基于Voxler平台的城市地质调查数据的三维可视化

常晓军 葛伟亚 周丹坤 贾军元 雷廷

摘  要：在计算机虚拟的三维环境下，可以更加直观、形象的展示地质模型，服务于工程建设、科学研究和决策支撑。Voxler平台具有强大的建模、分析和三维可视功能，可用来支撑“透明城市”的实现，但却鲜用该方面的应用研究。以丹阳市小城镇水工环地质综合调查项目为依托，采用Voxler平台中的计算、图形输出和通用模块，探索了该平台在城市地质调查数据三维可视化中的应用潜力。结果显示该软件在钻孔、地质界面、地质体和试验测试数据的可视化以及地上地下一体化建模方面，具有良好的应用效果。

关键词：三维可视化;Voxler;城市地质调查;地上地下一体化模型

中图分类号：TP311.52        文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）02-0006-06

Abstract：The geological model can be displayed more intuitively and vividly by 3D-visualization technology， which may serve the engineering construction， scientific research and decision support. The Voxler platform has powerful simulation， analysis， and 3D visualization capabilities， which can be used to support a “transparent city，” but with little research in related area. Based on the geologic comprehensive survey project of the Danyang City， using the computational， graphic output and general module in the Voxler platform， the application potential of the platform in 3D visualization of urban geological survey data is explored. As a result， the Voxler platform shows good application effect in the visualization of boreholes， geological interfaces， geological bodies， test data and integrated modeling of underground and ground.

Keywords：3D visualization; Voxler platform; Urban geological survey; Integrated model of ground and underground

0 前言

近年來，为适应新型城镇化建设的需求，我国在城市群、大城市和中小城镇等不同层面组织开展了大量的城市地质调查。建立可视化的三维城市地质模型（透明城市）是新时期城市地质调查所要重点考虑的工作（屈红刚等，2015;林良俊等2017）。自然而成的地质体是人类赖以生存的基础载体，具有非均质性和复杂的空间变异性的基本特征。地质环境评估、地质灾害治理和地质工程建设等都离不开对地质体属性的准确把握。运用先进的计算机技术，在虚拟三维环境下实现地质数据的可视化，可以在更加直观、形象的环境下进行地质模型展示和数据分析，服务于工程建设、科学研究和决策支撑（吴冲龙等，2003;潘懋等，2007;容东林等，2016）。

国外开展关于三维地质建模及地质数据可视化的研究较早，在理论方法研究、建模软件开发和实际应用方面都取得了较好的发展。自加拿大学者Houlding（1994）首次提出了三维地学建模（3D Geoscience Modeling）的概念以来至21世纪初，地质数据可视化的技术已经得到了飞速发展，并广泛应用于矿产资源勘探、矿山规划管理、工程地质勘察、城市地下空间管理等多个领域（李青元等，2016）。用于三维地质建模的软件琳琅满目，各有技术特色和主要应用领域。国外的软件如GoCAD、Petrel、MineSight、Vulcan、Surpac vision等，国内研发的软件有MapGIS K9、Longruan GIS、GeoView、3DMine等（李青元等，2013）。Voxler作为美国Golden Software公司开发的一款可视化科学制图软件，以界面友好、易于操作、成图快捷和三维可视著称。地学中已经将其应用于物探数据解译、水质分析、污染场地调查、钻孔轨迹可视化等领域并取得了良好的效果（朱学林，2008;张景华等，2011;窦文武等，2015;李晓璇等，2017;李祖能，2018）。城市地质调查领域中提出的“透明城市”是指利用地质调查手段（遥感、钻探、物探、化探、实验测试等）获得的描述地质属性的数据（大多是点上的，也有面上的，但本源上也还是点上的）去推测看不见的整个城市的地下地质情况并建立三维模型。抽象的从数据角度看，可以认为是利用空间上离散分布的已知点数据通过数学计算获得整体中的其它点数据，并在计算机虚拟三维环境下实现可视化的过程。已知的点数据可以用x，y，z∶C来表示，其中x，y，z为代表空间位置的坐标值，C为代表属性的特征值且随x，y，z值的变化而变化。一个点上可具备多个不同类型的属性，即一个x，y，z可以对应多个C值。而Voxler设计的初衷就是为了展示x，y，z∶C型的数据，理论上Voxler平台应十分适用于实现城市地质调查数据的三维可视化，但却鲜有相关方面的论述。

本文以江苏镇江丹阳市小城镇水工环地质综合调查项目为依托，介绍了利用Voxler平台实现钻孔、地质界面、地质体和实验测试结果三维可视化的方法，并以丹阳为例展示了该平台在城市地质调查数据三维可视化中的应用效果。

1  Voxler建模流程

Voxler可视化制图软件具有强大三维建模及显示功能，自2006年问世以来目前已更新至4.3版本。它通過对离散的空间数据点进行插值处理，生成矢量图、等值面图、切片图、流线图、三维散点图、体积渲染图等三维模型。在计算机交互的可视化环境中可对图像进行集成展示，并可对模型进行任意比例的放缩和任意角度的观察。

