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“3S”技术在土地整理项目管理中的应用研究

高向军 范树印 贾文涛

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（国土资源部土地整理中心，北京，100035）

摘要：土地整理项目管理是一项牵涉面广、理论性和技术性都很强的富有挑战性的工作，客观上需要先进科技手段的支撑。“3S”技术作为一种高效获取和管理空间信息的技术手段，目前正在被广泛地应用到国民经济各个领域，发挥着越来越重要的作用，为加大土地整理项目监管力度，提高项目管理的科学化水平提供了一种新思路。本文对“3S”技术在土地整理项目管理中的应用需求进行了分析。

关键词：“3S”技术；土地整理；实践；展望

自新《土地管理法》实施以后，大规模的土地整理在全国蓬勃开展起来。几年来，国土资源部一直致力于土地整理政策及规章制度的研究工作，在推进土地整理事业的稳步发展，促进实现耕地总量动态平衡、促进粮食增产、农民增收、农村发展方面发挥了重要作用，取得了巨大成绩。但土地整理活动是一个复杂的系统工程，是一项综合性很强的工作，涉及的政策、理论、技术性问题很多。因此，从理论上讲，要真正科学地搞好土地整理工作，仅仅依靠规章制度是不够的。

党的十六届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》发出了“搞好土地整理”的号召，揭开了我国土地整理事业发展的新篇章。土地整理是我国建设社会主义新农村的重要内容和必然选择，因此责任重大、使命光荣、前景广阔。在新的形势下，为更快、更稳健地推进土地整理工作，必须加大高新技术应用研究的力度，建立一套比较完善的技术支撑体系，提高土地整理工作的科技含量。其中，积极推动“3S”技术的应用对提高土地整理的科学化水平具有十分重要的意义，是当前和今后一段时间高新技术应用研究的重点。

1 “3S” 技术在土地整理项目管理中的应用需求分析

土地整理项目包含大量的地理空间信息，如项目区地理位置、坡度分布、高程变化、地物分布等，正确解读这些空间信息是对项目做出科学判断的基础。总的来说，用常规手段解读项目在技术上有两方面的困难：一是现有的项目信息载体能够提供的有价值的信息不够；二是处理和解读信息的手段不够先进，导致对一些重要信息漏“读”或“读”不懂。“3S”技术作为一种高效的信息采集、处理、分析手段，可以辅助识别项目的真实面目，监测项目的“水分”，使项目决策更具科学性和时效性，为加大项目监管力度，提高项目管理的科学化水平提供了一种新思路。其中，遥感（RS）技术可用于大面积、快速获取项目区各种地物信息，是地物信息采集的主要手段；全球定位系统（GPS）可用于重要地物的快速空间定位，辅助外业踏勘；激光技术结合GPS技术可以用于快速、精确地采集项目区三维空间信息；地理信息系统（GIS）可对多源空间数据进行综合处理、集成管理和各种空间分析，辅助项目决策。

在土地整理项目前期准备阶段，“3S”技术可用于土地整理潜力调查、土地清查、地形测绘、辅助设计等基础技术性工作，提高前期工作质量和效率。从项目监管的角度看，“3S”技术的应用贯穿于从项目评价与审查、实施监督检查、竣工验收到项目后评价的整个过程。

在项目评价与审查阶段，要对一个项目做出科学的判断，至少需要回答三个问题：一是项目的真实性，如项目区的地理位置是否正确，申报的土地利用类型是否与实地相符，是否具备项目实施所必需的路、水、电等基础条件等；二是基础数据的准确性，如申报建设规模是否准确，各种地类面积是否准确，新增耕地潜力计算是否准确等；三是基本技术方案的合理性，如田块布置及沟、路、林、渠等各项工程的布置是否与实际地形相符，土地平整方案是否合理等。要回答上述问题，仅靠研究项目申报材料是不够的，“3S”技术为解答这些难题提供了一个切实可行的解决方案。

在项目实施管理阶段，为了及时了解项目的实施进展情况，防患于未然，必须跟踪项目的实施过程，监测项目是否按预期进度施工，是否按规划设计方案施工。“3S”技术已广泛应用于国土资源监测的各个领域，也必然成为土地整理项目动态监测的最实用、最高效的辅助工具，可以将“3S”技术与到项目区实地检查相结合作为项目动态监测的日常手段。

