“3S”技術在土地整理項目管理中的應用研究

高向軍 范樹印 賈文濤

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（國土資源部土地整理中心，北京，100035）

摘要：土地整理項目管理是一項牽涉面廣、理論性和技術性都很強的富有挑戰性的工作，客觀上需要先進科技手段的支撐。“3S”技術作為一種高效獲取和管理空間信息的技術手段，目前正在被廣泛地應用到國民經濟各個領域，發揮著越來越重要的作用，為加大土地整理項目監管力度，提高項目管理的科學化水平提供了一種新思路。本文對“3S”技術在土地整理項目管理中的應用需求進行了分析。

關鍵詞：“3S”技術；土地整理；實踐；展望

自新《土地管理法》實施以后，大規模的土地整理在全國蓬勃開展起來。幾年來，國土資源部一直致力于土地整理政策及規章制度的研究工作，在推進土地整理事業的穩步發展，促進實現耕地總量動態平衡、促進糧食增產、農民增收、農村發展方面發揮了重要作用，取得了巨大成績。但土地整理活動是一個復雜的系統工程，是一項綜合性很強的工作，涉及的政策、理論、技術性問題很多。因此，從理論上講，要真正科學地搞好土地整理工作，僅僅依靠規章制度是不夠的。

黨的十六屆五中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十一個五年規劃的建議》發出了“搞好土地整理”的號召，揭開了我國土地整理事業發展的新篇章。土地整理是我國建設社會主義新農村的重要內容和必然選擇，因此責任重大、使命光榮、前景廣闊。在新的形勢下，為更快、更穩健地推進土地整理工作，必須加大高新技術應用研究的力度，建立一套比較完善的技術支撐體系，提高土地整理工作的科技含量。其中，積極推動“3S”技術的應用對提高土地整理的科學化水平具有十分重要的意義，是當前和今后一段時間高新技術應用研究的重點。

1 “3S” 技術在土地整理項目管理中的應用需求分析

土地整理項目包含大量的地理空間信息，如項目區地理位置、坡度分布、高程變化、地物分布等，正確解讀這些空間信息是對項目做出科學判斷的基礎。總的來說，用常規手段解讀項目在技術上有兩方面的困難：一是現有的項目信息載體能夠提供的有價值的信息不夠；二是處理和解讀信息的手段不夠先進，導致對一些重要信息漏“讀”或“讀”不懂。“3S”技術作為一種高效的信息采集、處理、分析手段，可以輔助識別項目的真實面目，監測項目的“水分”，使項目決策更具科學性和時效性，為加大項目監管力度，提高項目管理的科學化水平提供了一種新思路。其中，遙感（RS）技術可用于大面積、快速獲取項目區各種地物信息，是地物信息采集的主要手段；全球定位系統（GPS）可用于重要地物的快速空間定位，輔助外業踏勘；激光技術結合GPS技術可以用于快速、精確地采集項目區三維空間信息；地理信息系統（GIS）可對多源空間數據進行綜合處理、集成管理和各種空間分析，輔助項目決策。

在土地整理項目前期準備階段，“3S”技術可用于土地整理潛力調查、土地清查、地形測繪、輔助設計等基礎技術性工作，提高前期工作質量和效率。從項目監管的角度看，“3S”技術的應用貫穿于從項目評價與審查、實施監督檢查、竣工驗收到項目后評價的整個過程。

在項目評價與審查階段，要對一個項目做出科學的判斷，至少需要回答三個問題：一是項目的真實性，如項目區的地理位置是否正確，申報的土地利用類型是否與實地相符，是否具備項目實施所必需的路、水、電等基礎條件等；二是基礎數據的準確性，如申報建設規模是否準確，各種地類面積是否準確，新增耕地潛力計算是否準確等；三是基本技術方案的合理性，如田塊布置及溝、路、林、渠等各項工程的布置是否與實際地形相符，土地平整方案是否合理等。要回答上述問題，僅靠研究項目申報材料是不夠的，“3S”技術為解答這些難題提供了一個切實可行的解決方案。

在項目實施管理階段，為了及時了解項目的實施進展情況，防患于未然，必須跟蹤項目的實施過程，監測項目是否按預期進度施工，是否按規劃設計方案施工。“3S”技術已廣泛應用于國土資源監測的各個領域，也必然成為土地整理項目動態監測的最實用、最高效的輔助工具，可以將“3S”技術與到項目區實地檢查相結合作為項目動態監測的日常手段。

