Geo3DML與GOCAD數(shù)據(jù)模型與轉(zhuǎn)換研究

沙　浩， 楊洪軍， 杜群樂， 馬亞飛， 王占剛

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083)

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Geo3DML與GOCAD數(shù)據(jù)模型與轉(zhuǎn)換研究

沙浩， 楊洪軍， 杜群樂， 馬亞飛， 王占剛

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083)

摘要：三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式Geo3DML已在一定范圍進(jìn)行試用，其制定解決了我國目前三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)格式繁多、交換困難的問題，極大地方便了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的管理與共享。GOCAD是國際上公認(rèn)的主流建模軟件，在地質(zhì)工程、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)、水利工程中有廣泛的應(yīng)用，被眾多石油公司和服務(wù)公司等用戶廣泛認(rèn)可。通過對Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)格式和GOCAD數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對比分析研究，實(shí)現(xiàn)了基于Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與GOCAD三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，對于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的共享和集成管理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型；交換格式；Geo3DML；GOCAD；共享

0引言

目前，三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，在地質(zhì)工作中的應(yīng)用越來越廣泛。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(李青元等，2015)，不同建模軟件所建的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)格式差異較大，三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的集成管理與共享服務(wù)將成為需要面對和解決的問題。

我國自2010年9月開始啟動相關(guān)研究，通過系統(tǒng)調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)模型，解剖典型三維地質(zhì)建模軟件數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究提出了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式Geo3DML，目前已作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展試運(yùn)行推廣工作。

GOCAD作為石油、地質(zhì)、物探、采礦等行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)三維地質(zhì)建模軟件，自1989年GOCAD研究計劃提出，經(jīng)10年發(fā)展，軟件正式發(fā)行，由于其強(qiáng)大的三維模型構(gòu)建和分析功能被廣泛應(yīng)用。與其他軟件比較，GOCAD實(shí)現(xiàn)了通用地球模型所設(shè)想的功能，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、工作模式和功能設(shè)置方面都實(shí)現(xiàn)了真三維化，提供了非常全面的三維空間分析支持；它采用的三維矢量拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型，能夠分析三維空間對象的拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行復(fù)雜曲面的交叉和切割等空間關(guān)系計算，同時擁有完善的地質(zhì)統(tǒng)計分析功能等(童亮等，2009；邵國波等，2010；江二中，2013；王明，2013；趙增玉等，2014)。所以，通過GOCAD生成的三維地質(zhì)模型被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在目前的三維地質(zhì)建模領(lǐng)域占有重要的地位。

實(shí)現(xiàn)Geo3DML與GOCAD數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大GOCAD三維地質(zhì)模型的應(yīng)用范圍，同時對于三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的集成管理和共享具有重要意義。

1Geo3DML的整體思路

中國地質(zhì)調(diào)查局通過調(diào)研現(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型、三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)模型、三維地質(zhì)建模方法(武強(qiáng)等，2004；屈紅剛等，2008；劉振平，2010；明鏡，2011)和三維地質(zhì)軟件，解剖典型建模軟件及其數(shù)據(jù)模型，以及產(chǎn)、學(xué)、研單位全程參與研討和試驗(yàn)，定義了一種面向交換的通用三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)模型Geo3DML，并在復(fù)用現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，利用XML將該數(shù)據(jù)模型規(guī)范化地定義為數(shù)據(jù)交換格式。因此，各建模軟件支持該交換格式，地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目在提交建模成果時，就可以提交基于該格式的建模成果，模型數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行集成應(yīng)用和共享，并實(shí)現(xiàn)建模軟件之間的互聯(lián)互通。