在项目竣工验收阶段，验收的主要内容包括资金使用情况和工程任务完成情况两个方面，工程任务完成情况要求从工程数量和工程质量两个角度评价。竣工验收，除了对项目成果进行定性地评价外，更重要的是定量化验收，看完成了多少建设任务，提高统计数据的可信度。要获得这些数据，采取实地人工测量的方式是不现实的，可以借助于“3S”技术。

土地整理要坚决杜绝“重建轻管”的现象，做好建设成果管护工作。通过定期获取项目区的最新遥感图像，可以直接分析项目区土地利用现状，农田基础设施是否遭到破坏等。并将不同时相的图像进行前后比较，就可以达到监测项目成果运行管护情况的目的。

综上所述，“3S”技术应用于土地整理项目监管的核心问题是项目区遥感数据的获取与分析。因此，遥感影像分辨率和应用成本成为“3S”技术应用研究关注的重点。

2 “3S” 技术在土地整理项目管理中的应用实践

自2001年全国土地开发整理项目管理培训班上提出土地整理信息化构想以来，“3 S”技术的应用逐步提上日程，受到业内越来越多人的关注，重点是针对以“3S”技术为核心的信息技术在土地整理项目管理各个阶段的应用展开研究，旨在探索一种辅助土地整理项目管理工作的先进手段，提高项目决策水平，实现对项目实施过程的动态监测和项目竣工验收的定量化，总结出一套检查项目的真实性、监控项目“水分”的方法体系。研究成果对推进土地整理项目的规范化、科学化管理具有重要意义。

2.1 实验数据

研究中使用了北京市顺义区北小营镇、房山区长沟镇、大兴区西红门、海淀区农大地区、苏家砣地区5个实验区的遥感影像数据。所选实验区涵盖了平原和丘陵两种地貌类型以及农用地、建设用地、未利用地三种土地利用类型，因此具有较强的代表性。从影像分辨率上看，涵盖了从10 m、5.8 m、2.5 m、1 m到0.61 m的各种分辨率、全色和多光谱遥感影像数据，以对不同分辨率影像应用效果进行对比分析，针对不同的应用目标提出合理的建议方案。

根据第一阶段研究得出的结论，第二阶段研究选择的是IKONOS1 米全色影像数据，对福建省莆田市荔城区黄石镇土地整理项目、北京市密云县巨各庄镇土地整理项目、湖北省英山县土地整理项目等三个国家投资项目进行了监测评价。

第三阶段主要是开展了IKONOS立体像对在大比例尺测图中的应用研究以及GPS和激光相结合的快速测图系统研究。IKONOS立体像对应用实验区域应具有一定的覆盖面积，涵盖多种地貌类型，覆盖至少两个条带的影像数据，因此选择了地貌类型多样、山区与城区相结合的石景山门头沟交界地区作为试验区。试验区覆盖九幅1∶10000地形图，面积近240km2，包括两个条带的影像，共四个立体像对。

2.2 研究结论

经过四年时间的深入研究，得出如下几点结论：

（1）土地整理项目监测要求遥感影像几何分辨率不低于2.5m 单纯从影像分辨率角度考虑，1 m彩色IKONOS和0.61 mQuickBird等高分辨率卫星影像为当前最佳选择。通过解译高分辨率影像可以清晰勾绘项目区各地类界线，比较精确地统计各地类面积（根据本课题实验结果，面积解译误差在3%以内），清晰辨识项目区内农田水利、农村道路、防护林等农业基础设施，能够充分反映项目区真实状况。

（2）“3S”技术可以作为土地整理项目管理的辅助手段，能帮助管理者获取项目的真实、准确的信息，有助于对项目做出科学判断。

• 通过解译项目区遥感影像，可以反映项目申报信息的真实性和准确性。因此“3S”技术可以辅助项目审查人员掌握项目的真实情况，避免虚假项目、重复申报项目套用资金的现象，提高审查人员对项目真实性的识别能力。

• 将项目区遥感影像和DEM模型叠加，可以构建起项目区三维影像图，从而可以对项目的地貌特征、坡度坡向、土地利用类型和基础设施的分布等情况进行分析。运用可视化飞行技术则可以直观、动态、多角度、全方位地观察项目区，在模拟三维环境中执行显示、查询和分析操作。将项目规划图与三维影像图叠加，可以检验规划设计方案是否符合实地情况，还可以辅助进行工程量的审查。这种不同数据源的叠加分析，可以提高项目审查的效率和审查人员对项目合理性、可行性的判断能力。

