朱良峰，李自成，朱 仝，李明江

（1.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.上海市閔行區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 201100；3.安徽省送變電工程公司，合肥 230000）

1 引 言

近10年來(lái)地質(zhì)鉆孔信息的管理與可視化一直是工程地質(zhì)、巖土工程領(lǐng)域的重要研究方向[1－5]，相關(guān)的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在鉆孔數(shù)據(jù)管理技術(shù)和鉆孔信息可視化技術(shù)兩方面。在鉆孔數(shù)據(jù)管理技術(shù)方面，主要研究地質(zhì)鉆孔的數(shù)據(jù)組織標(biāo)準(zhǔn)、基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）或地理信息系統(tǒng)（GIS）的鉆孔數(shù)據(jù)管理方法[2]，開(kāi)發(fā)出了眾多的鉆孔數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)[2,6－7]。在鉆孔信息可視化技術(shù)方面，主要研究鉆孔柱狀圖的繪制方法[8－9]以及在真三維場(chǎng)景中模擬和顯示鉆孔的方法[3]，研發(fā)出了一系列成熟的鉆孔柱狀圖制圖軟件和三維地質(zhì)模擬軟件。然而，現(xiàn)有的技術(shù)、方法或系統(tǒng)在進(jìn)行鉆孔信息的管理和可視化時(shí)都存在或多或少的缺陷，其中一個(gè)最突出的問(wèn)題就是現(xiàn)有的鉆孔信息管理主要是依托于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（RDBMS）或二維GIS 軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可視化時(shí)鉆孔只能顯示為二維平面中的一個(gè)點(diǎn)（鉆探點(diǎn)位）。如果想要查看詳細(xì)的鉆孔資料或地層分層信息，還需要通過(guò)鉆探點(diǎn)位查詢(xún)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，或者鏈接到預(yù)先用專(zhuān)業(yè)的建模軟件繪制的柱狀圖或三維模型，數(shù)據(jù)庫(kù)記錄不能直觀、形象地展示鉆孔在三維空間內(nèi)的分布。鉆孔柱狀圖制圖軟件偏重于縱向信息的繪制，生成的柱狀圖是二維的，不能展現(xiàn)鉆孔所處的地理空間位置，因此，無(wú)法用來(lái)系統(tǒng)的管理、發(fā)布、共享海量的鉆孔信息。三維地質(zhì)模擬軟件的應(yīng)用主要局限于個(gè)人計(jì)算機(jī)，由于缺乏高效的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，它們一般不支持在網(wǎng)絡(luò)上顯示、發(fā)布、共享鉆孔三維模型。

作為一類(lèi)典型的地球空間信息，每一個(gè)鉆孔以及鉆孔所揭示的每一個(gè)地層都位于特定的地球空間之中，并擁有特定的三維空間位置。在一個(gè)統(tǒng)一的地球空間框架內(nèi)管理、模擬和可視化甚至集成、分發(fā)、共享所擁有的鉆孔信息是一種自然而直接的要求。數(shù)字地球技術(shù)的出現(xiàn)為滿足這一需求提供了一個(gè)有效的解決途徑。數(shù)字地球技術(shù)飛速發(fā)展，先后涌現(xiàn)出了一系列技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大的數(shù)字地球軟件系統(tǒng)（如Google Earth、NASA World Wind 和ESRI ArcGIS Explorer 等）[10－12]。這些軟件系統(tǒng)，不僅可用于瀏覽、分析全球范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)和遙感影像，還可作為交換和共享地球空間信息的基礎(chǔ)平臺(tái)[13]。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界開(kāi)展了在數(shù)字地球軟件系統(tǒng)中進(jìn)行地球物理模擬[14]及地質(zhì)構(gòu)造可視化[15]方面的探索，但現(xiàn)有的研究工作尚未涉及到地質(zhì)鉆孔信息的模擬與可視化。本文研究在數(shù)字地球軟件平臺(tái)中進(jìn)行地質(zhì)鉆孔信息的模擬與可視化技術(shù)，其目標(biāo)是以三維的形式來(lái)表達(dá)鉆孔的空間位置及地層分層信息，并基于數(shù)字地球軟件平臺(tái)，在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上對(duì)鉆孔三維模型進(jìn)行分發(fā)與共享。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文歸納出一個(gè)通用的鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，基于KML（keyhole markup language）編碼規(guī)范，提出一種在數(shù)字地球軟件平臺(tái)上進(jìn)行鉆孔信息模擬和可視化的方法，給出了具體的實(shí)施過(guò)程，通過(guò)在上海市的應(yīng)用實(shí)例來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。

2 鉆孔信息分類(lèi)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)大量的實(shí)例分析[1－5]可將鉆孔資料所蘊(yùn)含的信息分為三類(lèi)：（1）鉆孔基本信息，如鉆孔的名稱(chēng)、類(lèi)別、編號(hào)、空間位置、孔口標(biāo)高、地下水位、深度以及具體鉆探信息；（2）地層幾何結(jié)構(gòu)信息，包括鉆孔所揭示的各個(gè)地層的名稱(chēng)、序號(hào)、埋深、形成年代、地質(zhì)成因、詳細(xì)描述等信息；（3）地層屬性參數(shù)信息，主要由鉆孔所揭示的各個(gè)地層的物理、化學(xué)、水文、工程等方面的屬性參數(shù)組成，如含水率、密度、飽和度、孔隙比、滲透率、泊松比、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。在這三類(lèi)信息中，鉆孔基本信息和地層幾何結(jié)構(gòu)信息是控制鉆孔的空間位置和三維幾何形態(tài)最重要的數(shù)據(jù)，地層屬性參數(shù)信息可視為與相應(yīng)的地層相關(guān)聯(lián)的屬性項(xiàng)。

