Geo3DML在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用研究與建議

李青元， 馬梓翔， 崔　揚(yáng)， 陳春梅， 董前林

(1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100830； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000)

Geo3DML在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用研究與建議

李青元1， 馬梓翔2， 崔揚(yáng)3， 陳春梅2， 董前林2

(1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100830； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000)

摘要：由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織研制的《三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式》已制定完畢，并進(jìn)行了一定范圍的試用，即將發(fā)布實(shí)施，這是中國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探以及數(shù)字礦山界的一件大事，它將促進(jìn)三維地質(zhì)建模技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用。通過(guò)研究與試用，闡述了對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的理解；給出其在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用實(shí)例，包括三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)項(xiàng)目、礦產(chǎn)資源勘探項(xiàng)目；討論了該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與數(shù)字礦山常用的DXF轉(zhuǎn)換的必要性與具體實(shí)現(xiàn)方法。將該標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際地球科學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGS)及開(kāi)放地理信息聯(lián)盟(OGC)制定的GeoSciML進(jìn)行比較，指出Geo3DML是面向三維地質(zhì)模型的表達(dá)，而GeoSciML以前的版本則側(cè)重于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下傳統(tǒng)的二維地質(zhì)圖件的地圖服務(wù)與要素服務(wù)。最后對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用實(shí)施提出了8點(diǎn)建議：給Geo3DML以應(yīng)用機(jī)會(huì)，將Geo3DML升級(jí)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)Geo3DML補(bǔ)充一些細(xì)節(jié)，向相關(guān)行業(yè)宣傳Geo3DML，在地質(zhì)調(diào)查與礦山資源勘探項(xiàng)目中積極使用Geo3DML，將Geo3DML作為地質(zhì)報(bào)告評(píng)審中三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)格式，三維地質(zhì)建模軟件廠商積極支持Geo3DML，數(shù)字礦山軟件與Geo3DML接軌。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模；數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)；三維地質(zhì)填圖；礦產(chǎn)資源勘探；數(shù)字礦山

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.358

中圖分類號(hào)：P628+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2015)03-0358-09

收稿日期：2015-06-11；修回日期：2015-07-07；編輯：侯鵬飛

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272367)，國(guó)土資源部地質(zhì)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(201407)

作者簡(jiǎn)介：李青元(1958—)，男，研究員，博士，主要從事三維地質(zhì)建模軟件與應(yīng)用研究工作，E-mail: liqy@casm.ac.cn

0引言

三維地質(zhì)填圖、中國(guó)“玻璃地球”建設(shè)是中國(guó)地質(zhì)工作發(fā)展、提升的重大舉措。而三維地質(zhì)建模被認(rèn)為是三維地質(zhì)填圖與“玻璃地球”建設(shè)的支撐技術(shù)(張立等,2011；楊炳忻,2014；郁軍建等,2015 )。三維地質(zhì)建模將會(huì)成為地質(zhì)工作中不可或缺的一環(huán)，三維技術(shù)將滲透到地質(zhì)工作的各個(gè)方面(劉榮梅等，2013)。

三維地質(zhì)建模是一項(xiàng)涉及眾多行業(yè)與應(yīng)用的通用技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的三維地質(zhì)建模軟件經(jīng)過(guò)幾十年的積累與發(fā)展，雖然還存在很多不足有待改進(jìn)與提高，但已基本成熟、可用(李章林等，2011；李青元等,2013；趙增玉等，2013a，2013b)。三維地質(zhì)建模技術(shù)推廣使用的硬件、軟件環(huán)境已基本具備。

三維地質(zhì)建模是一項(xiàng)專業(yè)性強(qiáng)、復(fù)雜度高的工作，專業(yè)模型之間的差異性較大，不同建模方法與建模軟件具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因而同一機(jī)構(gòu)或同一工作需要使用多種建模工具，不同軟件所建的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)難以交換與共享(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，2014)。要將三維地質(zhì)建模作為地質(zhì)勘探工作的必選項(xiàng)目，其成果的可交換、可復(fù)用是先決條件，因此三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的可交換便成為三維地質(zhì)建模技術(shù)大面積應(yīng)用推廣的技術(shù)瓶頸之一。