Geo3DML遵循實(shí)用開放、與三維地質(zhì)建模軟件無關(guān)、采用已有國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的原則，基于XML設(shè)計而成，標(biāo)準(zhǔn)編寫遵循了《標(biāo)準(zhǔn)編寫的基本要求》(GB/T1.1—2009)。Geo3DML將三維地質(zhì)模型定義為“地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)現(xiàn)象之間的關(guān)系在三維空間中的表達(dá)”，規(guī)定了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)組織層次結(jié)構(gòu)與模型中空間幾何數(shù)據(jù)、屬性描述數(shù)據(jù)、三維可視化數(shù)據(jù)的存儲格式。Geo3DML既可作為數(shù)據(jù)交換的公共文件格式，也可支持模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的共享服務(wù)(多維地質(zhì)建模與分析技術(shù)研究項(xiàng)目組，2014)。

Geo3DML規(guī)定了常用的三維地質(zhì)體表達(dá)方式，提供開放的擴(kuò)展機(jī)制，支持以三維點(diǎn)、線、面、體、體元、注記等對象表達(dá)的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的交換，支持不同地質(zhì)領(lǐng)域(如基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、礦產(chǎn)與能源等)的三維地質(zhì)模型的交換；通過合理的抽象，支持常用三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和屬性模型的統(tǒng)一表達(dá)，并為三維鉆孔、剖面、地質(zhì)圖以及三維模型等的表達(dá)和數(shù)據(jù)組織提供統(tǒng)一手段。

2 Geo3DML的框架結(jié)構(gòu)與主要模塊

2.1框架結(jié)構(gòu)

Geo3DML按照數(shù)據(jù)和顯示相分離的原則設(shè)計了數(shù)據(jù)組織的層次化框架結(jié)構(gòu)(圖1)，將被交換的地質(zhì)模型數(shù)據(jù)劃分為兩部分，即描述地質(zhì)體及其關(guān)系的空間數(shù)據(jù)(含屬性信息)地質(zhì)體的三維可視化數(shù)據(jù)。

圖1　Geo3DML數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)示意圖(據(jù)DD 2015-06)Fig.1　Framework of Geo3DML data structure(after DD 2015-06)

地質(zhì)模型(GeoModel)、地質(zhì)要素類(GeoFeatureClass)與地質(zhì)要素(GeoFeature)描述地質(zhì)體及其關(guān)系。地質(zhì)要素是地質(zhì)體的抽象；地質(zhì)要素類是同類型地質(zhì)要素的集合，即集合中的地質(zhì)要素具有相同的屬性結(jié)構(gòu)；地質(zhì)要素類的集合為地質(zhì)模型。地質(zhì)要素之間可能存在特定的關(guān)系(如地質(zhì)關(guān)系、空間關(guān)系等)，這些關(guān)系記錄在地質(zhì)模型中。地質(zhì)要素之間的關(guān)系可跨地質(zhì)要素類存在。

三維地質(zhì)圖(Geo3DMap)、三維圖層(Geo3D-Layer)以及三維樣式(Geo3DStyle)記錄地質(zhì)模型對應(yīng)的三維可視化數(shù)據(jù)，并以三維圖層為基礎(chǔ)構(gòu)建可視化場景。三維樣式對應(yīng)于將地質(zhì)要素以圖形化方式表現(xiàn)時所需的比例尺、圖例符號等可視化參數(shù)，以O(shè)GC符號編碼規(guī)范(SymbologyEncoding,SE)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提供了按地質(zhì)要素的屬性匹配渲染參數(shù)的機(jī)制。而三維圖層則起到了將地質(zhì)要素類中地質(zhì)要素與候選的渲染參數(shù)關(guān)聯(lián)起來的作用，并可關(guān)聯(lián)來自不同地質(zhì)模型中的地質(zhì)要素類。1個三維圖層服務(wù)于1個地質(zhì)要素類中地質(zhì)要素的三維可視化操作，多個圖層的可視化結(jié)果組合起來形成三維地質(zhì)圖。同一個三維地質(zhì)圖中的三維圖層可引用來自不同地質(zhì)模型中的要素類，即三維地質(zhì)圖與地質(zhì)模型可以存在不是一一對應(yīng)的情況。

