摘 要：GIS技术及其特有的空间分析功能已成功应用于各行各业。地上下一体化剪切技术作为GIS技术的发展，解决了空间分析中矢量剪切技术只能对由单一数据结构的空间实体进行剪切的问题。文章简要介绍了地上下一体化剪切技术，并对其在矿产资源普查与开采、石油行业、地质灾害评估、地质工程等行业中的应用进行了探讨。该技术的应用将为相关行业的研究人员提供准确、直观、便利的辅助决策工具。
关键词：地上下一体化剪切；矿产资源普查与开采；石油工程；地质灾害；工程地质
Abstract： GIS and its function of spatial analysis are applied successfully in every walk of life. As the result of GIS improving， integrated cutting technology of aboveground and underground features can handle spatial entity composed by more than single data structure. This paper mainly introduces the integrated cutting technology of aboveground and underground features and presents its applications in the fields of mineral resources， petroleum， geologic hazard and engineering geology. This technology would provide accurately， intuitively and conveniently aid decision for the researchers of relevant fields.
Keywords： integrated cutting technology of aboveground and underground features； mineral resources； petroleum； geologic hazard； engineering geology
1 概述
目前GIS技术发展已日益成熟，三维可视化技术在各个领域也得到了广泛运用。二者相结合，不仅直观、形象的再现了真实世界的三维景观，而且实现了研究人员或是用户在计算机这个平台上对再现的三维景观进行各种分析操作。三维矢量剪切技术是通过指定剪切面对被剪切对象进行切割，即剪切平面分别与构成被剪切对象的点、线、面、体四要素之间求交后并重构剪切面要素的拓扑关系和属性的过程。三维矢量剪切技术为分析实体内部的属性特征，了解和掌握实体的组成、结构、稳定性、活动规律和运动机制提供了有效的技术支持。但是现有的矢量剪切算法大多是针对由单一数据模型构成的空间实体（魏振华，2006）。而真三维地学数据模型具有多源、多维、多量、多元、多主题、多时态等特点（吴冲龙等，2007），即由点、线、面、体多种基本数据结构综合表示而成。三维空间模型的地上下一体化剪切技术有效地解决了单一数据模型的剪切算法无法用于复杂的地学数据模型这一问题，并在各行各业中有广阔的应用前景。
2 地上下一体化剪切技术简介
随着空间数据获取技术、建模技术和数据库技术的大力发展，地上下一体化可视化、查询、分析等功能也随之发展起来（刘刚等， 2011），这为高效的地上下一体化剪切技术提供了技术支持。三维空间模型的地上下一体化剪切技术是通过空间分区二叉树方法对集成了多种数据结构的三维空间模型进行一次性剪切，真实的还原剪切面信息（包括所有要素的空间坐标和属性数据），并与原三维模型通过一体化剪切后形成的两个部分组成2个独立的闭合的三维空间模型，这两个新的模型继承了原三维模型的所有空间坐标和属性数据。该算法是通过定义语义，自适应地对点、线、面、体这四类基本数据结构剪切矢量算法进行调用，以完成模型整体的一次性剪切，其算法的基本流程图见图1（许珂，2014）。地上下一体化剪切技术展现了剪切面实体属性以及实体间的空间位置关系，便于对剪切面上的实体剖、切面进行必要的查询和空间分析等操作，为地矿、地调、城市规划、建筑、农业、海洋、气象灾害等各行业的更加深入和精细应用提供了信息化平台。地上下一体化剪切效果图见图2。
其中包括地上下建筑、管线、地质体和道路灯多类三维目标对象（引自刘刚等，2011）
3 地上下一体化剪切技术矿产资源普查与开采中的应用