Geo3DML (Three Dimensional Geological Model Markup Language，三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式)已經(jīng)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了試用，這將有效解決我國(guó)三維地質(zhì)建模技術(shù)領(lǐng)域缺乏公共數(shù)據(jù)交換規(guī)范的問(wèn)題，對(duì)我國(guó)三維地質(zhì)建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用起到巨大促進(jìn)作用(屈紅剛等，2014)。

筆者通過(guò)對(duì)Geo3DML的學(xué)習(xí)、研究與試用，并將Geo3DML與IUGS-OGC制定的GeoSciML進(jìn)行比較，最后對(duì)Geo3DML進(jìn)一步修改完善與實(shí)施執(zhí)行提出8點(diǎn)建議。

1Geo3DML概況

Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)研制歷時(shí)4年多，該標(biāo)準(zhǔn)遵循OGC(開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟)與ISO/TC211(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息工作組)制定的地理信息標(biāo)記語(yǔ)言GML的總體架構(gòu)與語(yǔ)法規(guī)則，參考OGC的符號(hào)編碼規(guī)范SE、樣式化圖層描述規(guī)范SLD、地理信息城市標(biāo)記語(yǔ)言CityGML、W3C制定的可擴(kuò)展三維語(yǔ)言X3D、以及國(guó)際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGS)與OGC聯(lián)合制定的GeoSciML。Geo3DML將所需要交換的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)分為地質(zhì)模型(GeoModel)與地質(zhì)圖(Geo3DMap)2個(gè)部分。

1.1　地質(zhì)模型(GeoModel)

地質(zhì)模型(GeoModel)存儲(chǔ)地質(zhì)現(xiàn)象及現(xiàn)象之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，具體分為地質(zhì)要素類(GeoFeatureClass)、要素關(guān)系(FeatureRelationship)以及地質(zhì)模型元數(shù)據(jù)(GeoModelMetadata)3部分，其中，Geo-FeatureClass是地質(zhì)要素(GeoFeature)的集合。GeoFeature分為幾何數(shù)據(jù)(Geometry)與非幾何數(shù)據(jù)(Feild)，Geometry數(shù)據(jù)又分為形態(tài)(Shape)數(shù)據(jù)以及與形態(tài)的幾何對(duì)象相關(guān)聯(lián)的屬性場(chǎng)(ShapeProperty)數(shù)據(jù)，Shape數(shù)據(jù)包括GML所定義的抽象幾何(AbstractGeometry)、抽象覆蓋(AbstractCoverage)以及Geo3DML所擴(kuò)展的不規(guī)則三角網(wǎng)(GeoTIN)、由四面體體元(GeoTetrahedron)或規(guī)則六面體體元(GeoCuboidVolume)以及交點(diǎn)網(wǎng)格(GeoCornerPointGrid)構(gòu)成的體(GeoVolume)。其中，GeoTIN是對(duì)AbstractGeometry中的曲面(Surface)的擴(kuò)展，而GeoTetrahedron、GeoCuboidVolume、GeoCornerPointGrid是對(duì)AbstractGeometry的體(Solid)的擴(kuò)展。

Abstract另外，GML的Geometry定義有三維的點(diǎn)(Point)、曲線(Curve)、曲面(Surface)與體(Solid)。 A data conversion format (Geo3DML) of three-dimensional modeling developed by the China Geological Survey has been finished and tried out in a certain range, and will be published and implemented. It is a major issue in China′s regional geological survey, mineral resources exploration and digital mining industry, which will promote the wide application of 3D geological modeling in China. This paper presents our understanding of this standard based on the studying and trialing experience, and lists some application cases in 3D geological modeling, including examples of 3D geological mapping and mineral resources exploration. We also discussed the necessity of data conversion from the standard data to the DXF format and the method. The paper compares Geo3DML with GeoSciML compiled by IUGS and OGC. It is proposed that Geo3DML aims at the expression of 3D geological modeling, while the previous version of GeoSciML is focused in web map service (WMS) and web feature service (WFS) of traditional 2D geological maps. A total of eight suggestions about the standard application and implementation were put forward, including: (1) to give opportunity of the Geo3DML application; (2) to promote Geo3DML to national standard;(3) to supply details to Geo3DM; (4) to publicize Geo3DML to relevant industry; (5) to make active use Geo3DML in geology survey and mineral exploration projects;(6) to use Geo3DML as data format of 3D model in geology report review;(7) to win support of Geo3DML from 3D geological modeling software makers; and (8) to incorporate digital mime software with Geo3DML.