基于在數(shù)字地球軟件平臺(tái)上模擬、分發(fā)、共享鉆孔信息的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)4 個(gè)通用的數(shù)據(jù)庫(kù)表格來(lái)存儲(chǔ)鉆孔的基本信息和地層幾何結(jié)構(gòu)信息（見(jiàn)表1～4）。需要指出，這些表格忽略了地層的屬性參數(shù)信息。如果考慮地層的屬性參數(shù)信息，只需在表3或表4 中增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)表征地層屬性參數(shù)即可。

表1 鉆孔類(lèi)別Table 1 Borehole types

表2 鉆孔基本信息Table 2 General information about boreholes

表3 鉆孔分層信息Table 3 Stratum information of boreholes

表4 整體地層信息Table 4 Information about overall strata

3 建模步驟

現(xiàn)有的數(shù)字地球平臺(tái)大多提供了強(qiáng)大的地球空間對(duì)象可視化工具，并支持OpenGIS KML 編碼標(biāo)準(zhǔn)（OpenGIS KML Encoding Standard，簡(jiǎn)稱(chēng)OGC KML 或KML）[16]。用戶(hù)不須從底層開(kāi)發(fā)可視化環(huán)境，只需要基于KML 編碼規(guī)范來(lái)描述和保存自己所擁有的地球空間信息，數(shù)字地球系統(tǒng)就能快速加載并渲染、繪制出這些信息所表達(dá)的地球空間對(duì)象[17]。按照這種思路，提出一種使用KML 在數(shù)字地球平臺(tái)上進(jìn)行地質(zhì)鉆孔模擬和可視化的方法。下面詳細(xì)介紹建模的具體步驟。

3.1 鉆孔數(shù)據(jù)規(guī)范化及建庫(kù)

對(duì)于一個(gè)特定的研究區(qū)域，可能會(huì)有數(shù)目眾多的鉆孔。建模過(guò)程的第1 步，需要根據(jù)章節(jié)2 設(shè)計(jì)的鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)表格，進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理和建庫(kù)工作。首先創(chuàng)建一個(gè)電子表格文件，然后在其中創(chuàng)建鉆孔類(lèi)別表、鉆孔基本信息表、鉆孔分層信息表和整體地層信息表（即表1～4），接著將整理好的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入或錄入到相應(yīng)的工作表中，以實(shí)現(xiàn)鉆孔信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)，為后續(xù)的模型生成與可視化分析提供初始數(shù)據(jù)。

3.2 設(shè)置三維建?？刂茀?shù)

建模過(guò)程的第2 步，需要設(shè)置3 個(gè)參數(shù)（包括橫向縮放系數(shù) SH、縱向縮放系數(shù) SV和整體抬升高度U）來(lái)控制鉆孔三維實(shí)體模型的幾何尺寸以及鉆孔模型在地球空間中的放置高度。

地質(zhì)鉆孔在水平方向上的幾何尺寸較?。讖揭话阈∮?00 mm），而在縱向上的深度則可達(dá)幾十米甚至上百米。依照實(shí)際的鉆孔孔徑直接繪制出的三維實(shí)體模型，往往呈比例極不協(xié)調(diào)的線狀。在數(shù)字地球平臺(tái)中，這種細(xì)長(zhǎng)的三維模型在顯示時(shí)既不美觀，也難以用鼠標(biāo)等圖形交互設(shè)備進(jìn)行選取、查詢(xún)、分析等操作。為解決這一問(wèn)題，分別使用橫向縮放系數(shù) SH、縱向縮放系數(shù) SV來(lái)控制鉆孔在水平、豎直方向上的縮放比例。使用以下公式來(lái)計(jì)算縮放變換以后的孔徑（diameter）和孔深（depth）：

式中：diameter′為鉆孔基本信息表中存儲(chǔ)的實(shí)際孔徑；diameter為重構(gòu)鉆孔三維實(shí)體模型時(shí)需要繪制的孔徑；depth′為鉆孔的實(shí)際深度；depth為重構(gòu)鉆孔三維實(shí)體模型時(shí)需要繪制的深度。

現(xiàn)實(shí)中的鉆孔位于地球表面（即地形面）以下，但由于功能的局限，現(xiàn)有的數(shù)字地球軟件平臺(tái)進(jìn)行可視化時(shí)，三維場(chǎng)景無(wú)法由地上無(wú)縫的切換至地下，無(wú)法直接顯示位于地形面以下的模型或?qū)ο骩13－14]。為解決這一難題，設(shè)置了一個(gè)整體抬升高度U，將所有鉆孔都抬升到地形面以上，從而使鉆孔三維模型懸掛于實(shí)際鉆探點(diǎn)位的上方。抬升后的孔口標(biāo)高Z0，計(jì)算式為

式中：Z0′為鉆孔基本信息表中存儲(chǔ)的孔口實(shí)際標(biāo)高；Z0為抬升后的孔口標(biāo)高。

3.3 根據(jù)孔口地理坐標(biāo)生成鉆探點(diǎn)位

鉆探點(diǎn)位是指地質(zhì)鉆孔所處的地理位置，包括經(jīng)度和緯度。將鉆探點(diǎn)位疊加在數(shù)字地球軟件平臺(tái)提供的地形表面上，可以快速、直觀地展現(xiàn)鉆孔的空間分布情況。本文使用KML 地標(biāo)（placemark）地圖項(xiàng)來(lái)表示鉆探點(diǎn)位。地標(biāo)可用于在地球表面標(biāo)記位置，它主要由圖標(biāo)和說(shuō)明氣泡框構(gòu)成。建模過(guò)程的第3 步，需要使用KML 的