在項目竣工驗收階段，驗收的主要內容包括資金使用情況和工程任務完成情況兩個方面，工程任務完成情況要求從工程數量和工程質量兩個角度評價。竣工驗收，除了對項目成果進行定性地評價外，更重要的是定量化驗收，看完成了多少建設任務，提高統計數據的可信度。要獲得這些數據，采取實地人工測量的方式是不現實的，可以借助于“3S”技術。

土地整理要堅決杜絕“重建輕管”的現象，做好建設成果管護工作。通過定期獲取項目區的最新遙感圖像，可以直接分析項目區土地利用現狀，農田基礎設施是否遭到破壞等。并將不同時相的圖像進行前后比較，就可以達到監測項目成果運行管護情況的目的。

綜上所述，“3S”技術應用于土地整理項目監管的核心問題是項目區遙感數據的獲取與分析。因此，遙感影像分辨率和應用成本成為“3S”技術應用研究關注的重點。

2 “3S” 技術在土地整理項目管理中的應用實踐

自2001年全國土地開發整理項目管理培訓班上提出土地整理信息化構想以來，“3 S”技術的應用逐步提上日程，受到業內越來越多人的關注，重點是針對以“3S”技術為核心的信息技術在土地整理項目管理各個階段的應用展開研究，旨在探索一種輔助土地整理項目管理工作的先進手段，提高項目決策水平，實現對項目實施過程的動態監測和項目竣工驗收的定量化，總結出一套檢查項目的真實性、監控項目“水分”的方法體系。研究成果對推進土地整理項目的規范化、科學化管理具有重要意義。

2.1 實驗數據

研究中使用了北京市順義區北小營鎮、房山區長溝鎮、大興區西紅門、海淀區農大地區、蘇家砣地區5個實驗區的遙感影像數據。所選實驗區涵蓋了平原和丘陵兩種地貌類型以及農用地、建設用地、未利用地三種土地利用類型，因此具有較強的代表性。從影像分辨率上看，涵蓋了從10 m、5.8 m、2.5 m、1 m到0.61 m的各種分辨率、全色和多光譜遙感影像數據，以對不同分辨率影像應用效果進行對比分析，針對不同的應用目標提出合理的建議方案。

根據第一階段研究得出的結論，第二階段研究選擇的是IKONOS1 米全色影像數據，對福建省莆田市荔城區黃石鎮土地整理項目、北京市密云縣巨各莊鎮土地整理項目、湖北省英山縣土地整理項目等三個國家投資項目進行了監測評價。

第三階段主要是開展了IKONOS立體像對在大比例尺測圖中的應用研究以及GPS和激光相結合的快速測圖系統研究。IKONOS立體像對應用實驗區域應具有一定的覆蓋面積，涵蓋多種地貌類型，覆蓋至少兩個條帶的影像數據，因此選擇了地貌類型多樣、山區與城區相結合的石景山門頭溝交界地區作為試驗區。試驗區覆蓋九幅1∶10000地形圖，面積近240km2，包括兩個條帶的影像，共四個立體像對。

2.2 研究結論

經過四年時間的深入研究，得出如下幾點結論：

（1）土地整理項目監測要求遙感影像幾何分辨率不低于2.5m 單純從影像分辨率角度考慮，1 m彩色IKONOS和0.61 mQuickBird等高分辨率衛星影像為當前最佳選擇。通過解譯高分辨率影像可以清晰勾繪項目區各地類界線，比較精確地統計各地類面積（根據本課題實驗結果，面積解譯誤差在3%以內），清晰辨識項目區內農田水利、農村道路、防護林等農業基礎設施，能夠充分反映項目區真實狀況。

（2）“3S”技術可以作為土地整理項目管理的輔助手段，能幫助管理者獲取項目的真實、準確的信息，有助于對項目做出科學判斷。

? 通過解譯項目區遙感影像，可以反映項目申報信息的真實性和準確性。因此“3S”技術可以輔助項目審查人員掌握項目的真實情況，避免虛假項目、重復申報項目套用資金的現象，提高審查人員對項目真實性的識別能力。

? 將項目區遙感影像和DEM模型疊加，可以構建起項目區三維影像圖，從而可以對項目的地貌特征、坡度坡向、土地利用類型和基礎設施的分布等情況進行分析。運用可視化飛行技術則可以直觀、動態、多角度、全方位地觀察項目區，在模擬三維環境中執行顯示、查詢和分析操作。將項目規劃圖與三維影像圖疊加，可以檢驗規劃設計方案是否符合實地情況，還可以輔助進行工程量的審查。這種不同數據源的疊加分析，可以提高項目審查的效率和審查人員對項目合理性、可行性的判斷能力。