Geo3DML定義了GeoFeatureRelation用來(lái)描述地質(zhì)要素之間的相互關(guān)系。又細(xì)分為Geologic-History(描述要素間地質(zhì)年代生成的早于、同期、晚于關(guān)系)、DefiningStructure(描述地質(zhì)要素間的構(gòu)造接觸關(guān)系，如“不整合關(guān)系”中源要素是“上覆地層”，則目標(biāo)要素是“下伏地層”)、AggregationRelation(描述源要素由若干目標(biāo)要素聚合而成)、BoundaryRelation(描述源要素的邊界是目標(biāo)要素包圍而成)。

1.2　地質(zhì)圖(Geo3DMap)

地質(zhì)圖(Geo3DMap)存儲(chǔ)了地質(zhì)模型的三維可視化相關(guān)的數(shù)據(jù)。Geo3DMap是圖層(Geo3DLayer)的集合，Geo3DLayer是用地質(zhì)三維樣式(Geo3DStyle)對(duì)地質(zhì)模型中的地質(zhì)要素類進(jìn)行可視化的表達(dá)，即1個(gè)圖層服務(wù)于1個(gè)地質(zhì)要素的三維可視化，多個(gè)圖層的可視化結(jié)果組合起來(lái)形成三維地質(zhì)圖。

地質(zhì)圖(Geo3DMap)、圖層(Geo3DLayer)與樣式(Geo3DStyle)記錄地質(zhì)模型、地質(zhì)要素類與要素對(duì)應(yīng)的三維可視化數(shù)據(jù)，并且以圖層為基礎(chǔ)構(gòu)建可視化場(chǎng)景。

上述2個(gè)部分結(jié)合起來(lái)一同構(gòu)成被交換數(shù)據(jù)的整體，稱為三維數(shù)據(jù)包(Geo3DProject)，其中Geo3DML::Geo3DProject是被交換數(shù)據(jù)XML文件中的根元素(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，2014a,2014b)，其結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織層次關(guān)系如圖1所示。

圖1　Geo3DProject的構(gòu)成Fig.1　Geo3DProject structure

2Geo3DML的生成與讀取

可以直接使用由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心(2014)提供的Geo3DML SDK進(jìn)行符合Geo3DML 標(biāo)準(zhǔn)的XML文件讀取和輸出。用該SDK可以將自有的三維地質(zhì)建模軟件的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為該SDK所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后保存為符合Geo3DML 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，可以用該SDK讀取符合Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)的模型數(shù)據(jù)，并將SDK所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為各三維地質(zhì)建模軟件自有的數(shù)據(jù)類型。此外，使用該SDK可以不需要了解Geo3DML 標(biāo)準(zhǔn)中XML文件的具體編碼方法。

2.1　標(biāo)準(zhǔn)的輸出

模型數(shù)據(jù)的輸出，首先創(chuàng)建工程，之后根據(jù)Geo3DML的數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)依次進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的輸出，Geo3DML的數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　Geo3DML數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)Fig.2　Hierarchy of Geo3DML data organization

2.2　標(biāo)準(zhǔn)的讀取

模型的數(shù)據(jù)讀取有DOM與SAX 2種接口，2種方法均包含二進(jìn)制與文本文件的讀取類型，讀取方法需首先創(chuàng)建Geo3DProject工程，選擇DOM接口或SAX接口的方式打開(kāi)文件，之后再根據(jù)特定的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建工程與接口的方式如下：

gmml::Geo3DProject* pProject=new gmml::Geo3DProject;

//創(chuàng)建工程

(1) DOM接口的創(chuàng)建方式：

Geo3DProjectXMLReader proj_reader;

proj_reader.ReadFile (pathFileName, "");

pGeo3DProj =

(gmml::Geo3DProject*)proj_reader.GetGeoProject();

(2) SAX接口的創(chuàng)建方式：

ReadGeo3DProject (pProject, pathFileName);