• 可以利用“3S”技术解译项目实施过程中不同时相的遥感影像，进行前后对比，因此可以对项目是否按设计施工及工程进度进行动态监测，实时了解项目实施进展情况。

•可以利用“3S”技术实现对项目完工后的定量评价，确认工程任务完成情况，检验项目实施单位上报数据的真实性，辨别工程建设数量中存在的虚假成分，使竣工验收定量化、科学化。

• 将项目实施前的影像和竣工后的影像进行对比分析，还可以计算实际新增耕地面积，辅助开展项目影响评价等。

（3）通过对IKONOS卫星立体像对测图（三维信息获取）精度进行分析，认为在有控制点的前提下，完全可满足1∶5000、1∶10000矢量图测绘；无控制点定向情况基本可满足1∶10000图线状地物的修测。通过对IKONOS卫星立体像对测图成本分析，认为较传统全野外测量和航空摄影测量而言，在内业和外业工作中都能够明显地节省工作量和测图费用。因此，采用高分辨率卫星立体像对测图是一种可行的方式。随着遥感技术的迅速发展，采用卫星立体像对测图将是一种重要的发展趋势。

（4）从遥感影像数据的可获取性看，当前还受到一定的制约。一是数据获取周期较长。遥感数据分为存档数据和编程数据。存档数据从订购到收到数据一般不会超过1个月，但存档数据主要集中在城市。编程数据需要提前预订，从预订到收到数据一般需要3～4个月。二是受气候条件影响较大。遥感影像最佳时相为春末至秋初，农田作物已经基本覆盖地面，容易识别农田。我国大部分地区雨热同期，这段时间通常多云雨天气，这对于可见光遥感摄像不利。通常，一景影像中有20%的面积被云层覆盖，则认为该影像不能为地物判别所使用。我国受气候条件影响较大的地区主要是南部和西南部。遥感技术的迅速发展有望解决数据获取的缺陷，如IKONOS Block－Ⅱ双星双分辨率卫星系统，分辨率为0.47m和0.27m，其产品类型和提供方式与Block－Ⅰ一样，但数据采集能力、技术、效率将大大提高。拟于2007年发射的IKONOS Block－Ⅲ卫星系统，为能够全天候采集数据的合成孔径雷达卫星（SAR），可以弥补可见光遥感的不足，星下点分辨率为1m。我国新研制成功的无人飞艇遥感监测系统，将无人飞艇技术与遥感技术紧密结合，可快速获取地表高分辨率影像，成本低，操作灵活，特别适用于多云多雨、气候多变和地质条件、地貌环境复杂地区。

（5）鉴于目前遥感影像尤其是高分辨率影像应用成本较高，为了降低土地整理项目监管成本，可以根据项目管理目标的不同而采取不同的方案。在不用遥感技术的情况下，同样可以做很多工作，发挥很大作用。

• GIS应用方案：GIS已经广泛应用于土地整理项目的设计、审查及日常管理。从项目审查的角度看，单纯使用GIS，至少可以完成以下几项工作：一是根据项目现状图矢量数据（假设申报的材料是真实的），可以重新量算项目区规模和各种地类面积，验证申报数据的准确性。二是根据项目规划图矢量数据，可以重新统计工程内容和工程量，验证是否存在虚报工程量问题。三是以项目区地形图为基础数据源，构建项目区DEM模型，与矢量规划图叠加后，可以辅助分析项目区地貌特征，判断田块布置及沟路林渠的布置方案是否合理、可行；可以根据田块布置方案和设计高程，判断土方量计算是否合理、准确。研究结果表明，利用GIS计算土方量可以提高土方量计算效率。

• GPS应用方案：GPS在土地整理项目管理中的应用主要体现在其定位功能上，可以作为实地踏勘的辅助工具，进行定位分析，识别申报资料的真实性。GPS还可以用于简单地形条件下的地块面积量算。