三维GIS技术运用在地矿工作中后，解决了地质矿山实体在计算机中的模拟、空间属性信息管理与查询、空间测量、资源储量计算、空间分析等问题，大大降低了地质人员的工作量和工作难度（黄伟山，2012）。GIS人员通过勘察和分析区域的岩石矿物、钻孔数据、遥感数据、测量数据等，以三维地理信息系统基本平台为基础，建立空间坐标和属性数据相关联的空间数据库，最终建立集结了勘探区域的矿山、地形、地层等信息的数据模型。地矿工作人员可以在该系统中进行除了进行基本的地理信息系统空间分析操作外，还可进行更多的扩展应用，例如统计分析、矿产资源评价、成因推理、地矿勘查、开发和管理中的技术方法和手段组合优化决策、最优勘探方案的选择、资源配置与合理利用、勘查投资结构优化及投资风险评估决策等问题（吴冲龙等，2005）。
然而，对于数据模型的分析或查询都是建立在整个勘察区域或是模型可视区域（即数据模型表面）的。比如，想要知道矿山内部某坐标点或某一平面的元素含量，虽然可通过查询窗口获得具体的数值；但是数据是抽象的，研究人员无法直观的看到该平面的各元素含量、比例及相关性。
三维GIS地上下一体化剪切技术很好地解决了这一问题。该方法通过对勘察区域三维模型（包括矿山、地形、底层构造）的某一坐标进行高效的一体化矢量剪切后，直观、真实、精确的展现切面信息，方便在切面上进行等值线绘制，长度、方位角、面积、体积等的计算、地质体刻挖分析、变品位矿体圈定与显示以及各类查询、统计等工作，为地矿部利用计算机认知矿体内部构造和成分含量分析、元素含量与空间坐标的位置关系、地质变量与成矿作用之间的关系提供了平台。该技术还能够帮助工作人员在计算机上选择制作矿石光片、矿石样品靶等实验素材的合适区域，以提高实验数据的准确性并且避免矿石样品的浪费。这一方法达到了地上下的切面一体化展示，地下、地上地质现象相匹配，为地质工作者研究各种地质现象的内在关系提供了工具。
4 地上下一体化剪切技术在石油行业中的应用
三维GIS技术在石油勘探、生产和运输与管理等领域都有非常重要的作用。专业人员通过把物探、测井等所得到的信息数据录入数据库，并在勘探区的地质模型的基础上，以空间坐标与属性信息相对应的原则，通过叠加分析，建立起一个能够反映真实地质构造和油气储层的空间模型（周姣，2012）。一般情况下，研究人员通过对多种数据的综合分析或针对某一类数据的独立分析，以满足油气勘探开发的各种需要。但是，由于石油形态和地质层都属于空间三维实体，地质学家们所用于研究的数据模型也必然是一个整体的三维实体模型，使其无法直接查看模型的内部信息，或是需要通过隐藏地质层来观察油气藏的整体形态。对于石油储层综合评估来说，还需要与其他柱状图、剖面图、水平切面图相结合，工作量大，效率低，还无法直观的表现油气藏形成与地质构造间的关系（刘学锋等，2003）。
三维模型地上下一体化剪切技术还可以解决石油勘探人员无法查看勘探区模型内部任意区域的油气成藏情况。在油气成藏动态模拟的过程中，运用该技术能从任意水平方向和垂直于地层的方向做剪切面，立体、直观的展现油气输导体系及运移过程，便于技术人员了解油气在某一时间段的运移方向、任意经纬度油气分布形态及二者与地质构造的相关性，解析油气的富集规律。在钻井、采油的过程中，会出现卡钻、井漏、井喷等事故，地上下一体化剪切技术能够在综合地质数据模型上，还原并且真实展现事故发生时的情况，辅助分析事故原因，完善预防机制，减少事故发生。石油污染越来越受到环境学家的关注，加油站、运输油气的管线不仅数量众多且都贯穿于城市之中。一旦出现石油泄漏的情况，不仅对生态环境造成影响，甚至直接危害人类生活。所以对油气运输管道的规划与维护也成为重中之重。地上下一体化剪切技术，直观地展现了任意经纬度上的包括地质构造、地下管网分布情况以及地上实体景观相互对应的切面图（平行于水平面方向）或剖面图（垂直于水平面方向），便于管理人员在进行设计规划的时候，综合地上地下各种因素，选择合适的油气管道组合排列方法。
5 地上下一体化剪切技术地质灾害研究中的应用
我国处于环太平洋地震带及喜马拉雅地震带的交汇处，且山体众多、地势高低险峻，所以地质灾害时常发生。地震、泥石流、山体坍塌、滑坡等地质灾害，对人民的生命财产安全造成威胁。随着3S技术的迅速发展，国内外众多地学信息研究人员通过对地质灾害调查区域的卫星影像、航拍资料、DEM、DTM、基础地质数据、地质灾害数据、水文地质数据、气象、人文、经济数据等和GPS定位图合成三维GIS场景（王增福等，2011；付小林等，2004）。该技术已被用于制作灾害分布图（Saha et al.，2003）、滑坡地形参数研究等（Sarkar and Kanungo，2003），从宏观上为调查研究灾害地质体的分布规律、规模、变形破坏特征、形成机理、趋势预测等提供了直观的辅助手段，帮助研究人员对区域性地质灾害的评价、防治有全面的认识和考量。