3Geo3DML的試用

3.1　Geo3DML試用概況

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)、北京網(wǎng)格天地軟件技術(shù)有限公司(北京航空航天大學(xué))、北京超維創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司(北京大學(xué))、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所等幾家標(biāo)準(zhǔn)制定廠家單位以及中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司、首鋼地質(zhì)勘查院等單位參與了標(biāo)準(zhǔn)的試用，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)研發(fā)了讀、寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)所用的SDK以及用三維圖形界面展示符合Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)的模型數(shù)據(jù)的三維瀏覽工具(Geo3DML Viewer)。試用單位分別提供了2～3個(gè)用各自軟件所構(gòu)建的三維地質(zhì)模型并轉(zhuǎn)換為Geo3DML數(shù)據(jù)，然后各試用單位對(duì)其他單位所提供的Geo3DML數(shù)據(jù)進(jìn)行互轉(zhuǎn)。這是國(guó)內(nèi)不同三維地質(zhì)建模軟件首次通過(guò)Geo3DML實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的互轉(zhuǎn)。雖然幾家參加試用單位的建模軟件在功能、方法上有所差異，但基本實(shí)現(xiàn)了三維模型的骨干數(shù)據(jù)(包括地層界面、斷層面、地層體、鉆孔數(shù)據(jù))的幾何表達(dá)(點(diǎn)、線、面、體)以及屬性場(chǎng)與可視化表達(dá)參數(shù)(顏色)的相互轉(zhuǎn)換，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

3.2　Geo3DML表達(dá)三維地質(zhì)填圖成果

2011年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了15個(gè)三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)項(xiàng)目。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)提供了用MapGIS構(gòu)建的三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)之一的三維模型的脫密數(shù)據(jù)。該模型輸出成Geo3DML格式后，在Geo3DML Viewer、QauntyMine(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢))、3DMine(北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司)、Creator(北京超維創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司)、3DGrid(北京網(wǎng)格天地軟件技術(shù)有限公司)、G3DA(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院)軟件中都能很好地顯示(圖3、圖4、圖5、圖6)。

圖3　三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)1模型在MapGIS中的顯示圖(據(jù)花衛(wèi)華)Fig.3　Display of model in MapGIS for 3D 　　geological mapping test area 1 (after Hua)

圖4　三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)1模型在Geo3DML Viewer中的顯示圖(據(jù)花衛(wèi)華)Fig.4　Display of model in Geo3DML Viewer for 3D geological mapping test area 1(after Hua)

圖5　三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)1模型在QuantyMine中的顯示圖(據(jù)何珍文等)Fig.5　Display of model in QuantyMine for 3D geological mapping test area 1(after He et al)

圖6　三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)1模型在G3DA中的顯示圖Fig.6　Display of model in G3DA for 3D geological mapping test area 1

三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)2脫密的三維地質(zhì)模型用QuantyMine構(gòu)建(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢))，轉(zhuǎn)換成Geo3DML格式后，在Geo3DML Viewer、3DMine、Creator、3DGrid、G3DA中都能很好地顯示。在G3DA中的顯示效果如圖7。

圖7　三維地質(zhì)填圖試點(diǎn)區(qū)2模型通過(guò)Geo3DML在G3DA中的顯示圖(據(jù)何珍文等)Fig.7　Display of model in Geo3DML for 3D geological mapping test area 2(after He et al)

3.3　Geo3DML表達(dá)礦產(chǎn)資源勘探成果

礦產(chǎn)資源勘探是地質(zhì)工作的重要組成部分，是區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果的后續(xù)用戶。本次研究試用單位北京網(wǎng)格天地軟件技術(shù)有限公司提供了用3DGrid構(gòu)建的某油田的三維模型的脫密數(shù)據(jù)(圖8、圖9)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)何珍文、劉琳提供了用QuantyMine構(gòu)建的某露天礦脫密的三維地質(zhì)模型(圖10)，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院提供了某煤田勘探區(qū)的脫密三維模型數(shù)據(jù)(圖11)。這些數(shù)據(jù)所表達(dá)的三維地質(zhì)模型也都通過(guò)Geo3DML在參加試用的幾家軟件中得到了很好的復(fù)現(xiàn)，說(shuō)明Geo3DML在礦產(chǎn)資源勘探領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8　用3DGrid構(gòu)建的某油田三維模型在Geo3DML Viewer中的顯示圖Fig.8　Display of 3D model established by 3DGrid for an oil field in Geo3DML Viewer

