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基于三维地理信息系统的岩层产状测量方法

发表时间：2021/5/12 来源：《基层建设》2021年第1期作者：周红亮

[导读] 摘要：在传统的野外测量技术逐渐出现滞后性的环境下，建立在信息技术基础上打造的智能化三维地理信息系统，已经成为了岩层产状测量的主要技术方法，该方法可以建立在数字地面高程以及高分辨率的条件下，打造全新的三维场景，通过计算机加人工的校正和辅助，能够有效检测不同浅层岩层的实际状态，因此本文是建立在三维地理信息系统的角度，分析岩层产状的相关测量方法，综合岩层面提取，岩层产状计算以及实际案例进行分析，意在通过

        云南迅测科技有限公司云南昆明 650224
        摘要：在传统的野外测量技术逐渐出现滞后性的环境下，建立在信息技术基础上打造的智能化三维地理信息系统，已经成为了岩层产状测量的主要技术方法，该方法可以建立在数字地面高程以及高分辨率的条件下，打造全新的三维场景，通过计算机加人工的校正和辅助，能够有效检测不同浅层岩层的实际状态，因此本文是建立在三维地理信息系统的角度，分析岩层产状的相关测量方法，综合岩层面提取，岩层产状计算以及实际案例进行分析，意在通过本文论述，能够进一步提升三维地理信息系统的应用价值，增强岩层产状测量的有效性。
        关键词：三维地理信息系统；岩层产状测量；方法
        在地质研究的过程中，进行岩层产状测量是最基础的工作环节。我国的岩层产状测量技术体系，经历了前期的野外测量以及室内测量计算和遥感影像数字测量这三个阶段。最初相关工作者还需要通过地质罗盘以及坡度仪等设备进行野外测量，不仅会受到环境条件的限制，也会增加测量风险，后期建立在信息技术的基础上，智能化的测量工具和测量技术体系已经逐步发展成熟，进入到21世纪时，建立在航空立体影像的基础上，岩层产状测量技术逐步向地理信息系统方向发展，打造了以GIS为核心的3D影像技术。不仅能够提供高精度的数据分析，还可以实现不同环境中的准确测量，具有极强的应用价值，因此分析3D GIS影像技术的实际应用方法，不仅是本文论述的重点，也是进一步提升我国地质勘探有效性和智能化的重要研究课题。
        一、岩层产状测量中的岩层面提取方法
        在当前的岩层面提取过程中，三点法是最基础的方式，其应用有效性较高，操作较为便捷，通过在岩层面上获取三个不同空间的坐标点，并且利用平面方程进行计算，便能够确定沿层面的实际状态。传统空间点的定位涉及到了实地测量，解析测量以及航片刺点等方式，作业效率低，然而在三维地理信息系统中，通常利用鼠标选择的方式进行测量点坐标定位，这种方式较为便捷，但是唯一的缺陷便是有可能带来测量方面的误差，例如选点误差，DEM数据质量误差以及遥感影像匹配误差等。与此同时也会受到操作者自身的认知以及精确度技能的影响。通常来讲，选点误差可以通过多点平差进行控制，例如选取多个点位进行同步计算，针对其中的误差能够加以控制，并且得到较为精确的数值，计算方法运用到了多元函数极限法以及最小二乘法等，当前最小二乘法应用的较为普遍且效率较高。
        首先需要计算基准的平面方程，在已经选定的点中，随机找出三个点，建立这三个点之间的平面方程，并且通过方程来绘制平面坐标网络。这其中涉及到了基准平面方程以及拟合方程，要确保这两个方程之间有以下关联。
        基准平面方程：A0X+B0Y+C0Z+1=0
        拟合方程：AX+BY+CZ+1=0
        关系：A=A′＋A0；B＝B′＋B0；C＝C′＋C0
        接下来需要结合实际的数值打造误差方程组，求解符合最小二乘法的拟合平面方程，并且算出最优值，再通过高斯消元法便能够求解其中的A′、B′以及C′，将结果代入上述公式便能够求得拟合平面方程，可以实现误差削弱，提升定位点的精度。
        DEM与正射遥感影像的匹配误差主要是DEM地形分布与遥感影像地形分布不一致引起的，它们的投影系统、坐标系统、地形复杂程度等都有可能形成这一误差。在建立三维地理场景时，通过数据一致性变化、局部分块匹配等方法提高DEM与正射遥感影像的匹配度，降低匹配误差。
        二、岩层产状的实际计算
        建立在数字遥感体系角度打造的3D GIS系统，能够有效提升岩层产状计算的有效性，计算方法省时省力，同时能够进一步拓展岩层产状的勘测范围，不受外力环境因素的限制，此外能够提升勘测的安全性和可靠性。
        从理论角度来看，岩层产状主要指的是产出地点的岩层在实际的三维空间中存在的方位，涉及到了岩层的水平状态，以及倾斜状态，这其中需要通过岩层产状三要素进行表现，即走向、倾向以及倾角（图1）。岩层走向往往指的是水平面和岩层面之间的交线的方向，两侧所指便是岩层的走向。倾向主要指的是沿着岩层的倾斜层面向下方进行直线绘制，这条直线便是岩层的倾斜线，其水平投影便是岩层的倾向，岩层的走向和倾向之间有90度的偏差。倾角是指岩层的水平投影线和倾斜线之间的夹角。走向的计算方法需要在测量点集合中取起始的两点，通过水平投影进行，投射得出走向的向量坐标，再通过反余弦函数进行计算，由于倾向和岩层的走向之前有90度的偏差，因此在计算出了岩层的走向之后自然能够得到倾向。倾角的计算方法需要建立在拟合平面和水平地面之间的数据基础上进行分析，结合二者的夹角余弦值，利用反余弦计算公式便能够得出倾角。