黄润秋（2004）等在文章中提到，影响一个地区地质灾害发生的根本性地质因子通常有3-5种，如果只单纯对这些因子进行数学运算而不进行地质分析所得到的结果可能会完全错误。因为影响地质灾害发生的因素往往是相互依存的，某一个因素在地质灾害中所起到的作用在很大程度上取决于其他的相关因素的情况。现在表示这些因子的作用程度和范围的途径主要依靠DEM或是平面图，其中DEM所描述的主要是坡度、坡向、坡形等地形因子。对于像高差、岩组结构、构造断裂这样的影响因子，甚至是对影响因子起到控制性作用的地质要素（例如软弱夹层、能干性、软弱基座、岩性等），在DEM和平面图上都得不到很直观形象的体现（Aletti and Chowdhury，1999；黄润秋，2004；刘汉湖，2012；韩俊等，2012）。笔者认为，即使通过三维建模技术对地质灾害区域进行了全面的立体再现，也需要通过一体化剪切技术对该模型内部任意位置的地质详情进行直观的观察，才能真正的辅助地质灾害研究人员对主要的地质灾害影响因子进行选择并分析其相互的作用关系。
运用GIS技术对地质灾害研究区域进行三维建模，其中一个特点是对影响地质灾害的各影响因子进行空间叠加。地上下一体化剪切技术便于地质研究人员对可能引起灾害发生的部分进行剖分，并查看经过空间叠加后模型内部的空间和属性信息。剪切面所展现的信息，能够直接反应出地上构造、地形、地质构造、岩组结构及岩性等在模型外观无法直接看见的属性信息，以及各种地质现象之间的关联性，帮助研究人员充分了解地质灾害发生的区域特点，深入研究地质灾害形成机制，快速且准确的确定最显著的影响地质灾害的因子，为后期进行因子的量化计算、数学评价计算和风险评估等提供了便利，避免了不必要的数学建模。地上下一体化剪切技术可与GIS其他技术相结合，提供局部空间的属性查询、地质统计、叠置分析、坡度计算等功能，使纯数字数据、针对某一类或某几类数据的数学模型和专业人员对灾害区域内部构造、各影响因子的空间分布及相关性的直观认知相结合，并通过其野外实地考察的丰富经验，对地质灾害的发生的概率和程度进行全面评估（牛全福，2011）。此外，这一方法也有利于通过可视化的手段对可能发生地质灾害和已发生地质灾害的区域进行地质要素的切面比对，为下一步深入研究提供方向。
6 地上下一体化剪切技术在工程地质中的应用
工程地质是调查、研究、解决与人类活动及各类工程建筑有关的地质问题的科学（ 亚永，2010）。人类活动中必须开展民用建筑建设、桥梁建设、公路铁路建设、地下工程、水利工程等各种工程建设，而工程建设的实施运行又必然与周围的自然和社会环境的相互制约（王思敬，2011），地质条件不一样，所被允许进行的施工建设种类也不同。需要重点提到的是，人类在进行这些工程建设时，如果没有调研清楚施工区客观存在的自然环境规律，如各种地质问题，不仅会造成人力财力的浪费，还有可能造成人员伤亡。在进行工程建设前，要对岩土组分、组织结构、地下水运动规律、地质现象对工程建设的局限性、工程建设所带来的地质和环境问题等方面进行详细的调查研究和评估。GIS技术用于工程地质中，研究人员可以快速查询和提取各类地质和环境因子，并生成覆盖整个研究区域的各类专题地图（王月香和陈竹安，2009）。然而，专题地图的局限性在于它只能在水平面范围内展现某一类或某几类的地质和环境信息，研究人员只能通过抽象的思维将各类地质信息综合分析，使得不仅研究人员工作量大，取得的效果还不一定好。
地上下一体化剪切技术能够从水平方向和垂直地层的方向展现岩土组分、地质构造、地下设施、地下水形态、自然环境的耦合关系，使研究人员身临其境，便于对场区的各类地质问题进行更加细致深入的分析评价，为合理的规划设计提供技术支持。运用该技术在根据地质勘查数据建立的三维数据模型上进行一体化剪切，不仅避免了在研究过程中专门生成各种专题平面图，再进行综合分析的问题；而且通过对剪切面上的所有信息的真实再现，能够方便对模型内部任意位置的岩土组分、地质构造、地下水深度与成分、土的物理和化学性质等属性信息进行具体的查询。现有的GIS技术可以支持对建筑、桥梁、公路地铁、隧道、水电站等模拟建设（杨成杰，2010）。在此基础上通过对模拟结果的一体化剪切，可以查看任意经纬度以及深度的地质条件变化和对工程的承受力，直观且及时地对设计方案进行反馈，以保证施工的顺利进行。
7 结束语
本文对地上下一体化剪切技术做了简要介绍，并重点描述了该技术在地质调查相关行业的应用。地上下一体化剪切技术，解决了传统的矢量剪切技术只能对单一结构的地质体进行剪切的问题，在信息量丰富且数据完整的三维空间模型的基础上，为矿产、石油、地质灾害等行业提供了查看研究区域的数据模型内部任意经纬度空间和属性信息的手段，便于研究人员进行信息化的分析。最后，该技术不仅可被应用于地质地矿，工程地质、水文地质勘查，石油勘探等地质领域，同时也能为城市规划、建筑、旅游、交通等各行各业提供技术支持。
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