圖9　用3DGrid構(gòu)建的油田2三維模型轉(zhuǎn)成Geo3DML后在G3DA中的顯示圖Fig.9　Display of 3D model established by 3DGrid and converted to Geo3DML for the oil field 2 in G3DA

圖10　用QuantyMine構(gòu)建的某礦區(qū)三維模型轉(zhuǎn)成Geo3DML后在G3DA中的顯示圖Fig.10　Display of 3D model established by QuantyMine and converted to Geo3DML for a mine in G3DA

圖11　用G3DA構(gòu)建的某煤田勘探區(qū)三維模型在Geo3DML Viewer中的顯示圖Fig.11　Display of 3D model established by QuantyMine for a coal exploration area in Geo3DML Viewer

4Geo3DML向DXF轉(zhuǎn)換

4.1　Geo3DML向DXF轉(zhuǎn)換的必要性

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)是礦產(chǎn)資源勘探的目的所在。礦產(chǎn)資源勘探成果三維建模的下游用戶是“數(shù)字礦山”的建設(shè)單位。礦區(qū)三維地質(zhì)模型是數(shù)字礦山的重要組成部分(吳立新等,2002；王李管等,2006；吳沖龍等,2011)。在“數(shù)字礦山”領(lǐng)域的主流軟件(如國(guó)外的Surpac、Micromine，國(guó)內(nèi)的Longruan GIS、3DMine、Dimine等)均接受AutoDesk公司開(kāi)發(fā)的DXF交換格式作為三維地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)源。倘若可以實(shí)現(xiàn)Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)到DXF格式的轉(zhuǎn)換，就可以實(shí)現(xiàn)將礦產(chǎn)資源勘探生成的三維地質(zhì)模型直接作為數(shù)字礦山建設(shè)的數(shù)據(jù)源，減少社會(huì)資源的浪費(fèi)。

4.2　GDAL/OGR庫(kù)簡(jiǎn)介

筆者用OGR庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)到DXF格式的轉(zhuǎn)換。GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是一個(gè)地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(kù)，是在X/MIT許可協(xié)議下的開(kāi)源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(kù)。1998年，F(xiàn)rank Warmerdam開(kāi)發(fā)了最初的GDAL，在GDAL 1.3.2版本以后由開(kāi)源地理空間基金會(huì)(OSGeo，Open Source Geospatial Foundation)下的GDAL/OGR的項(xiàng)目委員會(huì)進(jìn)行管理。GDAL可以利用抽象數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)所支持的各種文件格式，并具備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換的一系列相關(guān)命令。由于GDAL/OGR簡(jiǎn)潔、高效，且可以支持多種柵格與矢量的數(shù)據(jù)格式，很多開(kāi)源GIS軟件甚至商用GIS軟件都利用GDAL/OGR來(lái)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

OGR(OGR Simple Features Library)的使用方法和功能與GDAL的相似，是GDAL的一個(gè)分支，可以提供對(duì)矢量數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的支持，同時(shí)OGR庫(kù)具有可進(jìn)行空間參考信息處理的類，可以對(duì)空間信息進(jìn)行處理(李芳珍等，2008；劉昌明等，2011；周順等，2014)。

4.3　轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

三維模型轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是曲面的幾何形態(tài)表達(dá)的轉(zhuǎn)換。Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)中曲面表達(dá)主要采用不規(guī)則三角網(wǎng)，而DXF中主要采用等高線來(lái)進(jìn)行曲面表達(dá)。若想以Geo3DML數(shù)據(jù)直接作為數(shù)字礦山的數(shù)據(jù)源，則要設(shè)法將Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)中的曲面表達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為DXF中的曲面表達(dá)數(shù)據(jù)。

圖12　OGR庫(kù)幾何對(duì)象的繼承關(guān)系圖Fig.12　Inheritance relationship of geometric objects in OGR library

4.3.1 不規(guī)則三角網(wǎng)的轉(zhuǎn)換由于DXF中的幾何類型只有如圖12的表達(dá)方式，并沒(méi)有Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)中的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)類型，所以要解決不規(guī)則三角網(wǎng)在DXF中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型問(wèn)題。這里有2種實(shí)現(xiàn)方法：一種是將每個(gè)三角形作為1個(gè)OGR中OGRLineString對(duì)象，再將所有三角形保存在OGRGeometryCollection中；另一種方法是通過(guò)Geo3DML SDK解析不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)，求出所有三角線的線，并剔除1條相鄰三角形的共邊線，最后將得到的每條線存在OGRLineString對(duì)象中，再將所有的線存在OGRGeometryCollection對(duì)象中。

