马绍忠，朱 剑，马骁驰
（广西壮族自治区自然资源信息中心，南宁 530000）
创新与发展三维地理信息技术，形成地上、地表及地下自然资源与国土空间一体化三维管理机制，促进自然资源科学化、精细化管理，是自然资源三维立体“一张图”和国土空间基础信息平台建设的重要目标[1]。钻孔数据的可视化对于地下空间数据的挖掘与分析具有重要意义，传统的方法以二维柱状图的方式表达钻孔所揭示的地下分层情况，但钻孔柱状图侧重表现地质钻孔的纵向信息，无法展现钻孔所处的空间位置，钻孔之间地质属性的延展性不能较好体现。
在三维环境中显示钻孔数据，具有交互性强、直观、灵活等特点，能够在更加真实、形象的条件下进行成果表达，从多角度、多维度观察和探索某一区域地下空间情况。对于钻孔数据的三维可视化，相关的研究进展主要体现在钻孔的三维模拟与显示技术[2-6]和基于钻孔数据的三维地质模型构建技术[7-11]两方面，其中比较突出的问题包括以下几个方面。钻孔数据的标准化和预处理步骤复杂、烦琐，工作人员需要花费大量的时间对原始记录的钻孔数据进行处理；
由于部分三维平台的功能局限，三维场景无法由地上无缝切换至地下；
专业的地质建模软件在钻孔可视化方面仅实现钻孔轨迹的单一展示，不能有效地整合和利用其他专题数据，在钻孔模型渲染、属性信息查询展示等方面灵活性较差。
本文提出一种使用Skyline 软件原生几何模型快速模拟和可视化钻孔数据的方法，展现了具体的技术流程和实现细节，某矿山的应用实例验证了该方法的有效性。
钻孔数据一般存储于电子表格，需进行一定的预处理才能满足三维可视化的需要。为了尽可能多地利用原始数据，最大限度减少数据处理的工作量，同时又满足在三维场景中模拟和显示钻孔的应用需求，本文以钻孔数据的岩性分层为基础，将钻孔数据分为三类。
（1）钻孔基本信息主要记录钻孔的基本情况，如钻孔编号、孔口坐标、孔深、孔径、工作区名称、施工单位、开工日期、终孔日期等。
（2）测斜信息主要记录不同测段的信息，如测量序号、分段孔深、方位角、天顶角、测量时间、测量人员、偏距等。
（3）岩性分层信息主要记录钻孔所揭示的各个岩层的地质、化学、水文、物理、工程等方面的参数信息，如分层号、换层深度、含水率、孔隙比、渗透率、饱和度、密度等。
钻孔数据记录的内容因地质工作专题的不同而略有差异，为了更好地表达各类专题钻孔，钻孔数据内容被分为必要信息和扩展信息。必要信息为钻孔模型渲染提供参数，是可视化的位置和形态基础；
扩展信息则可以根据专题内容进行选择性地添加，目的是更好地管理钻孔数据、查询属性、查看图件报告等。钻孔岩性分层数据模型如图1 所示，其中，“*”代表主键，“#”代表外键；
粗体代表必要信息，非粗体代表扩展信息；
钻孔基本信息与测斜信息、岩层分层信息之间关系为一对多（1：n）。
图1 钻孔岩性分层数据模型
钻孔数据三维可视化包括几何和属性的三维视觉化表达。几何的视觉化使用符号或几何图形将钻孔显示到三维场景，属性的视觉化则通过静态标注或动态交互操作的方式将特定钻孔的属性信息展示在三维场景。Skyline 软件通过两种方式实现钻孔的可视化表达。
第一种方式直接根据孔口位置或岩性分层点位置在三维场景中绘制几何对象，这种方式存在以下不足。
（1）每段钻孔模型均为独立存在的几何对象，都会被加载到数据目录树，分层数量较多时存在管理不便且无法统一设置和更改模型对象渲染方式的问题。
（2）仅能浏览钻孔的空间形态，无法查看每个钻孔或岩性分层的详细属性信息。
（3）钻孔模型只能在Skyline 软件中查看，无法另存为图层，不利于数据的共享与交换。
第二种方式将孔口位置或岩性分层点位置作为一个独立的图层加载到三维场景，通过设置图层的显示方式及参数完成可视化表达。这种方式能有效地避免第一种方式存在的问题，使用起来方便、灵活，本文采用此方式实现钻孔数据的三维可视化。