? 可以利用“3S”技術解譯項目實施過程中不同時相的遙感影像，進行前后對比，因此可以對項目是否按設計施工及工程進度進行動態監測，實時了解項目實施進展情況。

?可以利用“3S”技術實現對項目完工后的定量評價，確認工程任務完成情況，檢驗項目實施單位上報數據的真實性，辨別工程建設數量中存在的虛假成分，使竣工驗收定量化、科學化。

? 將項目實施前的影像和竣工后的影像進行對比分析，還可以計算實際新增耕地面積，輔助開展項目影響評價等。

（3）通過對IKONOS衛星立體像對測圖（三維信息獲取）精度進行分析，認為在有控制點的前提下，完全可滿足1∶5000、1∶10000矢量圖測繪；無控制點定向情況基本可滿足1∶10000圖線狀地物的修測。通過對IKONOS衛星立體像對測圖成本分析，認為較傳統全野外測量和航空攝影測量而言，在內業和外業工作中都能夠明顯地節省工作量和測圖費用。因此，采用高分辨率衛星立體像對測圖是一種可行的方式。隨著遙感技術的迅速發展，采用衛星立體像對測圖將是一種重要的發展趨勢。

（4）從遙感影像數據的可獲取性看，當前還受到一定的制約。一是數據獲取周期較長。遙感數據分為存檔數據和編程數據。存檔數據從訂購到收到數據一般不會超過1個月，但存檔數據主要集中在城市。編程數據需要提前預訂，從預訂到收到數據一般需要3～4個月。二是受氣候條件影響較大。遙感影像最佳時相為春末至秋初，農田作物已經基本覆蓋地面，容易識別農田。我國大部分地區雨熱同期，這段時間通常多云雨天氣，這對于可見光遙感攝像不利。通常，一景影像中有20%的面積被云層覆蓋，則認為該影像不能為地物判別所使用。我國受氣候條件影響較大的地區主要是南部和西南部。遙感技術的迅速發展有望解決數據獲取的缺陷，如IKONOS Block－Ⅱ雙星雙分辨率衛星系統，分辨率為0.47m和0.27m，其產品類型和提供方式與Block－Ⅰ一樣，但數據采集能力、技術、效率將大大提高。擬于2007年發射的IKONOS Block－Ⅲ衛星系統，為能夠全天候采集數據的合成孔徑雷達衛星（SAR），可以彌補可見光遙感的不足，星下點分辨率為1m。我國新研制成功的無人飛艇遙感監測系統，將無人飛艇技術與遙感技術緊密結合，可快速獲取地表高分辨率影像，成本低，操作靈活，特別適用于多云多雨、氣候多變和地質條件、地貌環境復雜地區。

（5）鑒于目前遙感影像尤其是高分辨率影像應用成本較高，為了降低土地整理項目監管成本，可以根據項目管理目標的不同而采取不同的方案。在不用遙感技術的情況下，同樣可以做很多工作，發揮很大作用。

? GIS應用方案：GIS已經廣泛應用于土地整理項目的設計、審查及日常管理。從項目審查的角度看，單純使用GIS，至少可以完成以下幾項工作：一是根據項目現狀圖矢量數據（假設申報的材料是真實的），可以重新量算項目區規模和各種地類面積，驗證申報數據的準確性。二是根據項目規劃圖矢量數據，可以重新統計工程內容和工程量，驗證是否存在虛報工程量問題。三是以項目區地形圖為基礎數據源，構建項目區DEM模型，與矢量規劃圖疊加后，可以輔助分析項目區地貌特征，判斷田塊布置及溝路林渠的布置方案是否合理、可行；可以根據田塊布置方案和設計高程，判斷土方量計算是否合理、準確。研究結果表明，利用GIS計算土方量可以提高土方量計算效率。

? GPS應用方案：GPS在土地整理項目管理中的應用主要體現在其定位功能上，可以作為實地踏勘的輔助工具，進行定位分析，識別申報資料的真實性。GPS還可以用于簡單地形條件下的地塊面積量算。

3 構建 “3S” 技術支撐體系的戰略構想

綜上所述，這幾年開展的“3S”技術在土地整理項目管理各個階段的應用研究成果表明，“3S”技術是提高項目決策質量、強化項目監管力度、提高行業工作水平和效率的一種有效手段。今后，在加大已有研究成果推廣應用力度的基礎上，應進一步深入研究，逐步構建起一套成熟的“3S”技術支撐體系。體系構成如下：

（1）快速測圖系統 測圖是開展土地整理項目規劃設計前必須開展的一項基礎技術性工作。目前常用的測圖方法普遍效率較低，成本較高，因此很有必要研制一種能滿足土地整理規劃設計精度要求、成本更低、使用方便、在土地整理領域具有推廣應用價值的全數字三維信息采集及成圖系統。目前，國土資源部土地整理中心與中國農業大學精細農業研究中心正在合作開發一種基于激光和GPS技術的快速測圖系統，其中GPS用于二維平面坐標信息采集，激光用于高程信息采集。