從空間模型的表達(dá)來看，鉆孔是對地質(zhì)體的一維線性空間認(rèn)知，地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面等是對地質(zhì)體的二維斷面空間認(rèn)知，三維地質(zhì)模型則是對地質(zhì)體的全空間地質(zhì)認(rèn)知，因此，Geo3DML可以統(tǒng)一表達(dá)鉆孔(柱狀圖)、地質(zhì)剖面/地質(zhì)圖和三維地質(zhì)模型。

為了方便以XML文檔記錄交換數(shù)據(jù)的整體，設(shè)計了三維數(shù)據(jù)包(Geo3DProject)作為模型數(shù)據(jù)的XML根節(jié)點(diǎn)。三維數(shù)據(jù)包由地質(zhì)模型及其對應(yīng)的三維地質(zhì)圖組合構(gòu)成。

Geo3DML利用XMLSchema語言給出上述框架的規(guī)范化定義。

2.2主要模塊

2.2.1地質(zhì)要素模塊地質(zhì)要素記錄了地質(zhì)體的幾何及非幾何屬性。幾何數(shù)據(jù)表達(dá)復(fù)用了OGCGML(GeographyMarkupLanguage)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Geo3DML支持GML規(guī)范定義的幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(僅指非拓?fù)鋷缀螖?shù)據(jù))和空間覆蓋(Coverage)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)地質(zhì)應(yīng)用需要，對其進(jìn)行了擴(kuò)展(詳見下文幾何數(shù)據(jù)模塊)。地質(zhì)要素之間的關(guān)系則參考GeoSciML的方式將其定義為有方向的關(guān)聯(lián)關(guān)系。與GeoSciML將地質(zhì)要素之間的關(guān)系定義為二元關(guān)系(單個源地質(zhì)要素與單個目標(biāo)地質(zhì)要素)不同，Geo3DML定義地質(zhì)要素之間的關(guān)系是單個源地質(zhì)要素與多個目標(biāo)地質(zhì)要素之間的關(guān)系(圖2)。這種定義能簡化用于描述地質(zhì)要素之間關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(DD2015-06)。

圖2　地質(zhì)要素之間的關(guān)系(據(jù)DD 2015-06)Fig.2　Relationship among the geological features (after DD 2015-06)

按照抽象、簡單、實(shí)用的原則，Geo3DML定義了一種開放式的地質(zhì)要素數(shù)據(jù)編碼方式，允許依據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需求定制地質(zhì)要素的非幾何屬性。對于非幾何屬性的定制，主要是指定義其結(jié)構(gòu)，即地質(zhì)要素的屬性名及屬性值類型。采用OGCSWE(Sensor

WebEnablement)的CommonDataModelEncodingStandard標(biāo)準(zhǔn)中定義的DataRecord來定義地質(zhì)要素的非幾何屬性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在GML標(biāo)準(zhǔn)中也被用于定義覆蓋要素(Coverage)的非幾何屬性結(jié)構(gòu)，出于盡量復(fù)用已有標(biāo)準(zhǔn)的考慮，Geo3DML也采用了該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Geo3DML支持SWE規(guī)范定義的AbstractDataComponent數(shù)據(jù)類型。

涉及地質(zhì)術(shù)語的非幾何數(shù)據(jù)屬性值應(yīng)遵循《地質(zhì)礦產(chǎn)術(shù)語分類代碼》(GB/T9649—1988)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。非幾何數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu)的定義源自其所屬的地質(zhì)要素類。

2.2.2幾何數(shù)據(jù)模塊Geo3DML支持GML規(guī)范所定義的幾何數(shù)據(jù)(AbstractGeometry)以及AbstractCoverage等幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括常用的結(jié)構(gòu)如點(diǎn)(Point)、線(LineString)、面(Surface)和體(Solid)等。在此基礎(chǔ)上，Geo3DML對AbstractGeometry或其子類型進(jìn)行擴(kuò)展，定義了不規(guī)則三角網(wǎng)(GeoTIN)，相同多面體體元組成的體(GeoVolume)及其四面體體元組成的體(GeoTetraVolume)、規(guī)則六面體體元組成的體(GeoCuboidVolume)、角點(diǎn)網(wǎng)格(GeoCornerPointGrid)，可變換規(guī)則格網(wǎng)(GeoGrid)5種幾何數(shù)據(jù)(圖3)。為了減少轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量，Geo3DML支持采用OGC定義的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式規(guī)范WKB(WellKnownBinary)存儲幾何數(shù)據(jù)(DD2015-06)。