为了在Skyline 软件中实现钻孔数据地表、地下二三维一体化表达钻孔，需利用二次开发接口读取电子表格中规范化处理的钻孔数据，计算生成孔口位置点图层和岩性分层点图层，均以ESRI Shapefile（*.shp）格式进行存储。在TerraExplorer 模块中加载图层，设置钻孔点位及岩层模型的渲染符号和空间位置、形态参数，配置属性查询的方式和内容，即可实现钻孔数据三维可视化。加载研究区内相关专题数据，与钻孔模型集成展示，根据需要灵活调整钻孔模型的渲染方式，查看钻孔及每个岩层的属性，浏览相应的图件报告等，以更加直观的方式挖掘钻孔数据提供的信息。技术流程如图2所示。
图2 钻孔数据三维可视化技术流程
2.1 孔口位置点图层生成
孔口位置点图层记录每个钻孔的位置及其属性信息，将孔口位置叠加显示在地表，可以快速直观地展现研究区域内钻孔的分布情况。图层中的每个点代表一个钻孔，其位置为孔口坐标，属性为钻孔的必要信息和扩展信息，孔口位置点图层的必要属性字段如表1 所示，扩展属性字段根据需要添加。
表1 孔口位置点图层的必要属性字段
2.2 岩性分层点图层生成
岩性分层点图层记录岩性分层的空间位置、空间形态及属性信息。每个点代表一个岩性分层，点的坐标记录当前岩层与下伏岩层分界位置。岩层以独立特征点的形式存储在图层，这样能够更好地表达倾斜钻孔、关联查询岩性分层的属性信息与图件报告等。每个特征点的属性信息继承自钻孔的岩性分层表和测斜表，而空间位置和空间形态信息则由孔口位置和测斜信息逐段计算。岩性分层点图层的必要属性字段如表2 所示，扩展属性字段根据需要添加。
表2 岩性分层点图层的必要属性字段
岩性分层点图层是钻孔柱状模型表达的关键，各分层点的位置需综合计算记录钻孔信息的3 个表格。计算之前先按照换层深度对所有的岩性分层点进行排序，若测斜表中2 个测段交接处不是岩性分层点，该位置作为一个虚拟的岩性分层被增加到分层记录。假设岩层S为钻孔的某一岩性分层，首先，根据钻孔编号从岩性分层记录表中提取上一分层点的位置和换层深度以及当前分层的换层深度，若当前计算的分层为钻孔的第一个分层，则取孔口位置表中对应钻孔的孔口位置且换层深度赋值为0；
然后，根据钻孔编号及当前分层的换层深度从测斜表中提取对应测段的方位角、天顶角；
最后，计算岩层S的分层点位置，公式如公式（1）。
式中：d1为上一分层点的换层深度；
d2为岩层S的换层深度；
d为岩层S的厚度；
α为对应测段的方位角；
β为对应测段的天顶角；
Px、Py和Pz分别为上一分层点的经度、纬度和高程；
Sx、Sy和Sz分别为岩层S的分层位置点的经度、纬度和高程。
分别取每个钻孔的所有分层，按照以上步骤逐层计算分层点的位置，属性信息则复制所在位置对应的岩性分层信息。
2.3 孔口位置模型参数配置
孔口位置可视化包括孔口空间位置的图标和钻孔的说明性标注（一般为钻孔编号）。将孔口位置点图层加载到三维场景中，显示符号的Type设置为Image Label，路径设置为预先处理好的钻孔符号图片存放路径。其他参数的设置分如下2 种情况。
（1）普通属性参数。设置属性对话框类型为Attributes，定义每个属性的名称、描述、值及提示。
（2）附件属性参数。一般将图片、文档等文件存储于文件服务器，依据钻孔编号将文件路径赋值到孔口位置点图层的属性，在Skyline 软件中通过参数设置的方式实现关联查看。若附件为图片则设置属性对话框类型为HTML/Image；
若附件为普通文档则将属性对话框类型设置为File，并设置每个钻孔所要关联查看的附件路径。对于钻孔的说明性标注，仅需将显示符号设置为Text Label，并设置标注的属性字段，调整文字参数。
2.4 岩性分层模型参数配置
本文将岩性分层点图层加载到三维场景，设置显示符号的Type 为Cylinder，设置Attitude、Height、Yaw、Pitch 参数，这些参数分别对应岩性分层点图层的高程、层厚、方位角、天顶角属性字段。柱状模型的参数设置方法与孔口位置点图层的设置类似，同样区分不同的参数类型。
地质钻孔在水平方向的几何尺寸较小，而深度则可达几十米甚至数百米，依照实际孔径直接绘制的柱状模型往往呈比例极不协调的线状，不便于在小比例尺场景下浏览。为解决这一问题，本文使用孔径缩放系数调整钻孔柱状模型在水平方向上的缩放比例，在Skyline 软件中动态设定Radius X 参数为孔径缩放系数。此外，为了保证三维场景同时加载的数据不至于过多，提高模型渲染的效率和交互响应速度，同时又能在大比例尺下查看钻孔的细节，需要根据实际情况设置钻孔柱状模型的最大可见距离（Max.Visibility Distance）和最小可见距离（Min.Visibility Distance）。