（2）土地整理三維輔助決策系統 這里所說 “決策” 是指項目管理的各個環節的決策。目前土地整理項目規劃設計、項目評價與審查、成果演示、經驗交流等都是基于傳統的、二維平面決策模式。通過建立該系統，可以構建業務處理數學模型，提高項目決策的智能化水平；可以運用最新的GIS技術、三維建模技術、影像處理技術，實現三維輔助設計，讓設計人員直接在三維可視化場景中實現自己的規劃構想；可以運用三維空間分析技術，進行坡度坡向分析、土方量計算、表面積計算、工程內容及工程量統計、空間查詢等；可以運用三維場景、模擬飛行和多媒體技術為項目審查、決策、成果匯報等提供直觀的現場展示手段，獲得比現場踏勘更好的效果；可以建立土地整理綜合數據管理平臺，實現圖形、圖像數據、文本數據、多媒體數據的一體化、系統化管理等等。

（3）土地整理項目遙感影像庫 建立遙感影像庫是 “3S” 技術應用的基礎和關鍵。所建影像庫應能滿足對土地整理項目進行監測、評價的需要，因此需要定期更新，并實現資源共享。通過建立遙感影像數據庫，主要是用于兩方面：一是用于項目前期核查、評審工作；二是用于項目實施監督檢查工作。

（4）GPS 輔助現場調查系統 經過多年的研究，遙感技術的應用思路已比較成熟，應用效果顯著，但由于受到各方面條件的制約，遙感技術的應用還有較大的局限性。在實際工作中，更多地還是到項目區實地進行現場察看。但到現場踏勘也面臨很多困難，尤其是在地形比較復雜的丘陵山區，很難達到預期的效果。因此，迫切需要研制一套GPS輔助現場調查系統，核心目標就是把PDA技術和GPS技術融合在一起，將項目矢量圖件導入PDA，利用GPS的定位、導航功能，實現圖件與實地的聯動，引導調查人員開展現場調查和野外信息采集工作，提高調查的質量和效率。GPS輔助現場調查系統在土地整理項目前期核查和實施監督檢查工作中具有廣闊的應用前景。有了這個系統，就等于建立起了“天上看、地上查”的立體監管體系，必將大大提高各級國土資源管理部門的監管能力。

（5）全國土地整理綜合知識庫 綜合知識庫的內容包括全國各地自然、資源條件、農業氣象資料、水文地質資料、土壤資料等相關基礎資料，以及相關規劃、政策法規、技術規范等。綜合知識庫的建立是進一步提高土地整理決策水平的基礎。

構建“3S”技術支撐體系，是當前土地整理項目管理工作的迫切需要，也是未來土地整理決策的發展方向，對促進土地整理事業的可持續發展具有十分重要的意義。

參考文獻

高向軍，賈文濤，陳原等.土地整理項目管理與決策支持系統的構建.農業工程學報，2002，18 （3）

賈文濤，朱德海，楊永俠.“3S”技術在西部退耕還林（草）中的應用探討.中國地理信息協會第六屆年會參評論文集，2001.3

三維可視化技術在四川盆地油氣勘探信息管理中的應用研究

唐先明1，2　曲壽利1　雷新華2

（1.中國石化石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國地質大學（北京），北京100083）

摘要 在分析目前石油領域三維可視化技術應用局限性的基礎上，給出了全球三維可視化系統構建流程和數據組織管理模式。以ArcSDE作為空間數據引擎，利用Oracle 10g建立四川盆地油氣勘探海量空間數據庫，基于三維可視化軟件平臺Skyline TerraSuite，利用功能強大的三維可視化開發平臺TerraDeveloper，設計、開發基于全球三維模型的油氣勘探信息集成管理平臺。通過集成基礎地理數據庫、區域地質數據庫、地面工程數據庫、遙感影像庫、地層數據庫、斷層數據和測井數據，該系統不僅提供了強大的油氣勘探基礎數據管理、三維地形建模以及模型的可視化功能，還為專業技術人員提供了一個可視化的分析、設計平臺。

關鍵詞 四川盆地 三維可視化 三維地理信息系統 油氣勘探 全球導航

Application and Research of 3D Visualization Technique to Petroleum Exploration Information Management in Sichuan Basin

TANG Xian-ming1，2，QU Shou-li1，LEI Xin-hua2

（1.Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083；2.China University of Geosciences，Beijing100083）

Abstract Based on the analysis of the current shortcomings of 3D visualization application in the fields of petroleum，the paper introduces the construction process and data structure of global 3D visualization system.By using ArcSDE as engine of spatial data and Oracle 10g，“Petroleum exploration geodatabase of Sichuan Basin”is established.Based on Skyline Terra Developer，the software system“3D petroleum exploration data management and integration platform based on 3D global model”is designed and established.By integrating geographical database，areal geology database，surface engineering database，remote sensing image database，stratigraphical database，fault data，logging database with 3D terrain modeling，the system realize such functions as data management for petroleum exploration，3D terrain modeling and the visualization of 3D geological model.It is a visualization platform that assists the design and analysis for the geologists and the technologists.