圖3　幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(陰影部分為Geo3DML擴(kuò)展部分；據(jù)DD 2015-06)Fig.3　Geometry data structure of Geo3DML(Types in dark backgrounds are Geo3DML extensions； after DD 2015-06)

2.2.3屬性場數(shù)據(jù)模塊屬性場數(shù)據(jù)是真三維地質(zhì)建模與應(yīng)用中的重要數(shù)據(jù)，可用來研究分析地質(zhì)體內(nèi)部的非均質(zhì)性。Geo3DML屬性場模型用于描述沿幾何對象所在空間分布的地學(xué)屬性場信息，如分布于某曲面的頂點(diǎn)集合中的地學(xué)屬性。幾何圖形中可承載屬性的位置包括頂點(diǎn)(Vertex)、棱(Edge)、面元(Face)以及體元(Voxel)。

按GML規(guī)范，場數(shù)據(jù)可采用覆蓋(Coverage)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)。按此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，屬性場是一個由空間位置向?qū)傩灾档挠成洌臻g位置是定義域，屬性值是值域。Geo3DML定義了GeoDiscreteCoverage作為對GML的AbstractDiscreteCoverage的擴(kuò)展，支持設(shè)置屬性場定義域所屬的超集，如定義域可能是某幾何對象的頂點(diǎn)(或棱、或面元、或體元)集合的子集。(DD2015-06)

2.2.4可視化參數(shù)Geo3DML沿用OGCSE規(guī)范的設(shè)計思想并以其為核心，同時參考OGCSLD(StyledLayerDescriptor)、OGCCityGML、ISOX3D參數(shù)編碼格式。圖4描述了Geo3DML可視化參數(shù)模塊的UML框架結(jié)構(gòu)。

圖4　可視化參數(shù)UML框架結(jié)構(gòu)圖(陰影部分為Geo3DML擴(kuò)展部分；據(jù)DD 2015-06)Fig.4　Visualization parameter framework of Geo3DML in UML(Types in dark backgrounds are Geo3DML extensions; after DD 2015-06)

為滿足3D可視化的要求，Geo3DML對OGCSE規(guī)范進(jìn)行了擴(kuò)展，定義了點(diǎn)參數(shù)(GeoPointSymbolizer)、線參數(shù)(GeoLineSymbolizer)和曲面參數(shù) (GeoSurfaceSymbolizer)的結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展的內(nèi)容主要是在SE規(guī)范相應(yīng)對象的基礎(chǔ)上增加了3D可視化的光照、材質(zhì)與紋理參數(shù)。Geo3DStyle可以直接引用預(yù)定義的地質(zhì)要素可視化參數(shù)(存放在可視化參數(shù)庫中)。

此外，Geo3DML研制中還參考了OGC正在研究的W3DS(Web3DService)、SE-3D(3D-SymbologyEncoding)規(guī)范，這使得Geo3DML未來能較好地實(shí)現(xiàn)對新規(guī)范的兼容與復(fù)用(DD2015-06)。

2.2.5地質(zhì)模型元數(shù)據(jù)Geo3DML定義三維地質(zhì)模型的元數(shù)據(jù)信息是直接以《地理信息數(shù)據(jù)》(GB/T19710—2005)和《地理信息元數(shù)據(jù)XML模式實(shí)現(xiàn)》(GB/Z24357—2009)為基礎(chǔ)，增加了建模工具的信息、模型來源和模型描述等相關(guān)信息項(xiàng)(DD2015-06)。

3GOCAD三維地質(zhì)模型與數(shù)據(jù)類型

3.1構(gòu)成框架

GOCAD三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)將幾何數(shù)據(jù)與可視化數(shù)據(jù)組織在1個文件中，整個三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的構(gòu)成如圖5所示。