3 构建 “3S” 技术支撑体系的战略构想

综上所述，这几年开展的“3S”技术在土地整理项目管理各个阶段的应用研究成果表明，“3S”技术是提高项目决策质量、强化项目监管力度、提高行业工作水平和效率的一种有效手段。今后，在加大已有研究成果推广应用力度的基础上，应进一步深入研究，逐步构建起一套成熟的“3S”技术支撑体系。体系构成如下：

（1）快速测图系统 测图是开展土地整理项目规划设计前必须开展的一项基础技术性工作。目前常用的测图方法普遍效率较低，成本较高，因此很有必要研制一种能满足土地整理规划设计精度要求、成本更低、使用方便、在土地整理领域具有推广应用价值的全数字三维信息采集及成图系统。目前，国土资源部土地整理中心与中国农业大学精细农业研究中心正在合作开发一种基于激光和GPS技术的快速测图系统，其中GPS用于二维平面坐标信息采集，激光用于高程信息采集。

（2）土地整理三维辅助决策系统 这里所说 “决策” 是指项目管理的各个环节的决策。目前土地整理项目规划设计、项目评价与审查、成果演示、经验交流等都是基于传统的、二维平面决策模式。通过建立该系统，可以构建业务处理数学模型，提高项目决策的智能化水平；可以运用最新的GIS技术、三维建模技术、影像处理技术，实现三维辅助设计，让设计人员直接在三维可视化场景中实现自己的规划构想；可以运用三维空间分析技术，进行坡度坡向分析、土方量计算、表面积计算、工程内容及工程量统计、空间查询等；可以运用三维场景、模拟飞行和多媒体技术为项目审查、决策、成果汇报等提供直观的现场展示手段，获得比现场踏勘更好的效果；可以建立土地整理综合数据管理平台，实现图形、图像数据、文本数据、多媒体数据的一体化、系统化管理等等。

（3）土地整理项目遥感影像库 建立遥感影像库是 “3S” 技术应用的基础和关键。所建影像库应能满足对土地整理项目进行监测、评价的需要，因此需要定期更新，并实现资源共享。通过建立遥感影像数据库，主要是用于两方面：一是用于项目前期核查、评审工作；二是用于项目实施监督检查工作。

（4）GPS 辅助现场调查系统 经过多年的研究，遥感技术的应用思路已比较成熟，应用效果显著，但由于受到各方面条件的制约，遥感技术的应用还有较大的局限性。在实际工作中，更多地还是到项目区实地进行现场察看。但到现场踏勘也面临很多困难，尤其是在地形比较复杂的丘陵山区，很难达到预期的效果。因此，迫切需要研制一套GPS辅助现场调查系统，核心目标就是把PDA技术和GPS技术融合在一起，将项目矢量图件导入PDA，利用GPS的定位、导航功能，实现图件与实地的联动，引导调查人员开展现场调查和野外信息采集工作，提高调查的质量和效率。GPS辅助现场调查系统在土地整理项目前期核查和实施监督检查工作中具有广阔的应用前景。有了这个系统，就等于建立起了“天上看、地上查”的立体监管体系，必将大大提高各级国土资源管理部门的监管能力。

（5）全国土地整理综合知识库 综合知识库的内容包括全国各地自然、资源条件、农业气象资料、水文地质资料、土壤资料等相关基础资料，以及相关规划、政策法规、技术规范等。综合知识库的建立是进一步提高土地整理决策水平的基础。

构建“3S”技术支撑体系，是当前土地整理项目管理工作的迫切需要，也是未来土地整理决策的发展方向，对促进土地整理事业的可持续发展具有十分重要的意义。

参考文献

高向军，贾文涛，陈原等.土地整理项目管理与决策支持系统的构建.农业工程学报，2002，18 （3）

贾文涛，朱德海，杨永侠.“3S”技术在西部退耕还林（草）中的应用探讨.中国地理信息协会第六届年会参评论文集，2001.3

三维可视化技术在四川盆地油气勘探信息管理中的应用研究

唐先明1，2　曲寿利1　雷新华2

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国地质大学（北京），北京100083）

摘要 在分析目前石油领域三维可视化技术应用局限性的基础上，给出了全球三维可视化系统构建流程和数据组织管理模式。以ArcSDE作为空间数据引擎，利用Oracle 10g建立四川盆地油气勘探海量空间数据库，基于三维可视化软件平台Skyline TerraSuite，利用功能强大的三维可视化开发平台TerraDeveloper，设计、开发基于全球三维模型的油气勘探信息集成管理平台。通过集成基础地理数据库、区域地质数据库、地面工程数据库、遥感影像库、地层数据库、断层数据和测井数据，该系统不仅提供了强大的油气勘探基础数据管理、三维地形建模以及模型的可视化功能，还为专业技术人员提供了一个可视化的分析、设计平台。