Key words Sichuan basin 3D visualization 3D geographic information system petroleum explorationglobal navigation

隨著計算機圖形圖像軟硬件技術的迅猛發展，三維地形可視化技術在越來越多的領域得到了廣泛的應用，構建一個為多種專業人員提供共同工作、研究與交流的三維實時交互的虛擬全球地理環境逐漸由夢想成為現實。三維可視化技術在石油工業中已得到高度重視和普及應用，它充分利用了三維地震信息和地震屬性，以人們易于感知的三維圖形對各種復雜數據場和數據關系進行描述。

油氣勘探是通過采用不同的技術手段采集各種野外原始地質資料，并經處理、解釋形成成果資料，進而采用各種科學方法進行盆地評價、圈閉評價和油氣儲藏評價，開展勘探規劃部署、井位設計和地質綜合研究工作，完成勘探科研和生產任務。在油氣勘探過程中，各油田企業積累了海量的、異構的、多源的地理數據、勘探基礎數據和成果數據，這些信息的綜合應用對指導油田生產具有很重要的意義。利用三維GIS技術，基于“數字地球”將地表地理信息與地下地質信息一體化管理，構建一個分析、決策、規劃及實施油氣勘探開發研究的三維實時交互共享工作平臺，能夠有效地評估潛在的石油資源，及時、準確、直觀地定位油氣資源的空間分布及其特征，正確有效地開展部署勘探開發工作。

1 三維可視化技術的應用現狀

迄今為止，三維地形的可視化技術分為兩種，一種是面繪制技術，另一種是體繪制技術。在地質研究工作中，主要是采用體繪制技術。三維地學模擬主要包括兩大部分內容，即三維地質建模和可視化，其中前者是后者的基礎，后者是前者的表現［1］。目前，在三維地震數據的可視化方面，已有多種成熟的商業軟件系統推出，國外的有 EarthCube，Geoviz，gOcad，VoleGeo等，國內的有石油物探局的3DV和雙狐公司的三維地震微機解釋系統等。這些軟件涉及地質建模、地震勘探、開采評估、礦床模擬、規劃設計和生產管理等領域，在功能上各有千秋，很難說哪一個更先進［2，3］。但是，它們主要是面向地質領域的專用系統，基于局部區域而非全球區域，對海量基礎地理數據與遙感影像數據等的支持也較弱。基于這種情況，本文采用面向對象的程序開發語言Visual C＃，基于優秀的國外三維可視化軟件平臺Skyline，設計并開發基于全球三維模型的空間數據管理平臺，集成管理四川盆地區域內海量的、異構的、多源、多尺度的基礎地理數據、油氣勘探基礎數據和成果數據、遙感影像，實現流暢的油氣勘探的三維地形展示和地質分析。

2 系統開發技術背景與基本流程

隨著地學應用的深入，人們越來越多地要求基于全球角度和真三維空間來認知世界和處理問題。但三維空間是復雜的，包含的信息是海量的，需要集成三維可視化與三維空間對象管理功能，同時由于三維應用的巨大差異，必須采用開放體系結構，實現用戶定制功能。基于這種認識，Skyline TerraSuite在提供一般三維空間數據模型及其管理功能的基礎上，允許針對特定應用領域動態擴展建模及分析功能插件，以適應特定的三維應用。整個TerraSuite軟件體系如圖1所示。