圖5　GOCAD數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)示意圖(據(jù)DD 2015-06)Fig.5　Framework of GOCAD data structure(after DD 2015-06)

地質(zhì)模型用來描述地質(zhì)體及其關(guān)系。地質(zhì)要素是地質(zhì)體的抽象，地質(zhì)要素之間可能存在特定的關(guān)系(如地質(zhì)關(guān)系、空間關(guān)系等)，這些關(guān)系記錄在地質(zhì)模型中。地質(zhì)要素之間的關(guān)系可跨地質(zhì)要素類存在。上述特征基本與Geo3DML相同，只是GOCAD將可視化信息與地質(zhì)要素組織在一起，在描述具體的地質(zhì)要素之前都會先給出其對應(yīng)的可視化參數(shù)，同時包括描述其相關(guān)地質(zhì)屬性的信息，如地層年代，地質(zhì)體類型等。地質(zhì)要素用來表達(dá)具體的地質(zhì)對象，它們之間通過特定關(guān)系可以還可以創(chuàng)建具體的地質(zhì)要素。

3.2主要模塊

3.2.1地質(zhì)對象GOCAD數(shù)據(jù)能夠表達(dá)的地質(zhì)對象類型豐富，主要包括PointSet、Curve、Surface、Solid、Voxet、SGrid、Well、Group、Channel、2D-Grid、X-Section、Frame、Model3D等類型。其中Well能夠表示地質(zhì)中的鉆孔，Model3D可以表示復(fù)雜的地質(zhì)體。因?yàn)镚OCAD數(shù)據(jù)格式是基于對象(類型)的，所以一些定義類也存在繼承關(guān)系，例如，TSuf繼承自Atomic，而Atomic繼承自GObj，故TSur擁有Atomic和GObj的所有元素。

3.2.2幾何數(shù)據(jù)類型同大多數(shù)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)一樣，GOCAD數(shù)據(jù)中對于幾何類型的支持也是多樣化的。除了支持基本的點(diǎn)(PointSet)、線(PLine)、面(Surface)、體(Model3D)，同樣支持Geo3DML中包括的不規(guī)則三角網(wǎng)，相同體元組成的體(TSolid)，可變換規(guī)則網(wǎng)格(Grid3D)等多種幾何數(shù)據(jù)類型。

3.2.3屬性場GOCAD中屬性場類型豐富，如Surface的屬性類型包括Graphic、Property、Advanced、Constraints、Contours、Texture、Gridding、Info等，每類屬性又包含一些具體內(nèi)容。幾乎所有的GOCAD數(shù)據(jù)對象都能夠承載多種類型的屬性信息，這些信息可以記錄在模型文件中，亦可以存放在外部的以ASCII或二進(jìn)制存儲的文件中。如果是外部的文件，則需要正確設(shè)置引用的外部文件的類型、單位等信息。如：

PROPERTY1 ″Seismic″

PROP_UNIT1 ″″

PROP_FILE1 /tmp/seismic.nohdr

PROP_ESIZE1 4

PROP_ETYPE1IEEE

引用的外部文件格式：

ASCII_DATA_FILEfilename

xyzp1p2p3 ..flaguvw

其中，filename指定文件名，x、y、z為聲明節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，p1、p2、p3為對應(yīng)位置的屬性值，flag明確節(jié)點(diǎn)的連續(xù)性，u、v、w為聲明節(jié)點(diǎn)的索引。

3.2.4可視化參數(shù)GOCAD數(shù)據(jù)中的可視化參數(shù)信息則比較單一，除了給出每個地質(zhì)對象對應(yīng)的顏色信息外，幾乎不包含其他可視化信息。在GOCAD數(shù)據(jù)格式中，地質(zhì)對象的顏色信息通常用關(guān)鍵字“*solid*color”給出。

4兩種格式的對比與轉(zhuǎn)化

4.1對應(yīng)分析

GOCAD數(shù)據(jù)格式將可視化信息和幾何數(shù)據(jù)集中組織，只需要單個數(shù)據(jù)文件就可以表達(dá)一個完整的三維地質(zhì)對象。支持的屬性類型也比較豐富，幾乎所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都能夠承載屬性信息。