        图1：走向、倾向以及倾角示意图
        三、三维地理信息系统在岩层产状测量中的实际应用
        为了进一步提升本文论述的有效性，文章选取了三峡库区的地形作为实际案例进行研究分析，通过1：1万的正射影像以及DEM叠加方法，打造三维立体模型（图2），接下来需要利用鼠标，在三维立体模型上自西向东选点，点位选择10个（图3），为了进一步缩小测量结果之间的误差，在测量点选择的过程中，需要结合山谷的实际变化进行位置定位，通过3D GIS系统进行测量点坐标获取，其结果内容如表1所示。坐标的计算通过3°带高斯克吕格投影实现，并且利用西安80平面坐标系统作为依据。

        图2：测量点定位

        图3：拟合岩层平面
        表1：三点法提取数据

        经过上表中的点位数据代入之后，能够得出最终的拟合平面方程：
        1.21447x-3.78898y+3.38073z+1=0
        计算出了拟合平面方程之后，便可以根据上文所论述的走向、倾向以及倾角的计算方法进行代入，便能够计算出整体的岩层产状结果。
        在这个过程中，为了进一步提升岩层产状结果的实际精度，需要采取有效措施控制DEM数据质量误差以及遥感影像匹配误差等，同时要在经验积累的基础上进行操作创新。在3D GIS中进行产状计算产生的误差大小主要取决于交互过程中标定测量点的准确性，而采用了多点法标定，并用最小二乘法拟合岩层平面，使得误差大大减少，再者拟合岩层平面可视化的结果验证，使得提取岩层面更为方便，所以通过交互迭代的方式提高岩层产状的准确性。但受DEM数据的精度反映实际地形的影响，岩层产状的测量精度在一定程度上也受地形数据质量的影响。
        结束语：
        综上所述，在空间坐标获取的领域，3D GIS技术有着更加直观和便捷的优势，可以进行批量计算，另外在3D GIS技术应用的过程中，误差产生因素涉及到了选取测量点的精准性、操作人员的技能以及相关经验，在实际应用过程中还需要通过复杂计算方法进行误差削减。在未来的技术体系研发和创新过程中，结合当前既有的问题进行针对性研究，进一步提升三维地理信息系统测量岩层产状成果的精确性及高效性，促使我国地质勘探领域技术不断向自动化和智能化方向发展。
        参考文献：
        [1]程明华.基于GIS的地层产状空间插值方法研究[D].中国地质大学(北京),2018.
        [2]匡经水.浅析岩层产状测量与成图精度的影响因素[J].陕西煤炭,2013,32(1):99-100,125.
        [3]崔景文.矿井下地层产状实用测量方法[J].煤,2019,18(4):40-41.