2.5 模型渲染及多源数据集成展示
除了空间位置和空间形态外，颜色和纹理对于钻孔模型的渲染也是必不可少的。实际应用往往根据数据展示和分析的需要，灵活设置模型的颜色和纹理。为了查看岩性分层情况，可以根据岩层的分层编号进行唯一值渲染；
为了直观表现钻孔深度，可以根据岩层的深度使用颜色带渲染；
为了突出显示见矿岩层，可以结合属性表中的见矿属性字段，采用自定义颜色突出显示见矿岩层，关闭或弱化其他岩层的显示；
为了便于与传统柱状图比较，可以为模型设置规范的纹理图案或岩心照片。
要进一步分析地下空间特征信息，需查看钻孔记录的原始信息、分析报告、图片资料等。Skyline 软件提供了丰富的属性查看方式，如鼠标悬停提示、标签提示、对话框展示、网页显示等，可根据需要设置属性的显示方式和需要显示的属性信息。
除了钻孔数据外，地表地形数据、遥感影像数据、基础地理数据、地质专题数据、无人机倾斜摄影模型等，均能从不同角度为地下空间特征研究、矿山设计开采、自然资源管理提供有用的信息。本文将钻孔三维模型与不同专题、不同来源的数据集成展示，从不同视角浏览钻孔数据，查看各个专题数据的属性信息，动态、直观地展示研究区域内地下和地表的空间特征及状态，更好地辅助决策分析。
为了验证方法的有效性，本文选取了某矿山的钻孔数据实现三维可视化。使用的Skyline 软件版本为V6.5，TerraExplorer、TerraBuilder 模块运行的基础环境为视窗（Windows）10 操作系统，TerraGate 模块运行的基础环境为视窗服务器（Windows Server）2012 操作系统。本文共收集19 条钻孔数据，按照岩性分层模型对数据进行规范化处理并存储在表格中，钻孔的深度为210～550m，测段数为5～14 段，岩性分层数为22～60 层。数字高程模型与遥感影像通过TerraBuilder 生成MPT 格式文件，该文件被加载到TerraExplorer 中并作为三维场景的底图，其他专题数据均已通过ArcGIS Server（服务器）发布为表述性状态转移（representational state transfer，REST）服务或通过TerraGate 发布为网络要素服务（web feature service，WFS），可直接在TerraExplorer 中集成显示，数据的空间参考系统为2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。
加载孔口位置点图层和岩性分层点图层，设置显示符号和标注参数，从地表和地下分别展示钻孔及岩层分层点在空间位置上的分布。为钻孔模型设置不同的渲染颜色和纹理，从不同角度挖掘钻孔揭示的地下空间信息，如图3 所示。通过鼠标点击孔口位置点符号或钻孔柱状模型，查看钻孔基本信息、钻孔柱状图、岩层属性信息、岩心照片。将矿业权范围、地质灾害点、无人机倾斜摄影模型等加载到三维场景中并与钻孔模型集成显示，如图4 所示，动态、直观地展示研究区内地表和地下的空间特征及状态。
图3 不同方式渲染钻孔模型
图4 钻孔模型与多源数据集成显示
本文研究了在Skyline 软件中使用原生几何模型按岩性分层进行钻孔三维模拟和可视化的方法，从多角度、多维度显示和查看钻孔信息。应用实例表明，该方法无需过多的数据预处理，实现过程简单、路径清晰、易于理解，钻孔模型渲染配置灵活，地上、地下场景无缝切换，多源数据集成能力强，能快速、直观、准确地展现各个钻孔的空间分布情况以及钻孔所揭示的地下空间特征信息。该方法的应用将有助于专业人员对钻孔数据进行挖掘和分析，为地质决策服务提供更加直观、准确的信息。本文研究成果对于钻孔数据的表达和管理、三维地质建模、自然资源三维立体“一张图”建设等具有一定的借鉴意义。
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