4.3.2等高線的轉(zhuǎn)換由于Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有等高線的數(shù)據(jù)類型，在這里可以自定義等高線類，再通過(guò)Geo3DML SDK讀取的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)生成等高線數(shù)據(jù)，最后將等高線數(shù)據(jù)以DXF文件的形式進(jìn)行輸出。

用不規(guī)則三角網(wǎng)生成等高線數(shù)組存到OGR庫(kù)的OGRLineStringRing中，再存到OGRGeometryCollection對(duì)象中，最后進(jìn)行DXF格式輸出，則得到等高線形式的DXF文件。

上述所提及的方法使用的是2015年最新的GDAL/OGR 1.11版本庫(kù)，該庫(kù)可以輸出“AcDb3b-Polyline”類形式的三維數(shù)據(jù)格式，而1.11版本以前的GDAL/OGR庫(kù)只支持2.5D的 “AcDbPolyline”形式數(shù)據(jù)輸出(宋艷敏等，2009)。

圖13　三維模型(圖9)通過(guò)Geo3DML轉(zhuǎn)換為DXF格式的等高線在AutoCAD中的顯示圖Fig.13　Display of contours converted from 3D model (Fig. 9) to DXF format by Geo3DML in AutoCAD software

圖14　三維模型(圖9)通過(guò)Geo3DML轉(zhuǎn)換為DXF格式的不規(guī)則三角網(wǎng)在AutoCAD中的顯示圖Fig.14　Display of irregular triangle net converted from 3D model (Fig. 9) to DXF format by Geo3DML in AutoCAD software

5Geo3DML與GeoSciML比較

既然國(guó)際上已經(jīng)有了GeoSciML，為什么還要Geo3DML？下面將兩者進(jìn)行對(duì)比。

5.1　GeoSciML的背景

GeoSciML(GeoScience Markup Language)是國(guó)際地質(zhì)科學(xué)協(xié)會(huì)(IUGS)地學(xué)信息管理與應(yīng)用研究會(huì)(CGI)于2003年開(kāi)始研制的地質(zhì)信息標(biāo)準(zhǔn)交換格式標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)該標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)維護(hù)轉(zhuǎn)給OGC(OGC，2015)。該標(biāo)準(zhǔn)工作組成員主要來(lái)自CGC、BGS、CSIRO、USGS、GSV、SGU等地質(zhì)機(jī)構(gòu)。GeoSciML也是基于XML的GML，它是以北美、歐洲、澳洲等地質(zhì)調(diào)查部門及研究機(jī)構(gòu)的研究成果為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，面向地質(zhì)圖共享的北美地質(zhì)圖數(shù)據(jù)模型、面向地礦行業(yè)數(shù)據(jù)共享與互操作的標(biāo)準(zhǔn)。GeoSciML在北美、歐洲、澳洲甚至中國(guó)的很多地質(zhì)信息共享項(xiàng)目中得到了應(yīng)用(陳國(guó)旭等,2007；彭文祥,2012；劉榮梅等,2013)。

5.2　GeoSciML的數(shù)據(jù)模型

GeoSciML的數(shù)據(jù)模型分為地質(zhì)圖數(shù)據(jù)模型與鉆孔數(shù)據(jù)模型。其中，地質(zhì)圖數(shù)據(jù)模型包括地質(zhì)構(gòu)造(斷層、節(jié)理、斷裂)、地質(zhì)單元(地質(zhì)單元的物資組成、形狀、顏色、變形、變質(zhì)、地質(zhì)年齡、出露情況等)、地質(zhì)圖圖例。利用GeoSciML的地質(zhì)要素，如地球物理、地質(zhì)體、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)年代、地質(zhì)關(guān)系等地質(zhì)要素類型可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)圖共享數(shù)據(jù)模型建模。GeoSciML的鉆孔數(shù)據(jù)模型可以實(shí)現(xiàn)垂直、傾斜甚至水平鉆孔的鉆孔建模，并可實(shí)現(xiàn)鉆孔與鉆孔剖面圖的關(guān)聯(lián)與查詢(陳國(guó)旭等,2007；Richard et al,2007；OGC,2015)。

