基于数字地球平台的地质钻孔三维模拟与可视化

朱良峰，李自成，朱 仝，李明江

（1.华东师范大学 地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241；2.上海市闵行区环境监测站，上海 201100；3.安徽省送变电工程公司，合肥 230000）

1 引 言

近10年来地质钻孔信息的管理与可视化一直是工程地质、岩土工程领域的重要研究方向[1－5]，相关的研究进展主要体现在钻孔数据管理技术和钻孔信息可视化技术两方面。在钻孔数据管理技术方面，主要研究地质钻孔的数据组织标准、基于数据库管理系统（DBMS）或地理信息系统（GIS）的钻孔数据管理方法[2]，开发出了众多的钻孔数据管理信息系统[2,6－7]。在钻孔信息可视化技术方面，主要研究钻孔柱状图的绘制方法[8－9]以及在真三维场景中模拟和显示钻孔的方法[3]，研发出了一系列成熟的钻孔柱状图制图软件和三维地质模拟软件。然而，现有的技术、方法或系统在进行钻孔信息的管理和可视化时都存在或多或少的缺陷，其中一个最突出的问题就是现有的钻孔信息管理主要是依托于关系数据库管理系统（RDBMS）或二维GIS 软件平台来实现的，可视化时钻孔只能显示为二维平面中的一个点（钻探点位）。如果想要查看详细的钻孔资料或地层分层信息，还需要通过钻探点位查询到相应的数据库记录，或者链接到预先用专业的建模软件绘制的柱状图或三维模型，数据库记录不能直观、形象地展示钻孔在三维空间内的分布。钻孔柱状图制图软件偏重于纵向信息的绘制，生成的柱状图是二维的，不能展现钻孔所处的地理空间位置，因此，无法用来系统的管理、发布、共享海量的钻孔信息。三维地质模拟软件的应用主要局限于个人计算机，由于缺乏高效的数据共享机制，它们一般不支持在网络上显示、发布、共享钻孔三维模型。

作为一类典型的地球空间信息，每一个钻孔以及钻孔所揭示的每一个地层都位于特定的地球空间之中，并拥有特定的三维空间位置。在一个统一的地球空间框架内管理、模拟和可视化甚至集成、分发、共享所拥有的钻孔信息是一种自然而直接的要求。数字地球技术的出现为满足这一需求提供了一个有效的解决途径。数字地球技术飞速发展，先后涌现出了一系列技术成熟、功能强大的数字地球软件系统（如Google Earth、NASA World Wind 和ESRI ArcGIS Explorer 等）[10－12]。这些软件系统，不仅可用于浏览、分析全球范围内的地形数据和遥感影像，还可作为交换和共享地球空间信息的基础平台[13]。近年来，学术界开展了在数字地球软件系统中进行地球物理模拟[14]及地质构造可视化[15]方面的探索，但现有的研究工作尚未涉及到地质钻孔信息的模拟与可视化。本文研究在数字地球软件平台中进行地质钻孔信息的模拟与可视化技术，其目标是以三维的形式来表达钻孔的空间位置及地层分层信息，并基于数字地球软件平台，在国际互联网上对钻孔三维模型进行分发与共享。为实现这一目标，本文归纳出一个通用的钻孔数据库标准，基于KML（keyhole markup language）编码规范，提出一种在数字地球软件平台上进行钻孔信息模拟和可视化的方法，给出了具体的实施过程，通过在上海市的应用实例来验证该方法的有效性。

2 钻孔信息分类和数据标准化

通过大量的实例分析[1－5]可将钻孔资料所蕴含的信息分为三类：（1）钻孔基本信息，如钻孔的名称、类别、编号、空间位置、孔口标高、地下水位、深度以及具体钻探信息；（2）地层几何结构信息，包括钻孔所揭示的各个地层的名称、序号、埋深、形成年代、地质成因、详细描述等信息；（3）地层属性参数信息，主要由钻孔所揭示的各个地层的物理、化学、水文、工程等方面的属性参数组成，如含水率、密度、饱和度、孔隙比、渗透率、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。在这三类信息中，钻孔基本信息和地层几何结构信息是控制钻孔的空间位置和三维几何形态最重要的数据，地层属性参数信息可视为与相应的地层相关联的属性项。

