地質(zhì)體三維可視化研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形顯示技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)字城市建設(shè)的不斷深入,人們在掌握和管理各種地表信息的同時(shí),也需要對地下各類信息,如地質(zhì)信息、地下構(gòu)筑物和管線信息等進(jìn)行有效管理。其中地質(zhì)信息的采集與管理在城市建設(shè)過程中尤為重要。各城市因其所處地質(zhì)帶的不同而受到不同程度的地震、地面沉降、滑坡、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的威脅,為此,很多城市根據(jù)已有的地質(zhì)資料開展了地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和防治工作；同時(shí)在很多建設(shè)領(lǐng)域,如城建工程、地下工程、水電工程、交通工程、環(huán)

2、境工程、資源開發(fā)等都需要以地質(zhì)數(shù)據(jù)為支撐,這就迫切需要借助地理信息系統(tǒng)及其它相關(guān)技術(shù)來管理、分析和顯示地質(zhì)信息。然而,由于地質(zhì)體的復(fù)雜性和不確定性,現(xiàn)有的二維GIS軟件很難對其進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和二維表達(dá)。而要將復(fù)雜且海量的地質(zhì)數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)給用戶,就必須采用地質(zhì)建模技術(shù)、三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等建立一個(gè)真三維的地質(zhì)信息可視化與管理系統(tǒng),為城市建設(shè)、發(fā)展和管理提供基于三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的信息服務(wù)：便于有效地管理和監(jiān)控地質(zhì)資源；并輔助地震系統(tǒng)研究

3、地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展及演變。 本文基于作者在導(dǎo)師承接的杭州市科技局、地震局課題--“目標(biāo)區(qū)地下三維第四系與構(gòu)造框架建模與可視化"(HZZFCG-2005-A7)--中的工作,結(jié)合作者對地質(zhì)體三維可視化的一些思考,從地質(zhì)體三維可視化建模方法、計(jì)算機(jī)三維可視化原理、地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的總體構(gòu)架和功能構(gòu)架,以及地質(zhì)體三維可視化關(guān)鍵技術(shù)等方面對地質(zhì)體三維可視化進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探索,并最終實(shí)現(xiàn)了通用的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)。 概括起來,

4、論文主要涉及以下六章內(nèi)容： 第一章闡述地質(zhì)體三維可視化與系統(tǒng)開發(fā)的研究意義、研究現(xiàn)狀以及研究方法。 第二章將探討地質(zhì)體三維可視化模型的建模方法。首先,作者將提出地質(zhì)體建模的一般過程。在此基礎(chǔ)上討論空間曲面擬合方法。然后,作者將使用當(dāng)前流行的地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS進(jìn)行地質(zhì)三維表面建模,指出ArcGIS地質(zhì)建模的不足之處,并進(jìn)而討論基于表面模型的地質(zhì)體模型生成方法。最后將利用石油地質(zhì)行業(yè)成熟的地質(zhì)建模軟件Petrel建

5、立地質(zhì)體模型。 第三章將重點(diǎn)討論計(jì)算機(jī)三維可視化的原理。在地質(zhì)體模型建立之后,要將這些三維的模型數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)二維屏幕上,需要進(jìn)行很多工作。在此過程中將涉及多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),如模型坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、觀察坐標(biāo)系等,還將涉及地質(zhì)體模型如何在這些坐標(biāo)系中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外,本章還將討論當(dāng)前三維可視化中的熱點(diǎn)技術(shù)--層次細(xì)節(jié)模型(Level of Detail,LOD),并提出其在地質(zhì)體三維可視化中的實(shí)現(xiàn)方案。 第四章將對地質(zhì)體三維

6、可視化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。作者將首先對地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行討論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),提出系統(tǒng)的總體框架與功能構(gòu)架。最后對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),給出系統(tǒng)對象模型圖。 第五章是對地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的實(shí)踐。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中,作者遇到了-系列的開發(fā)難題,如全局視圖下大數(shù)據(jù)量地質(zhì)模型的載入、局部視圖下地質(zhì)模型的載入、六面體模型切割算法,使用鼠標(biāo)仿真三維跟蹤球的旋轉(zhuǎn)等。這些開發(fā)難題也就構(gòu)成了系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。作者將分別對這

7、些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,給出相應(yīng)的解決方案。最后,將基于以上的各種理論與方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)。 第六章對論文進(jìn)行了總結(jié)和展望,提出進(jìn)一步工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。 總的來說,作者認(rèn)為論文主要有以下幾方面的貢獻(xiàn)： (1)根據(jù)已有的研究成果,并結(jié)合作者在建模實(shí)踐中的工作,總結(jié)出了地質(zhì)體三維建模的一般方法,內(nèi)容包括空間曲面擬合插值、空間曲面剖分、空間曲面拓?fù)潢P(guān)系建立、三維地層網(wǎng)格剖分,屬性建模等。 (2)利用Arc

8、GIS、Petrel等軟件對地質(zhì)三維建模進(jìn)行實(shí)踐,從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型生成、模型三維顯示以及模型數(shù)據(jù)輸出等方面給出了地質(zhì)三維模型建立的具體操作方法。 (3)基于離散LOD的基本原理,提出了適用于非三角形面片構(gòu)成的地質(zhì)體模型的LOD方法,在一定程度上解決了海量地質(zhì)數(shù)據(jù)模型的實(shí)時(shí)渲染問題。 (4)在分析了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上,提出了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的總體框架以及功能構(gòu)架。對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),給出了系統(tǒng)的對象

9、模型圖,從而為類似的研究與系統(tǒng)開發(fā)提供了一個(gè)切實(shí)可行的參考依據(jù)。 (5)在地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)踐中,總結(jié)了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù),如全局視圖下大數(shù)據(jù)量地質(zhì)模型的載入、局部視圖下地質(zhì)模型的載入、六面體模型切割算法以及使用鼠標(biāo)仿真三維跟蹤球的旋轉(zhuǎn)等,并給出了相應(yīng)的解決方案。 (6)對地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的一些主要功能,包括： 1)模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的