关键词 四川盆地 三维可视化 三维地理信息系统 油气勘探 全球导航

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

随着计算机图形图像软硬件技术的迅猛发展，三维地形可视化技术在越来越多的领域得到了广泛的应用，构建一个为多种专业人员提供共同工作、研究与交流的三维实时交互的虚拟全球地理环境逐渐由梦想成为现实。三维可视化技术在石油工业中已得到高度重视和普及应用，它充分利用了三维地震信息和地震属性，以人们易于感知的三维图形对各种复杂数据场和数据关系进行描述。

油气勘探是通过采用不同的技术手段采集各种野外原始地质资料，并经处理、解释形成成果资料，进而采用各种科学方法进行盆地评价、圈闭评价和油气储藏评价，开展勘探规划部署、井位设计和地质综合研究工作，完成勘探科研和生产任务。在油气勘探过程中，各油田企业积累了海量的、异构的、多源的地理数据、勘探基础数据和成果数据，这些信息的综合应用对指导油田生产具有很重要的意义。利用三维GIS技术，基于“数字地球”将地表地理信息与地下地质信息一体化管理，构建一个分析、决策、规划及实施油气勘探开发研究的三维实时交互共享工作平台，能够有效地评估潜在的石油资源，及时、准确、直观地定位油气资源的空间分布及其特征，正确有效地开展部署勘探开发工作。

1 三维可视化技术的应用现状

迄今为止，三维地形的可视化技术分为两种，一种是面绘制技术，另一种是体绘制技术。在地质研究工作中，主要是采用体绘制技术。三维地学模拟主要包括两大部分内容，即三维地质建模和可视化，其中前者是后者的基础，后者是前者的表现［1］。目前，在三维地震数据的可视化方面，已有多种成熟的商业软件系统推出，国外的有 EarthCube，Geoviz，gOcad，VoleGeo等，国内的有石油物探局的3DV和双狐公司的三维地震微机解释系统等。这些软件涉及地质建模、地震勘探、开采评估、矿床模拟、规划设计和生产管理等领域，在功能上各有千秋，很难说哪一个更先进［2，3］。但是，它们主要是面向地质领域的专用系统，基于局部区域而非全球区域，对海量基础地理数据与遥感影像数据等的支持也较弱。基于这种情况，本文采用面向对象的程序开发语言Visual C＃，基于优秀的国外三维可视化软件平台Skyline，设计并开发基于全球三维模型的空间数据管理平台，集成管理四川盆地区域内海量的、异构的、多源、多尺度的基础地理数据、油气勘探基础数据和成果数据、遥感影像，实现流畅的油气勘探的三维地形展示和地质分析。

2 系统开发技术背景与基本流程

随着地学应用的深入，人们越来越多地要求基于全球角度和真三维空间来认知世界和处理问题。但三维空间是复杂的，包含的信息是海量的，需要集成三维可视化与三维空间对象管理功能，同时由于三维应用的巨大差异，必须采用开放体系结构，实现用户定制功能。基于这种认识，Skyline TerraSuite在提供一般三维空间数据模型及其管理功能的基础上，允许针对特定应用领域动态扩展建模及分析功能插件，以适应特定的三维应用。整个TerraSuite软件体系如图1所示。