基于在数字地球软件平台上模拟、分发、共享钻孔信息的应用需求，设计4 个通用的数据库表格来存储钻孔的基本信息和地层几何结构信息（见表1～4）。需要指出，这些表格忽略了地层的属性参数信息。如果考虑地层的属性参数信息，只需在表3或表4 中增加相应的数据项来表征地层属性参数即可。

表1 钻孔类别Table 1 Borehole types

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

表3 钻孔分层信息Table 3 Stratum information of boreholes

表4 整体地层信息Table 4 Information about overall strata

3 建模步骤

现有的数字地球平台大多提供了强大的地球空间对象可视化工具，并支持OpenGIS KML 编码标准（OpenGIS KML Encoding Standard，简称OGC KML 或KML）[16]。用户不须从底层开发可视化环境，只需要基于KML 编码规范来描述和保存自己所拥有的地球空间信息，数字地球系统就能快速加载并渲染、绘制出这些信息所表达的地球空间对象[17]。按照这种思路，提出一种使用KML 在数字地球平台上进行地质钻孔模拟和可视化的方法。下面详细介绍建模的具体步骤。

3.1 钻孔数据规范化及建库

对于一个特定的研究区域，可能会有数目众多的钻孔。建模过程的第1 步，需要根据章节2 设计的钻孔数据库表格，进行钻孔数据的规范化处理和建库工作。首先创建一个电子表格文件，然后在其中创建钻孔类别表、钻孔基本信息表、钻孔分层信息表和整体地层信息表（即表1～4），接着将整理好的钻孔数据导入或录入到相应的工作表中，以实现钻孔信息的统一存储，为后续的模型生成与可视化分析提供初始数据。

3.2 设置三维建模控制参数

建模过程的第2 步，需要设置3 个参数（包括横向缩放系数 SH、纵向缩放系数 SV和整体抬升高度U）来控制钻孔三维实体模型的几何尺寸以及钻孔模型在地球空间中的放置高度。

地质钻孔在水平方向上的几何尺寸较小（孔径一般小于500 mm），而在纵向上的深度则可达几十米甚至上百米。依照实际的钻孔孔径直接绘制出的三维实体模型，往往呈比例极不协调的线状。在数字地球平台中，这种细长的三维模型在显示时既不美观，也难以用鼠标等图形交互设备进行选取、查询、分析等操作。为解决这一问题，分别使用横向缩放系数 SH、纵向缩放系数 SV来控制钻孔在水平、竖直方向上的缩放比例。使用以下公式来计算缩放变换以后的孔径（diameter）和孔深（depth）：

式中：diameter′为钻孔基本信息表中存储的实际孔径；diameter为重构钻孔三维实体模型时需要绘制的孔径；depth′为钻孔的实际深度；depth为重构钻孔三维实体模型时需要绘制的深度。

现实中的钻孔位于地球表面（即地形面）以下，但由于功能的局限，现有的数字地球软件平台进行可视化时，三维场景无法由地上无缝的切换至地下，无法直接显示位于地形面以下的模型或对象[13－14]。为解决这一难题，设置了一个整体抬升高度U，将所有钻孔都抬升到地形面以上，从而使钻孔三维模型悬挂于实际钻探点位的上方。抬升后的孔口标高Z0，计算式为

式中：Z0′为钻孔基本信息表中存储的孔口实际标高；Z0为抬升后的孔口标高。

3.3 根据孔口地理坐标生成钻探点位

钻探点位是指地质钻孔所处的地理位置，包括经度和纬度。将钻探点位叠加在数字地球软件平台提供的地形表面上，可以快速、直观地展现钻孔的空间分布情况。本文使用KML 地标（placemark）地图项来表示钻探点位。地标可用于在地球表面标记位置，它主要由图标和说明气泡框构成。建模过程的第3 步，需要使用KML 的