5.3　Geo3DML與GeoSciML的區(qū)別

Geo3DML與GeoSciML的本質(zhì)區(qū)別在于Geo3DML強(qiáng)調(diào)的是三維地質(zhì)模型的表達(dá)，而Geo-SciML著眼的是傳統(tǒng)的二維地質(zhì)建模(傳統(tǒng)的二維地質(zhì)圖、二維剖面圖、鉆孔柱狀圖)的表達(dá)以及在互聯(lián)網(wǎng)上的地圖服務(wù)(WMS)與要素服務(wù)(WFS)。GeoSciML也一直在發(fā)展之中，其即將推出的新版本可能會(huì)補(bǔ)充對(duì)三維地質(zhì)模型的表達(dá)。

6建議

6.1　給Geo3DML以應(yīng)用機(jī)會(huì)

地理空間數(shù)據(jù)是一種極為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，二維地理信息數(shù)據(jù)在不同的地理信息系統(tǒng)間的交換與轉(zhuǎn)換至今沒(méi)有完全解決，而三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于二維地理信息數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)也不可能一步到位地解決三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)交換中的所有問(wèn)題，需要在實(shí)踐中不斷探索與完善。所以必須給Geo3DML以應(yīng)用的機(jī)會(huì)，才能在應(yīng)用中完善。

6.2　將Geo3DML升級(jí)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)繼續(xù)資助Geo3DML的升級(jí)完善，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將其升級(jí)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(目前只是準(zhǔn)備將其作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布)。因?yàn)镚eo3DML的影響范圍與意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它會(huì)影響到區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、數(shù)字礦山建設(shè)、城市地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下水源保護(hù)、環(huán)境保護(hù)、水電大壩建設(shè)等眾多領(lǐng)域與行業(yè)。這些領(lǐng)域與行業(yè)都需要三維地質(zhì)建模的支撐，在全國(guó)范圍內(nèi)需要這樣一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而目前Geo3DML最具能力擔(dān)此重任。

6.3　補(bǔ)充細(xì)節(jié)

不同的三維地質(zhì)建模軟件所面向的具體行業(yè)應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同，所采用的三維地質(zhì)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能不盡相同，所以Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)在不同的三維地質(zhì)建模軟件中的使用尚有很多問(wèn)題需要研究。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于幾何表達(dá)與可視化部分已經(jīng)比較完善，但是對(duì)于地質(zhì)要素之間的關(guān)系的定義不夠明確，如果由于各單位模型構(gòu)建方法不同，可能會(huì)在模型中出現(xiàn)諸如地層面、側(cè)環(huán)面、斷層面等定義，但這些面以同一種類型輸出，并沒(méi)有具體細(xì)化分類，這樣的輸出對(duì)三維地質(zhì)模型的可視化幾乎沒(méi)有影響，但是對(duì)于讀取這些數(shù)據(jù)時(shí)所需進(jìn)行的要素分類、拓?fù)渲貥?gòu)造成了很大的麻煩。建議擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)并細(xì)化一些具體數(shù)據(jù)模型類型，并且推薦將同類型的模型單獨(dú)生成1組GeoModel與Geo3DMap文件，這樣可以對(duì)模型類型的分類帶來(lái)巨大的便利。

6.4　向相關(guān)行業(yè)大力宣傳Geo3DML

應(yīng)該積極向廣大的地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目、三維地質(zhì)填圖項(xiàng)目、礦產(chǎn)資源勘探項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人與工程技術(shù)人員宣傳Geo3DML，讓他們了解三維地質(zhì)建模以及Geo3DML能夠帶來(lái)的好處，使得他們有意識(shí)地在地勘項(xiàng)目中使用三維地質(zhì)建模技術(shù)，使用Geo3DML。對(duì)Geo3DML的了解、認(rèn)同與積極使用是Geo3DML走向成功的最重要的保證。此外，還應(yīng)該向礦井設(shè)計(jì)院、礦山企業(yè)、數(shù)字礦山建設(shè)單位，以及城市地下工程、道路橋梁、水電項(xiàng)目的決策者與工程技術(shù)人員宣傳Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)。