系统的实现分为4部分：地球三维场景构建、中心数据库建立、定制三维可视化环境和场景驱动与应用定制。

图1 Skyline TerraSuite软件体系

2.1 地球三维场景构建

场景构建是将要模拟的场景和对象通过数学方法表达成存储在计算机内的三维图形对象的集合。场景构建分为以下步骤：

（1）DEM数据采集：收集工作区的各级比例尺等高线数据或各种分辨率的航空航天遥感影像立体像对，建立地域的数字高程模型（DEM）。

（2）DOM数据生成：利用地面控制点和DEM数据，对工作区的低、中、高分辨率遥感影像进行严密的精纠正后生成数字正射影像图（DOM）。

（3）DLG数据采集：收集工作区的各级比例尺地形图、野外数据采集，建立工作区的各级比例尺线划图（DLG）。

（4）GIS数据转换：将数据采集阶段获得的DLG数据通过GIS工具转换为TerraBuilder能够接受的数据格式。

（5）数据建模：对一些油田地面建筑物、地标、油井或其他油田设备在3D MAX或MultiGen或TerraBuilder中进行建模。

（6）地球三维场景构建：将以上各种数据，导入到TerraBuilder中，创建一个现实影像的、地理的、精确的地球三维模型（MPT文件）。

2.2 中心数据库建立

基于全球三维模型的油气勘探信息集成管理平台是一个高度集成的应用系统，系统建设过程中必须充分考虑系统涉及的多专业图形、属性、影像、文字资料数据的一体化集成、系统数据库与系统软件功能的集成以及系统与网络环境的集成等关键问题。为实现功能的集成与扩展，考虑石油勘探开发数据的区域性、多维性、时序性、海量和异构的特点，拟采用大型商用关系数据库Oracle10g和空间数据引擎ArcSDE集中管理这些海量数据，建立数据中心，易于解决数据共享、网络化集成、并发控制、跨平台运行及数据安全恢复机制等方面的难题。

2.3 定制三维可视化环境

在全球三维场景的基础上，可以叠加自己关心的专题信息，通过与数据库的接口，还能集成中心数据库存放的地表、地下多维、动态空间信息，从而创建一个令人激动的交互式三维可视化环境，来突出一个地区的特征，显示其功能、相互关系以及从一个独特的视点展示该地区。

2.4 场景驱动与应用定制

（1）三维可视化程序：通过API接口直接调用所建立的三维可视化环境，也可以根据三维场景的参数生成实时场景，动态加载图层，有助于对空间数据相互关系的直观理解。

（2）三维空间查询与交互：直接在三维可视化环境下，对存放在中心数据库的各种数据和场景实体提供交互式查询等操作，以提供一个动态的环境，为进一步空间决策服务。

（3）应用定制：利用TerraDeveloper软件开发包提供的各种ActiveX控件，可以构建自己的面向三维的应用程序，实现与其他系统的应用集成［4］。

3 系统总体设计

3.1 系统体系结构

根据系统的功能需求，系统在技术上要求具有业务变化的适应性、高度的安全性和大容量数据存储处理等特点，因而在系统的技术框架中采用了3 层B（C）/AS/DS结构。与此同时，考虑到系统与其他专业系统之间的集成，拟采用基于SOA（面向服务架构）和Web Services（Web服务）技术的应用集成技术，构建基于“数字地球”的地表地理信息与地下地质信息一体化管理服务平台。整个系统的体系结构如图2所示。

3.2 系统数据的组织形式

系统数据的组织形式是可视化系统的关键，其优劣将直接影响到场景绘制的效率。在基于全球三维模型的空间数据管理平台中，主要包括3部分数据：①场景数据，即场景环境包含的地形信息，通过影像图片处理而成，包含在.mpt文件中；②对象图形数据，即油气勘探对象图形信息，是由3D MAX等三维图像处理软件处理而成的三维模型；③对象属性数据，即油气勘探属性信息。所有关于对象的信息包含在.fly文件中，采用基于层（Layer）的面向对象的场景数据组织形式。目前，系统集成的四川盆地区域的数据层主要有：