系統的實現分為4部分：地球三維場景構建、中心數據庫建立、定制三維可視化環境和場景驅動與應用定制。

圖1 Skyline TerraSuite軟件體系

2.1 地球三維場景構建

場景構建是將要模擬的場景和對象通過數學方法表達成存儲在計算機內的三維圖形對象的集合。場景構建分為以下步驟：

（1）DEM數據采集：收集工作區的各級比例尺等高線數據或各種分辨率的航空航天遙感影像立體像對，建立地域的數字高程模型（DEM）。

（2）DOM數據生成：利用地面控制點和DEM數據，對工作區的低、中、高分辨率遙感影像進行嚴密的精糾正后生成數字正射影像圖（DOM）。

（3）DLG數據采集：收集工作區的各級比例尺地形圖、野外數據采集，建立工作區的各級比例尺線劃圖（DLG）。

（4）GIS數據轉換：將數據采集階段獲得的DLG數據通過GIS工具轉換為TerraBuilder能夠接受的數據格式。

（5）數據建模：對一些油田地面建筑物、地標、油井或其他油田設備在3D MAX或MultiGen或TerraBuilder中進行建模。

（6）地球三維場景構建：將以上各種數據，導入到TerraBuilder中，創建一個現實影像的、地理的、精確的地球三維模型（MPT文件）。

2.2 中心數據庫建立

基于全球三維模型的油氣勘探信息集成管理平臺是一個高度集成的應用系統，系統建設過程中必須充分考慮系統涉及的多專業圖形、屬性、影像、文字資料數據的一體化集成、系統數據庫與系統軟件功能的集成以及系統與網絡環境的集成等關鍵問題。為實現功能的集成與擴展，考慮石油勘探開發數據的區域性、多維性、時序性、海量和異構的特點，擬采用大型商用關系數據庫Oracle10g和空間數據引擎ArcSDE集中管理這些海量數據，建立數據中心，易于解決數據共享、網絡化集成、并發控制、跨平臺運行及數據安全恢復機制等方面的難題。

2.3 定制三維可視化環境

在全球三維場景的基礎上，可以疊加自己關心的專題信息，通過與數據庫的接口，還能集成中心數據庫存放的地表、地下多維、動態空間信息，從而創建一個令人激動的交互式三維可視化環境，來突出一個地區的特征，顯示其功能、相互關系以及從一個獨特的視點展示該地區。

2.4 場景驅動與應用定制

（1）三維可視化程序：通過API接口直接調用所建立的三維可視化環境，也可以根據三維場景的參數生成實時場景，動態加載圖層，有助于對空間數據相互關系的直觀理解。

（2）三維空間查詢與交互：直接在三維可視化環境下，對存放在中心數據庫的各種數據和場景實體提供交互式查詢等操作，以提供一個動態的環境，為進一步空間決策服務。

（3）應用定制：利用TerraDeveloper軟件開發包提供的各種ActiveX控件，可以構建自己的面向三維的應用程序，實現與其他系統的應用集成［4］。

3 系統總體設計

3.1 系統體系結構

根據系統的功能需求，系統在技術上要求具有業務變化的適應性、高度的安全性和大容量數據存儲處理等特點，因而在系統的技術框架中采用了3 層B（C）/AS/DS結構。與此同時，考慮到系統與其他專業系統之間的集成，擬采用基于SOA（面向服務架構）和Web Services（Web服務）技術的應用集成技術，構建基于“數字地球”的地表地理信息與地下地質信息一體化管理服務平臺。整個系統的體系結構如圖2所示。

3.2 系統數據的組織形式

系統數據的組織形式是可視化系統的關鍵，其優劣將直接影響到場景繪制的效率。在基于全球三維模型的空間數據管理平臺中，主要包括3部分數據：①場景數據，即場景環境包含的地形信息，通過影像圖片處理而成，包含在.mpt文件中；②對象圖形數據，即油氣勘探對象圖形信息，是由3D MAX等三維圖像處理軟件處理而成的三維模型；③對象屬性數據，即油氣勘探屬性信息。所有關于對象的信息包含在.fly文件中，采用基于層（Layer）的面向對象的場景數據組織形式。目前，系統集成的四川盆地區域的數據層主要有：

（1）DLG——數字線劃圖：全區不同比例尺土地覆蓋狀況、植被、道路、水系、居民地等圖層。

圖2 基于全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺系統結構

（2）DEM——數字高程模型：全區不同比例尺數字高程模型數據。

（3）DOM——數字正射影像：全區不同比例尺、不同分辨率的彩色正射影像。

（4）DRG——數字柵格圖：全區不同比例尺地形圖柵格數據。

（5）全國地名數據。

（6）1：200000地質圖。

（7）勘探基礎數據：測網、礦井、三維探區。

（8）勘探成果數據：地震異常、一類進積、二類進積、礁體、生物礁、灘和相帶等。

（9）構造數據：斷層、等值線等（宣漢、通南巴）。

（10）井位數據。

（11）地面工程數據：天然氣管道、道路。

3.3 系統功能模塊

基于全球三維模型的油氣勘探信息管理與集成系統分為石油勘探數據管理、三維基本操作、三維GIS導航查詢、三維分析等模塊。系統主界面如圖3所示。

各個模塊的具體功能如下：

（1）石油勘探數據管理：系統利用GIS技術、XML技術、空間數據庫等技術對多尺度基礎地理信息、勘探基礎數據和成果數據、多分辨率遙感影像、各種圖表和文字報告等地表地下信息進行一體化的存儲和管理。實現了對地理底圖、油氣地質勘查所獲取的資料和成果的錄（導）入、轉換、編輯及查詢等功能。另外，系統還提供了目標實體超鏈接及關聯服務，如與鉆孔相關的試驗表類屬性數據與圖形數據的關聯存儲管理功能，提供與鉆孔相關的各種基本信息及試驗結果等屬性信息的查詢等功能。