Geo3DML是一種規(guī)范的數(shù)據(jù)格式。需要運(yùn)用統(tǒng)一的XML格式來存儲數(shù)據(jù)，并且將可視化信息與幾何數(shù)據(jù)分離，通過1個工程文件將2者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，所以，相比GOCAD單個文件表達(dá)的地質(zhì)對象，Geo3DML至少需要3個XML文件才能夠?qū)崿F(xiàn)。而且相比GOCAD數(shù)據(jù)格式，Geo3DML能夠支持的屬性類型有限，能夠承載屬性信息的幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要集中為體元數(shù)據(jù)和規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

雖然GOCAD數(shù)據(jù)格式和Geo3DML在數(shù)據(jù)組織和管理上采取的策略不同，但2者都主要由幾何信息、屬性信息和可視化信息3部分構(gòu)成，而且在幾何數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面具有很多對應(yīng)關(guān)系，如表1，這為2者之間的轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

表1　GOCAD數(shù)據(jù)格式與Geo3DML對應(yīng)的

4.2轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的規(guī)則是在2種數(shù)據(jù)格式中找到具體的應(yīng)關(guān)系，將GOCAD中的數(shù)據(jù)正確地存儲到與Geo3DML對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，或者是將Geo3DML中的數(shù)據(jù)正確地放置到GOCAD對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

4.2.1地質(zhì)對象GOCAD中能夠表達(dá)的地質(zhì)對象在Geo3DML中幾乎都能找到，所以2者之間的轉(zhuǎn)換在對象這個層面上是完全可以實(shí)現(xiàn)的。GOCAD數(shù)據(jù)格式在文件開始處就會給出所要表達(dá)的地質(zhì)對象類型，如：

GOCADModel3D1

表明該模型對象類型是Model3D

通過獲取GOCAD數(shù)據(jù)格式中的這一信息可以建立與之對應(yīng)的Geo3DML對象類型。Geo3DML中所有的地質(zhì)對象都需存儲在Model中：

model_A4_model

…

存儲具體的地質(zhì)對象

< /GeoModel>

4.2.2幾何數(shù)據(jù)類型點(diǎn)、線、面是幾何數(shù)據(jù)中基本的數(shù)據(jù)類型，這3者在GOCAD和Geo3DML中都存在，其中GOCAD和Geo3DML中對于點(diǎn)的表示通過直接引用點(diǎn)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)。但是對于線的表示，GOCAD則是先給出具體點(diǎn)的坐標(biāo)和ID，通過引用點(diǎn)的ID來表示不同的線段，在這一點(diǎn)上，Geo3DML與GOCAD不同，Geo3DML仍是給出每條線段具體的點(diǎn)坐標(biāo)來表示線段。在面的表示格式上，Geo3DML則采用了與GOCAD相同的方式，先給出具體的點(diǎn)坐標(biāo)和ID，再給出具體的拓?fù)潢P(guān)系表示指定的三角網(wǎng)。需要指出是GOCAD中點(diǎn)的ID從1開始，Geo3DML中從0開始。

例：GOCAD中三角網(wǎng)的格式如：

VRTX1 524960.630 3327182.670 540.000

VRTX2 524960.630 3327182.670 -19.999

VRTX3 524960.630 3327182.670 -629.999

TRGL1 2 3

轉(zhuǎn)換為Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)后的格式：

524960.630 3327182.670 540.000

524960.630 3327182.670 -19.999

524960.630 3327182.670 -629.999

40 21 22

-1 -1 -1

(Gocad2.0.8.chm)