（1）DLG——数字线划图：全区不同比例尺土地覆盖状况、植被、道路、水系、居民地等图层。

图2 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台系统结构

（2）DEM——数字高程模型：全区不同比例尺数字高程模型数据。

（3）DOM——数字正射影像：全区不同比例尺、不同分辨率的彩色正射影像。

（4）DRG——数字栅格图：全区不同比例尺地形图栅格数据。

（5）全国地名数据。

（6）1：200000地质图。

（7）勘探基础数据：测网、矿井、三维探区。

（8）勘探成果数据：地震异常、一类进积、二类进积、礁体、生物礁、滩和相带等。

（9）构造数据：断层、等值线等（宣汉、通南巴）。

（10）井位数据。

（11）地面工程数据：天然气管道、道路。

3.3 系统功能模块

基于全球三维模型的油气勘探信息管理与集成系统分为石油勘探数据管理、三维基本操作、三维GIS导航查询、三维分析等模块。系统主界面如图3所示。

各个模块的具体功能如下：

（1）石油勘探数据管理：系统利用GIS技术、XML技术、空间数据库等技术对多尺度基础地理信息、勘探基础数据和成果数据、多分辨率遥感影像、各种图表和文字报告等地表地下信息进行一体化的存储和管理。实现了对地理底图、油气地质勘查所获取的资料和成果的录（导）入、转换、编辑及查询等功能。另外，系统还提供了目标实体超链接及关联服务，如与钻孔相关的试验表类属性数据与图形数据的关联存储管理功能，提供与钻孔相关的各种基本信息及试验结果等属性信息的查询等功能。

图3 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台系统界面

（2）三维基本操作功能：在全球三维场景中，实现以下功能：

放大、缩小、平移、旋转等三维基本功能；

选择对象、使物体居中、环绕浏览对象；

飞行或者跳转到指定对象；

获得场景中任何一点的经纬度坐标和高程值；

场景的点对象、线对象，可以实现不依赖试图比例缩放；

提供场景的快照和打印输出功能。

（3）三维GIS导航查询：在全球坐标系统上实现基础地理信息、地质数据及勘探数据的立体定位导航分析。

全球任意点定位和导航；

二维三维联动功能；

测距、求积、高程和剖面生成；

地表实体三维建模及多种属性管理；

可定制飞行路径和视角的三维浏览功能。可自己制定飞行的路线或选择预定义飞行路线进行三维飞行（图4）。

（4）三维分析功能：

图4 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台设置飞行路径

测量功能：测量距离（水平、垂直和随地形起伏3种方式）、面积；

区域对象选择：可以进行多边形框选进行对象选择，并可获得选中区域内的对象集，可统计区域内的实体数并形成分类列表；

剖面观察：对所选地区场景进行剖面观察，可分析出地表起伏状况；

等高线绘制：用矩形框选出指定范围，可以显示出该范围等高线示意图，并可随意设定等高线显示方式；

最佳路径分析：根据给定的参数，如放样间隔、上升的最大坡度、下降的最大坡度、允许的放样宽度等信息，依据地形的走势，自动解算出最佳的放样线路；

视线分析：根据地面拾取两点系统可以自动计算两点间的通视情况；

视域分析：在场景中任选一点和视角范围可以进行视域可见分析；

空间分析：突发事件的地点，选择一定半径，利用分析工具可以作出整个目标点的空间范围，以提供决策。

4 系统应用扩展

基于全球三维模型的油气勘探信息管理与集成系统由于采用了组件技术、基于SOA（面向服务架构）和Web Services（Web服务）等技术，不仅提供了强大的地表与地下油气勘探信息数据管理、三维建模与模型的可视化、全球定位导航等功能，还可以进行系统扩展和专业系统集成，实现油气勘探开发的深度应用，如野外地质踏勘路径优选和工作安排、地震资料采集观测系统设计和优化、探井地面井场位置优选及工程测算、开发井位部署规划及钻前工程分析、油气集输地面工程设计及方案优化、目标区块水电路讯规划设计及优化、全球定位系统集成和油田现场服务等。

5 结论

三维可视化技术在国内、外已经趋于成熟，但基于全球三维模型的三维地理信息系统（GIS）刚刚起步，尤其是缺少针对地表与地下油气勘探信息三维一体化管理的经典模式和成熟经验。本文基于Skyline TerraDeveloper所设计、开发的全球三维油气勘探信息管理与集成系统，就是一个成功的实践，重点研究了虚拟现实环境下交互式地表地下油气勘探信息管理系统，给出了一种交互式虚拟现实全球导航平台的系统构成方案和原型系统。整个系统可靠性好、易于移植、便于维护，并具有很强的空间分析功能。结合三维地质建模及可视化系统的研究现状、相关技术的发展走向以及实际工程实践的应用需求，笔者认为，需要进一步探索、研究并解决以下问题：

（1）研究并实现现有的基于全球三维模型的空间数据集成管理平台的地上和地下三维一体化无缝集成与可视化功能。

（2）不断丰富与其他地震三维分析软件的接口。

（3）研究并开发基于VRML/X3D技术的网络三维可视化系统，能够为社会大众、专业技术人员和地质科学家提供更加普遍的支持和服务奠定基础。

参考文献

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

［2］朱良峰，潘信，吴信才.三维地质建模及可视化系统的设计与开发［J］.岩土力学，2006，27（5）：828～832.

