(yōu)點，其提供的DWG 和DXF 格式文件可作為ArcGIS 和SketchUp 共用的圖形數(shù)據(jù)儲存文件，從而架起了二者聯(lián)系的橋梁。SketchUp 是一個直接面向設計方案創(chuàng)作的三維建模軟件，相對于其他專業(yè)、復雜的建模軟件，其突出的特點是能夠自動識別線條，并捕捉到其端點，實現(xiàn)畫線成面。此外，它還擁有大量用于輔助建模的插件，能夠彌補ArcGIS 系統(tǒng)手繪能力的不足。

　　綜上所述，運用ArcGIS 系統(tǒng)、AutoCAD 和SketchUp 軟件各自的優(yōu)勢功能，能夠利用GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能的同時，發(fā)揮三維制圖和建模軟件的手繪和編輯能力，建模工作的穩(wěn)定性和可靠性都有保證。此外，行業(yè)內用戶對這3 種軟件已非常熟悉，也有利于三維地質建模技術的推廣、普及和大眾化。因此，本文將探討如何利用ArcGIS系統(tǒng)協(xié)同AutoCAD 和SketchUp 進行三維地質建模，并對具體實現(xiàn)進行詳細闡述。

2、建模原理及工作流程

　　2.1、建模原理

　　地質體的形態(tài)可分為層狀地質體和非層狀地質體兩大類，對于層狀地質體形態(tài)的幾何表示，可以看作是由地層面、斷層面和邊界面等結構面封閉成的不規(guī)則體。

　　目前，地質建模方法主要分為表面建模法和實體建模法兩大類。其中，多層DEM 表面建模法和三柱體元實體建模法最為常用。前者通過構建地層TIN 表面，并連接這些地層TIN表面的邊界生成地層體的三維模型。后者利用三棱柱單元實體填充巖層的內部來構造地層的三維實體模型。

　　在實際建模過程中，采用的建模方法與勘測數(shù)據(jù)的空間分布形態(tài)相關，如淺震、高密度電法獲取的勘測數(shù)據(jù)通常呈線狀排列。本文采用連續(xù)剖面輪廓線表面建模法構建三維地質模型，其主要原理是: 先依據(jù)鉆孔空間數(shù)據(jù)，分別構建各地層的一系列剖面線。然后，網(wǎng)格化同一地層的相鄰剖面線產生地層表面，連接地層的邊界線形成邊界面。最后，對不同地層賦予相應的顏色材質，從而構建出三維地層模型，其主要原理如圖1 所示。

　　要實現(xiàn)ArcGIS 系統(tǒng)協(xié)同AutoCAD 和SkechUp進行建模工作，必須深入了解和掌握3 種軟件各自的特點、優(yōu)勢及其結合點，即ArcGIS 系統(tǒng)的可視化查詢和空間分析、AutoCAD 的精確制圖、SketchUp的畫線成面，將它們綜合起來用于建模的數(shù)據(jù)處理、圖形編輯和可視化流程的各個階段，才能達到準確、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 系統(tǒng)的VBA 編寫鉆孔提取程序，通過程序讀取鉆孔數(shù)表中的記錄信息，將其轉換成三維鉆孔矢量線;

　　(2) 將生成的三維鉆孔矢量線導入AutoCAD 中進行編輯生成剖面線;

圖1 地層剖面輪廓線三維地質建模示意圖

a. 地層剖面輪廓線; b. 地層剖面輪廓線三角網(wǎng);c. 賦予顏色材質的三維地層模型

　　(3) 利用SketchUp 的BZ 曲線插件、Extrude 放樣插件和模型求交功能快速生成各地層的分界面和邊界面，從而構建出三維地層體模型;

　　(4) 將構建的模型結果輸出到ArcScene 中進行可視化，同時對模型結果進行檢查和修正。

4、與其他建模方法的比較

　　三維地質建模一直是國內外研究的熱點，已經設計和開發(fā)出很多建模方法，實現(xiàn)的三維地質建模系統(tǒng)軟件也多種多樣，本文提出的基于GIS 協(xié)同AutoCAD 和SketchUp 的三維地質建模方法具有以下優(yōu)勢:

　　(1) 利用GIS 管理、處理和分析地質數(shù)據(jù)，符合多數(shù)行業(yè)用戶的工作和思維習慣，可以顯著降低建模數(shù)據(jù)前處理和分析的勞動強度。

　　(2) 使用AutoCAD 精確的三維圖形編輯功能，可以快速勾繪建模所需要的各種空間矢量線，修改容易，且文件轉換方便。

　　(3) 利用SketchUp 的快速手繪功能，并借助于其豐富的插件功能，可快速生成各巖層表面，操作簡單方便，還能夠將構建的地質模型導出到ArcGIS 系統(tǒng)，實現(xiàn)二者的協(xié)同工作。

　　(4) 綜合運用ArcGIS 系統(tǒng)、AutoCAD 制圖軟件和SketchUp 三維建模軟件，實現(xiàn)三者的協(xié)同工作，有利于實現(xiàn)模型的修正和檢查，從而顯著提高建模的準確性和可靠性。

5、結論

　　本文所述的建模方法對簡單地質條件( 不包括斷層) 的層狀地質體進行了三維建模，其主要目的是利用現(xiàn)有軟件平臺，探索出一條快速、準確的三維地質建模方法，以促進三維建模方法及其成果在地學研究、生產實踐、工程應用和科普宣傳等領域的深入推廣、應用，通過系列實驗得出以下結論:

　　(1) 由于地下空間勘測手段的不同和數(shù)據(jù)來源的多樣化，導致多數(shù)情況下建模所用數(shù)據(jù)十分零散和破碎，GIS 系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理和空間查詢功能非常適合勘察數(shù)據(jù)的前處理、集中管理和分析，這對提高建模速度和準確性都是非常必要的。

　　(2) 由于客觀世界的地質現(xiàn)象變化萬千，實現(xiàn)完全自動化建模尚存在諸多困難。實際建模工作既需自動處理，又需要手工繪制，還需要對構建的模型進行修正，才能使模型接近真實情況。由于單一軟件系統(tǒng)大都是針對某一領域開發(fā)的，很難滿足這種多重需求，因此，需協(xié)同多種軟件，發(fā)揮不同軟件的優(yōu)勢，才能提高建模的準確性和可靠性。