Model3D是GOCAD中比較靈活的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它既可以表示復(fù)雜的三維地質(zhì)體，也可以表示簡單的地質(zhì)曲面。這主要是因?yàn)镸odel3D內(nèi)部的地質(zhì)要素間可以建立關(guān)系，根據(jù)具體的要素關(guān)系可以創(chuàng)建具體的地質(zhì)要素，得到的新的地質(zhì)要素還可以被應(yīng)用到一種新的關(guān)系中去創(chuàng)建地質(zhì)要素。這一特點(diǎn)和Geo3DML中具有的FeatureRelation幾乎相同，能夠根據(jù)具體需要建立具體的關(guān)系類型，并通過已經(jīng)創(chuàng)建的多個GeoFeature來組建一個新的GeoFeature。所以Model3D的轉(zhuǎn)換首先是進(jìn)行基本的點(diǎn)、面的轉(zhuǎn)換，然后記錄GOCAD數(shù)據(jù)中地質(zhì)要素間的關(guān)系，GOCAD中的要素關(guān)系也是通過ID的形式表現(xiàn)的，這使得它向Geo3DML的轉(zhuǎn)換變得更容易，如：

REGION60H3b_2

+4+26-33-40+100

REGION61H0b_1

-9-15+51+47-160

REGION62H3b_1

-10-42+46+19-540

LAYERH1b

60620

REGION是由TFACE構(gòu)成，每個REGION下面出現(xiàn)的數(shù)字代表構(gòu)成它的TFACE的ID，“+”、“-”號代表TFACE面的朝向，以數(shù)字“0”作為單個REGION的結(jié)束標(biāo)志。

LAYER是由REGION構(gòu)成，每個LAYER定義下面都會給出組成它的REGION的ID，同樣以數(shù)字“0”結(jié)束。

在Geo3DML中建立與TFACE對應(yīng)的GeoFeature，并設(shè)置同GOCAD中相同的ID，通過FeatureRelation建立要素與要素之間的關(guān)系創(chuàng)建出具體的要素，如：

H3b_2_boundary

BoundaryRelationship

首先是建立關(guān)系對象，包括關(guān)系的類型、ID、名稱等，上例中關(guān)系類型為BoundaryRelation。接著設(shè)置SourceRole，相當(dāng)于GOCAD中的REGION，即需要創(chuàng)建的地質(zhì)要素。AddTargetRole作用是添加組成SourceRole的GeoFeature，等同于GOCAD中每個REGION下面的TFACE的ID。LAYER在Geo3DML中的建立同上。

GOCAD中的Tsolid是一種由四面體體元組成的體，在GOCAD數(shù)據(jù)格式中需要首先給出組成Tsolid的所有點(diǎn)坐標(biāo)，然后依次給出組成每一個四面體的點(diǎn)的ID。這一特點(diǎn)和Geo3DML中的GeoTetraVolume完全一致，轉(zhuǎn)換方法和規(guī)則與點(diǎn)、線、面相同。

其他幾何數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換也都遵循上述原則，通過建立幾何數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，將GOCAD中的數(shù)據(jù)合理地放置在Geo3DML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

4.2.3地質(zhì)屬性GOCAD數(shù)據(jù)格式包含一些地質(zhì)屬性信息，常見的如：

GEOLOGICAL_TYPEfault

STRATIGRAPHIC_POSITIONagetime

GEOLOGICAL_TYPE表示地質(zhì)類型，STRATIGRAPHIC_POSITION表示年代地層單位。Geo-3DML可以自定義地質(zhì)屬性標(biāo)簽，所以只要根據(jù)GOCAD中獲取的地質(zhì)屬性類型在Geo3DML中建立對應(yīng)標(biāo)簽并賦予屬性值即可，例GEOLOGICAL_TYPEfault在Geo3DML中表示如下：

fault

4.2.4可視化參數(shù)GOCAD中的可視化參數(shù)比較簡單，基本只包含顏色信息，所以轉(zhuǎn)換相對簡單。首先獲取GOCAD數(shù)據(jù)中某地質(zhì)要素下*solid*color關(guān)鍵字給出的顏色信息，由4個數(shù)字組成，前3個分別代表RGB值，最后一個代表透明度信息。將獲取到顏色信息存儲在Geo3DML中的可視化參數(shù)結(jié)構(gòu)中，并建立與該地質(zhì)要素之間的關(guān)系即可。