［3］姜素华，庄博，刘玉琴等.三维可视化技术在地震资料解释中的应用［J］.中国海洋大学学报（自然科学版），2004，34（1）：147～152.

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

国内外地质体三维模拟软件现状的探讨分析

纵观国外的三维地质模拟与可视化软件，可以按数据来源和服务领域分为三维地震类如CGC，Geoframe，Earthwork，3Dscis，SeisVision，SeisX2d/3d；地球物理类如EarthCube，OpenVison，GeoViz，GeoQuest，（RC）2；地质/矿山类如Micromine，Surpac，MVS，Vulcan，LYNX/MicroLYNX，MineSight，Datamine，Gemcom和油藏类如GOCAD，3Dmove，Earth Vision，Geosec2D/3D，SGM，Jason，Petrel。

（一）国外主要地质体三维模拟软件的现状分析

在对国外的主流软件 Surpac、Vulcan、Datamine、MineSight、MVS、Micromine、3Dmove、MicroLynx、GOCAD、Petrel和（RC）2等按系统配置、功能结构、应用领域、主要特点与开发支持等方面分析的基础上，我们认为国外地质体三维模拟与可视化软件的功能大同小异。小结如下：

1.从系统配置来看

在20世纪90年代初期，受微机性能的限制，所开发的系统一般基于UNIX操作系统和用于工作站环境（如LYNX，Vulcan，Datamine，Surpac等）；20世纪90年代中期以来，随着微机性能的提高，一些三维地质模拟与可视化软件开始移植到Windows操作系统和微机环境（如 Micromine，Gemcom，MineSight，microLYNX，Vulcan，GOCAD等）。近年来，基于Windows操作系统和微机环境的三维地质模拟与可视化软件开始成为主流。目前，有的软件具有跨平台性。

2.从功能结构来看

系统采用c/s结构；软件操作界面友好；提供强大的三维图形交互式编辑环境；采用数据库管理地质数据；地质建模采用实体模型和块体模型；提供地质统计分析功能；提供采矿设计与优化功能；提供测量应用模块；可在网络环境中运行；提供与主流GIS软件的接口；多数系统可根据不同的应用选用不同的模块。

3.从应用领域来看

主要应用于勘探和地质建模、地表和地下采矿设计、尾矿和复垦设计、生产计划和开采计划以及钻孔编录等。

4.从支持二次开发来看

多数系统提供宏语言的形式进行二次开发，少数系统可提供C++的开发。

5.从地质体三维模拟技术方案来看

国外主流的软件采用如下方案：

（1）根据钻孔（物探、探槽、探井等）资料，交互式解释成轮廓线；

（2）根据地质规律，交互式建立地质模型（实体模型）；

（3）根据地质统计方法或其他方法，插值生成块体模型；

（4）估算资源量（找出在当前矿石价格下有利润的块段）；

（5）进行矿山设计与规划；

（6）开采控制与管理。

（二）国内主要地质体三维模拟软件的现状分析

我国对三维地质体模拟与可视化研究起步较晚，但做了大量的有益探索。近年来国家自然科学基金委员会大力支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研究”、“油储地球物理理论与三维地质图像成图方法”、“地学时空信息动态建模及可视化研究与应用”和“基于剖面的三维拓扑地质建模研究”等项目。1996年中国科学院地球物理研究所与胜利石油管理局在国家自然科学基金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪研究GOCAD。长春科技大学在阿波罗公司的TITAN GIS上开发了Geo TransGIS 三维GIS，主要用于建立中国乃至全球岩石圈结构模型的三维信息。石油大学开发的RDMS、南京大学与胜利油田合作开发的SL GRAPH 都是用于三维石油勘探数据可视化。中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统（GeoView）可实现三维地学信息管理、处理、计算分析与评价决策支持。

通过对国内北京航空航天大学、中国地质大学、中国矿业大学、北京大学、武汉大学、西安科技大学、中科院、北京市勘察设计研究院、中南大学、北京理正软件设计研究院等单位的研究进行分析，认为：目前我国尚未开发出融数据管理、信息可视化、交互操作和地质分析于一体的三维地学模拟与可视化实用软件。