圖3 基于全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺系統界面

（2）三維基本操作功能：在全球三維場景中，實現以下功能：

放大、縮小、平移、旋轉等三維基本功能；

選擇對象、使物體居中、環繞瀏覽對象；

飛行或者跳轉到指定對象；

獲得場景中任何一點的經緯度坐標和高程值；

場景的點對象、線對象，可以實現不依賴試圖比例縮放；

提供場景的快照和打印輸出功能。

（3）三維GIS導航查詢：在全球坐標系統上實現基礎地理信息、地質數據及勘探數據的立體定位導航分析。

全球任意點定位和導航；

二維三維聯動功能；

測距、求積、高程和剖面生成；

地表實體三維建模及多種屬性管理；

可定制飛行路徑和視角的三維瀏覽功能。可自己制定飛行的路線或選擇預定義飛行路線進行三維飛行（圖4）。

（4）三維分析功能：

圖4 基于全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺設置飛行路徑

測量功能：測量距離（水平、垂直和隨地形起伏3種方式）、面積；

區域對象選擇：可以進行多邊形框選進行對象選擇，并可獲得選中區域內的對象集，可統計區域內的實體數并形成分類列表；

剖面觀察：對所選地區場景進行剖面觀察，可分析出地表起伏狀況；

等高線繪制：用矩形框選出指定范圍，可以顯示出該范圍等高線示意圖，并可隨意設定等高線顯示方式；

最佳路徑分析：根據給定的參數，如放樣間隔、上升的最大坡度、下降的最大坡度、允許的放樣寬度等信息，依據地形的走勢，自動解算出最佳的放樣線路；

視線分析：根據地面拾取兩點系統可以自動計算兩點間的通視情況；

視域分析：在場景中任選一點和視角范圍可以進行視域可見分析；

空間分析：突發事件的地點，選擇一定半徑，利用分析工具可以作出整個目標點的空間范圍，以提供決策。

4 系統應用擴展

基于全球三維模型的油氣勘探信息管理與集成系統由于采用了組件技術、基于SOA（面向服務架構）和Web Services（Web服務）等技術，不僅提供了強大的地表與地下油氣勘探信息數據管理、三維建模與模型的可視化、全球定位導航等功能，還可以進行系統擴展和專業系統集成，實現油氣勘探開發的深度應用，如野外地質踏勘路徑優選和工作安排、地震資料采集觀測系統設計和優化、探井地面井場位置優選及工程測算、開發井位部署規劃及鉆前工程分析、油氣集輸地面工程設計及方案優化、目標區塊水電路訊規劃設計及優化、全球定位系統集成和油田現場服務等。

5 結論

三維可視化技術在國內、外已經趨于成熟，但基于全球三維模型的三維地理信息系統（GIS）剛剛起步，尤其是缺少針對地表與地下油氣勘探信息三維一體化管理的經典模式和成熟經驗。本文基于Skyline TerraDeveloper所設計、開發的全球三維油氣勘探信息管理與集成系統，就是一個成功的實踐，重點研究了虛擬現實環境下交互式地表地下油氣勘探信息管理系統，給出了一種交互式虛擬現實全球導航平臺的系統構成方案和原型系統。整個系統可靠性好、易于移植、便于維護，并具有很強的空間分析功能。結合三維地質建模及可視化系統的研究現狀、相關技術的發展走向以及實際工程實踐的應用需求，筆者認為，需要進一步探索、研究并解決以下問題：

（1）研究并實現現有的基于全球三維模型的空間數據集成管理平臺的地上和地下三維一體化無縫集成與可視化功能。

（2）不斷豐富與其他地震三維分析軟件的接口。

（3）研究并開發基于VRML/X3D技術的網絡三維可視化系統，能夠為社會大眾、專業技術人員和地質科學家提供更加普遍的支持和服務奠定基礎。

參考文獻

［1］Simon W Houlding.3D Geoscience Modeling：Computer Techniques for Geological Characterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.

［2］朱良峰，潘信，吳信才.三維地質建模及可視化系統的設計與開發［J］.巖土力學，2006，27（5）：828～832.