6.5　在勘探項(xiàng)目中積極使用Geo3DML

建議在國(guó)家出資的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告以及國(guó)家、地方政府或企業(yè)出資的礦產(chǎn)資源勘探報(bào)告評(píng)審中逐漸增加對(duì)勘探區(qū)三維地質(zhì)建模的要求。當(dāng)?shù)V井設(shè)計(jì)院與礦山企業(yè)明白三維地質(zhì)建模以及Geo3DML能給他們帶來(lái)益處后，便會(huì)積極主動(dòng)地要求勘探項(xiàng)目施工單位在項(xiàng)目中使用Geo3DML。

6.6　將Geo3DML作為地質(zhì)報(bào)告評(píng)審中三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

建議在國(guó)家、地方的地質(zhì)報(bào)告、勘探報(bào)告審核中，要求三維地質(zhì)建模成果必須提供Geo3DML格式，以保證三維地質(zhì)建模成果的可繼承性、通用性與中立性，防止國(guó)外或國(guó)內(nèi)某一家三維地質(zhì)建模軟件廠商對(duì)國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模市場(chǎng)的壟斷。

6.7　三維地質(zhì)建模軟件廠商積極支持Geo3DML

三維地質(zhì)建模軟件廠商的積極使用也是Geo3DML獲得成功的重要保證。由于Geo3DML能夠保證所建三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)在不同三維地質(zhì)建模軟件間流轉(zhuǎn)，使得從區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(包括三維地質(zhì)填圖)到礦產(chǎn)資源勘探的每一階段的三維地質(zhì)建模成果都能夠得到繼承，使三維地質(zhì)建模逐漸成為地質(zhì)工作的必選項(xiàng)目。因此，Geo3DML的推廣使用將促使三維地質(zhì)建模技術(shù)的普及，促使更多的地質(zhì)項(xiàng)目使用三維地質(zhì)建模技術(shù)，從而增加三維地質(zhì)建模軟件廠商的商機(jī)。可以預(yù)見(jiàn)，若干年后，不支持Geo3DML的三維地質(zhì)建模軟件廠商在中國(guó)將面臨出局的危險(xiǎn)。

6.8　數(shù)字礦山軟件與Geo3DML接軌

Geo3DML將成為我國(guó)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探成果的三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，中國(guó)本土的數(shù)字礦山軟件廠商，以及希望在中國(guó)發(fā)展的國(guó)外數(shù)字礦山軟件廠商應(yīng)該關(guān)注、研究、使用Geo3DML，使得礦產(chǎn)資源勘探成果的三維地質(zhì)模型、三維礦產(chǎn)模型能夠直接進(jìn)入礦山設(shè)計(jì)院的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，作為數(shù)字礦山的數(shù)據(jù)源，減少中間轉(zhuǎn)換和模型重建成本，降低社會(huì)資源的浪費(fèi)(李青元等，2014)。

7結(jié)論

通過(guò)試用驗(yàn)證，Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)具有很好的三維地質(zhì)模型表達(dá)效果，在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)Geo3DML實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)不同三維建模軟件所構(gòu)建的三維模型主體數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。

Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該成為從區(qū)域地質(zhì)調(diào)查—礦產(chǎn)資源勘探—數(shù)字礦山建設(shè)這條長(zhǎng)長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈上三維地質(zhì)模型順暢流轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，以保證三維地質(zhì)模型在流轉(zhuǎn)中被繼承并不斷細(xì)化與提升，減少模型重建所帶來(lái)的社會(huì)資源的浪費(fèi)。

任何標(biāo)準(zhǔn)都不是一步到位的，該標(biāo)準(zhǔn)需要廣泛應(yīng)用到實(shí)際工作中，不斷修訂與維護(hù)才能更加具有生命力，才能具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。希望從項(xiàng)目主管、工程技術(shù)人員到軟件廠商都積極使用Geo3DML，促使三維地質(zhì)建模技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用。

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Application of Geo3DML in three-dimensional geological modeling and some suggestions

LI Qing-yuan1, MA Zi-xiang2, CUI Yang3, CHEN Chun-mei2, DONG Qian-lin2

(1. Key Laboratory of Geo-Informatics ofState Bureau of Surveying and Mapping, Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China; 2. College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083,China; 3. School of Geosciences, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China)

Keywords：3D geological modeling; data conversion standard; 3D geological mapping; mineral resources exploration; digital mine