如GOCAD中一段數(shù)據(jù)：

GOCADTSurf1

HEADER{

*solid*color:0 1 1 1

name:model_1

}

其中*solid*color關(guān)鍵字給出了名稱為model_1的地質(zhì)對象的顏色信息。

轉(zhuǎn)換為Geo3DML格式如下：

gml:name

model_1

1

1

0 1 1

01 1

0 1 1

1

4.2.5屬性場GOCAD數(shù)據(jù)具有豐富的屬性類型包括數(shù)值類型和非數(shù)值類型，Geo3DML中的屬性信息類型主要為Float、Double、Char、Int等數(shù)值類型，而且基本上只有體元數(shù)據(jù)和規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)能夠承載屬性信息。所以在屬性轉(zhuǎn)換方面比較復(fù)雜，目前僅支持體元幾何數(shù)據(jù)類型和規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。只需要在體元幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，將屬性信息獲取并存入Geo3DML體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中即可。

4.3信息損失說明

GOCAD數(shù)據(jù)格式中屬性數(shù)據(jù)定義多樣化，對于Geo3DML中不支持的屬性類型則無法完成轉(zhuǎn)換，只能進(jìn)行對應(yīng)幾何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致屬性信息丟失。而且GOCAD數(shù)據(jù)格式中還包含BSTONE、BORDER等無法在Geo3DML中找到對應(yīng)結(jié)構(gòu)的信息，這些信息在轉(zhuǎn)換過程中也會丟失，但是不影響整個三維地質(zhì)模型的結(jié)構(gòu)和可視化效果。

4.4效果展示

2種格式對比與轉(zhuǎn)換的效果展示見圖6—圖9。

圖6　三維模型中的鉆孔數(shù)據(jù)Fig.6　Drill data in 3D geological model(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software

圖7　三維模型中的剖面數(shù)據(jù)Fig.7　Section data in 3D geological model(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software

圖8　三維模型數(shù)據(jù)-1Fig.8　3D geological model data-1(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software

圖9　三維模型數(shù)據(jù)-2Fig.9　3D geological model data-2(a) model rendered in Geo3DML Viewer; (b) model rendered in GOCAD software

5結(jié)論

(1) 對Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)與GOCAD數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對比分析，得出了二者進(jìn)行轉(zhuǎn)換的可行性，并就轉(zhuǎn)換的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究。

(2) 通過建立Geo3DML與GOCAD主要模塊之間一一對應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了GOCAD三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與基于Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的互轉(zhuǎn)換。

(3) 實(shí)例驗(yàn)證取得了較好的效果，這對于進(jìn)一步推廣Geo3DML標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)大GOCAD三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍以及三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的集成管理和共享都具有重要意義。

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Data models of and data transformation between Geo3DML and GOCAD

SHA Hao, YANG Hongjun, DU Qunle, MA Yafei, WANG Zhangang

(CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

Abstract：A data conversion format(Geo3DML)of three-dimensional modeling developed by China Geological Survey has been finished and tried out in a certain range. Geo3DML (3D Geological Model Markup Language) has been proposed to solve the problem of three-dimensional model data formats and transformation difficulty, which brings great convenience to data management and data sharing. GOCAD has been recognized as a major modeling software, and has thus been widely applied in geological engineering, geophysical exploration, mining development and water conservancy projects and also recognized by many oil corporations and service companies. With comparative analysis of Geo3DML data and GOCAD data, this work realized the interconversion between Geo3DML 3D geological model data and GOCAD 3D geological model data. The result will be of great significance for the further realization of data sharing and integrated management of 3D geological model.

Keywords：3D geological model; format interchange; Geo3DML; GOCAD; sharing

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.293

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-01-18；編輯：陸李萍

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價專項(xiàng)(1212011120446)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202238), 國家科技支撐計劃課題(2012BAB11B01)

作者簡介：沙浩(1990—)，男，碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，E-mail： mmhgch@163.com

中圖分類號：P628+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0293-010