［3］姜素華，莊博，劉玉琴等.三維可視化技術在地震資料解釋中的應用［J］.中國海洋大學學報（自然科學版），2004，34（1）：147～152.

［4］Skyline Software System Inc.TerraDeveloper paper［EB/OL］.［2007-6-1］.

國內外地質體三維模擬軟件現狀的探討分析

縱觀國外的三維地質模擬與可視化軟件，可以按數據來源和服務領域分為三維地震類如CGC，Geoframe，Earthwork，3Dscis，SeisVision，SeisX2d/3d；地球物理類如EarthCube，OpenVison，GeoViz，GeoQuest，（RC）2；地質/礦山類如Micromine，Surpac，MVS，Vulcan，LYNX/MicroLYNX，MineSight，Datamine，Gemcom和油藏類如GOCAD，3Dmove，Earth Vision，Geosec2D/3D，SGM，Jason，Petrel。

（一）國外主要地質體三維模擬軟件的現狀分析

在對國外的主流軟件 Surpac、Vulcan、Datamine、MineSight、MVS、Micromine、3Dmove、MicroLynx、GOCAD、Petrel和（RC）2等按系統配置、功能結構、應用領域、主要特點與開發支持等方面分析的基礎上，我們認為國外地質體三維模擬與可視化軟件的功能大同小異。小結如下：

1.從系統配置來看

在20世紀90年代初期，受微機性能的限制，所開發的系統一般基于UNIX操作系統和用于工作站環境（如LYNX，Vulcan，Datamine，Surpac等）；20世紀90年代中期以來，隨著微機性能的提高，一些三維地質模擬與可視化軟件開始移植到Windows操作系統和微機環境（如 Micromine，Gemcom，MineSight，microLYNX，Vulcan，GOCAD等）。近年來，基于Windows操作系統和微機環境的三維地質模擬與可視化軟件開始成為主流。目前，有的軟件具有跨平臺性。

2.從功能結構來看

系統采用c/s結構；軟件操作界面友好；提供強大的三維圖形交互式編輯環境；采用數據庫管理地質數據；地質建模采用實體模型和塊體模型；提供地質統計分析功能；提供采礦設計與優化功能；提供測量應用模塊；可在網絡環境中運行；提供與主流GIS軟件的接口；多數系統可根據不同的應用選用不同的模塊。

3.從應用領域來看

主要應用于勘探和地質建模、地表和地下采礦設計、尾礦和復墾設計、生產計劃和開采計劃以及鉆孔編錄等。

4.從支持二次開發來看

多數系統提供宏語言的形式進行二次開發，少數系統可提供C++的開發。

5.從地質體三維模擬技術方案來看

國外主流的軟件采用如下方案：

（1）根據鉆孔（物探、探槽、探井等）資料，交互式解釋成輪廓線；

（2）根據地質規律，交互式建立地質模型（實體模型）；

（3）根據地質統計方法或其他方法，插值生成塊體模型；

（4）估算資源量（找出在當前礦石價格下有利潤的塊段）；

（5）進行礦山設計與規劃；

（6）開采控制與管理。

（二）國內主要地質體三維模擬軟件的現狀分析

我國對三維地質體模擬與可視化研究起步較晚，但做了大量的有益探索。近年來國家自然科學基金委員會大力支持地學可視化研究，先后資助了“復雜地質體的三維建模和圖形顯示研究”、“油儲地球物理理論與三維地質圖像成圖方法”、“地學時空信息動態建模及可視化研究與應用”和“基于剖面的三維拓撲地質建模研究”等項目。1996年中國科學院地球物理研究所與勝利石油管理局在國家自然科學基金重點項目“復雜地質體”中，開始追蹤研究GOCAD。長春科技大學在阿波羅公司的TITAN GIS上開發了Geo TransGIS 三維GIS，主要用于建立中國乃至全球巖石圈結構模型的三維信息。石油大學開發的RDMS、南京大學與勝利油田合作開發的SL GRAPH 都是用于三維石油勘探數據可視化。中國地質大學開發的三維可視化地學信息系統（GeoView）可實現三維地學信息管理、處理、計算分析與評價決策支持。

通過對國內北京航空航天大學、中國地質大學、中國礦業大學、北京大學、武漢大學、西安科技大學、中科院、北京市勘察設計研究院、中南大學、北京理正軟件設計研究院等單位的研究進行分析，認為：目前我國尚未開發出融數據管理、信息可視化、交互操作和地質分析于一體的三維地學模擬與可視化實用軟件。

新聞名稱：三維gis建模技術劉劍峰 arcgis三維建模教程
轉載來于：http://vcdvsql.cn/article24/dopgdje.html

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