采用Voxler可视化建模的一般过程分为数据输入、数据处理和数据输出3个步骤（图1）。Voxler对数据的兼容性良好，支持多种类型的数据输入，主要类别有离散点数据（文件类型可以是txt、xls、dat、csv等）、网格数据（由一维、二维或三维数据阵列组成）、井孔数据和几何形状（由三角形、纹理贴图、线段或其他对象组成，如DXF、SHP、BLN等文件），数据类型也决定了其可以连接的处理模块类型。数据被导入软件后，通过Module Manager（模块管理器）、Network Manager（网络管理器）、Property Manager（属性管理器）等数据处理工具以完成添加、连接、编辑和显示对象的任务（表1、图2）。

2 Voxler在城市地质调查数据三维可视化的应用

2.1 钻孔的可视化

钻孔是查明地下地质情况最直接有效的手段。钻孔数据是经过测量、整理后的钻孔资料，是对地质现象进行分析评价的基础依据，是对钻孔资料的高度抽象。Voxler为钻孔提供专门的录入格式，其可视化的关键操作步骤如下：①导入Collars数据。单击“import（导入）”命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件（Collar文件为XLSX格式，初始数据格式如图3所示），将数据添加到Network Manger窗口。在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points。②导入Trajectories数据，步骤同上。③导入Sample数据，步骤同上。④点击模块管理窗口中的Well功能，并将其与上面步骤导入的Collars、Trajectories、Sample数据连接。⑤点击模块管理窗口中的WellRender功能，与以上步骤生成的Well数据（图3中所示的BoreholeData）连接。⑥选定WellRender文件（图3中所示的BoreholeRender），在属性管理窗口可调整钻孔的显示效果（图4）。

2.2 地质界面的可视化

Voxler中地质界面可视化的实现往往需要借助Surfer中生成的.grd类型的文件（图5）。Voxler和Surfer是Golden Software公司推出的姊妹软件：Voxler擅长处理x，y，z∶C型的数据，Surfer擅长处理x，y，z型的数据（地质界面形态的控制点数据通常都是x，y，z型的）。地质界面可视化的关键操作步骤如下：①在Sufer中导入编辑好的数据（地质界面的初始数据格式如图5所示），并将插值结果导出为GRD格式的文件。②将GRD文件直接导入Voxler，然后点击模块管理窗口中的HeightField功能与导入的GRD文件相连。③选中Network Manger中的HeightField，在属性管理窗口中调整地质界面的显示效果（图6）。

2.3 地质体的可视化

Voxler中地质体的可视化可通过两种方式实现：1）通过地质界面的包围显示。地质体的边界即为地质界面，基于已知的地质界面，通过Math计算模块（算式格式为Z>B？ 0：A或Z<B？ 0：A）对地质界面包围的内部空间数据进行白化，最终连接到VolRender模块导出显示。2）通过离散的属性点插值显示。比如已知各个钻孔所揭露出的某个地层的位置及其厚度数据，基于这些数据，通过Gridder计算模块对数据进行插值分析，最终连接到Isosurface模块导出显示（图7）。

2.4 试验测试数据的可视化

将整理好的土工试验数据导入Voxler平台，通过ScatterPlot模块可实现土样取样点及其物理力学性质指标的可视化。此外，城市地质调查所获得的物探、化探数据均可借助Voxler平台实现可视化。点数据属性可视化的关键操作步骤如下：①导入整理好的散点属性数据（初始岩土属性数据的格式如图8所示），注意在Property Manager中的Output部分将输出类型设置为Points，而不是Wells。②点击模块管理窗口中的ScatterPlot功能，与以上步骤生成的点数据连接。③选定ScatterPlot文件，在属性管理窗口中调整属性点的显示效果。

2.5 多种城市调查数据的集成

前已述及，钻孔、地质界面、地质体、实验测试结果等多种类型的城市地质调查数据均可通过Voxler平台实现可视化。只要以上数据是按照统一的坐标系导入的，便可在Voxler的三维空间内集成显示。除此之外，地表的建筑物、道路、河流等地理信息也可通过DXF和SHP等格式的文件导入，实现地表和地下信息的集成展示，更有助于相关的分析、研究和决策（图9）。

3 结论和讨论

（1）Voxler为城市地质调查数据的可视化提供了良好的平台，在交互的可视化环境中实现地质模型的三维重构，并可对模型进行任意比例的放缩和任意角度的观察。基于城市地质调查获得的三维控制点信息（x，y，z∶C型数据），通过Well功能联结Collars、Trajectories和Sample数据并借助WellRender模块可实现钻孔真实轨迹、地层划分、沿钻孔地层属性改变的可视化;通过HeightField模块，借助Surfer中生成的GRD文件可实现地质界面的可视化;通过Math模块结合VolRender模块或者Gridder模块结合Isosurface模块可实现地质体的可视化;通过ScatterPlot等模块可实现试验测试数据的可视化。除此之外，Voxler平台支持DXF和SHP类型的地表数据导入，从而实现地上地下信息的集成展示，服务于分析研究和决策支撑。

（2）尽管Voxler平台对三维空间数据具有良好的展示效果，但它并非专门用于地质建模。在实际应用过程中尚存在以下几个问题有待进一步的探索和改进：①对岩体侵入、断层切割等地質现象的可视化。②对地质体的展示仅能通过色彩标识，不能填充专业的地质符号。③该软件本身不支持中文，需要加载额外的汉化包方可使用中文界面。

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