基于Skyline和IDL平臺(tái)的地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化研究

胡勤軍，姜 三，徐愛(ài)鋒

（天津市測(cè)繪院，天津300381）

隨著計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，地質(zhì)信息建模理論的不斷發(fā)展和完善，地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化與分析已經(jīng)得到了重視，在石油勘探，巖土工程和三維GIS等領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)［1－5］。三維地質(zhì)可視化建模就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息的管理、解譯、空間分析與預(yù)測(cè)，以及圖形可視化。其中，地質(zhì)建模是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。三維地質(zhì)模型對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)環(huán)境中的空間數(shù)據(jù)模型，可以分為基于面的數(shù)據(jù)模型，基于體的數(shù)據(jù)模型以及兩者的混合模型［6］。

目前，基于已有的地質(zhì)模型進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)［7－11］。這些研究都集中于地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維建模和可視化分析。但是，在實(shí)際的地質(zhì)勘探過(guò)程中，地上的地形地貌信息對(duì)于地質(zhì)勘探也具有重要的作用，如勘探任務(wù)規(guī)劃、影像信息解譯、地形分析等。近年來(lái)，以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)為核心的3S技術(shù)得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。攝影測(cè)量與遙感技術(shù)提供了地形數(shù)據(jù)和地表覆蓋數(shù)據(jù)的快速獲取和更新手段，可以成為地質(zhì)勘查中地上地形、地貌數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)源。因此，綜合利用這些技術(shù)和方法，以提高地質(zhì)勘查工作的效率，信息解譯的多源性和完整性具有十分重要的意義［12－13］。

因此，本文在研究當(dāng)前地質(zhì)數(shù)據(jù)建模理論和方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合攝影測(cè)量與遙感技術(shù)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了地上地形信息和地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?yàn)榈刭|(zhì)勘查工作提供地上地形信息管理分析，地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化。

1 技術(shù)背景

1．1 地質(zhì)數(shù)據(jù)建模

三維地質(zhì)建模是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?？傮w上來(lái)看，三維地質(zhì)模型可以分為基于面的數(shù)據(jù)模型、基于體的數(shù)據(jù)模型以及混合模型。基于面的數(shù)據(jù)模型側(cè)重于三維空間實(shí)體的表面展示，如地形表面、地質(zhì)層面等。這類模型一般用于表達(dá)具有均質(zhì)特性的地質(zhì)體。其中，TIN模型（不規(guī)則三角網(wǎng)模型）是最常用的基于面的數(shù)據(jù)模型。TIN模型利用三角形面片來(lái)模擬地表起伏變化以及其他不規(guī)則對(duì)象的表面特征。另外，規(guī)則格網(wǎng)，不規(guī)則格網(wǎng)，參數(shù)模型等也是典型的基于面的數(shù)據(jù)模型。

基于體的數(shù)據(jù)模型利用大量足夠小的體元（不規(guī)則四面體，三棱柱體等）組合描述地質(zhì)體。這些體元具有單一的屬性特征。因此，基于體的數(shù)據(jù)模型可以描述非均質(zhì)特性的地質(zhì)體。常用的基于體的數(shù)據(jù)模型有不規(guī)則四面體模型，三棱柱體模型，三維柵格模型等。由于現(xiàn)實(shí)世界中地形，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣，不可能用單一的數(shù)據(jù)模型表達(dá)所有的地貌特征?；旌夏Ｐ褪巧鲜鰞煞N模型的綜合利用，兼顧到不同數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點(diǎn)。本研究將基于三維柵格模型建立地質(zhì)實(shí)體模型。

1．2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

三維GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式可以分為底層開(kāi)發(fā)和二次開(kāi)發(fā)?？紤]到這些因素，本文選擇成熟的商業(yè)平臺(tái)Skyline作為地上地形信息三維可視化平臺(tái)（核心接口見(jiàn)表1）。Skyline開(kāi)發(fā)平臺(tái)利用航空攝影影像、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建一個(gè)交互式的三維環(huán)境。該平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：①將航空影像、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型加入到TerraBuilder模塊中，制作成MPT格式的地形數(shù)據(jù)。②在Terra Explorer Pr o中加載生成的地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的漫游和分析功能。③根據(jù)需要加入矢量、柵格或者三維模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建目標(biāo)系統(tǒng)。

地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化分析涉及到地質(zhì)數(shù)據(jù)的空間插值與建模、三維可視化等操作。Skyline的優(yōu)勢(shì)在于三維場(chǎng)景的展示。但是，其在空間插值、數(shù)據(jù)建模與分析等方面功能較弱。作為面向矩陣、語(yǔ)法簡(jiǎn)單的第四代可視化語(yǔ)言，IDL致力于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化和分析，是跨平臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的最佳選擇。由于其強(qiáng)大的功能和獨(dú)特的特點(diǎn)，IDL語(yǔ)言可以應(yīng)用于任何領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計(jì)算、三維圖形建模、科學(xué)數(shù)據(jù)讀取等功能中。因此，本文將利用IDL交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言interactive data language）進(jìn)行地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的建模與可視化分析［13］。

表1 Skyline平臺(tái)的主要功能接口組成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Skyline和IDL三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要分為地上地形信息可視化分析子系統(tǒng)和地質(zhì)數(shù)據(jù)建模與分析子系統(tǒng)。

圖1 地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)總體架構(gòu)

地上地形信息可視化分析子系統(tǒng)采用模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，由項(xiàng)目管理、導(dǎo)航模塊、查詢功能、分析模塊和地質(zhì)建模等部分組成。每一個(gè)部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能集合，并且所有模塊的功能都在命令字典中注冊(cè)，進(jìn)行統(tǒng)一的管理。地質(zhì)建模模塊則啟動(dòng)相應(yīng)的地質(zhì)建模程序。地質(zhì)數(shù)據(jù)建模與分析子系統(tǒng)基于IDL平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，分為基于表面模型和基于實(shí)體模型的可視化分析系統(tǒng)。

3 實(shí)現(xiàn)與分析

3．1 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于地上地形信息可視化分析系統(tǒng)，本文在Terra Buil der模塊中，將1∶2 000航空攝影正射影像、DEM數(shù)據(jù)制作成MPT地形數(shù)據(jù)集。介于原始地質(zhì)數(shù)據(jù)的保密性，本文模擬了一套地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)（空間分布見(jiàn)圖2）。每一個(gè)點(diǎn)要素代表一個(gè)鉆井，包括鉆井的平面位置以及鉆井與各個(gè)地層交點(diǎn)的深度信息（見(jiàn)圖3）。

圖2 鉆井的空間分布圖

圖3 鉆井?dāng)?shù)據(jù)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息

原始鉆井?dāng)?shù)據(jù)表現(xiàn)出空間離散分布的特征。本文將基于立方體結(jié)構(gòu)建立地質(zhì)層的三維實(shí)體模型 因此 離散的鉆井?dāng)?shù)據(jù)首先將被插值為規(guī)則分布的格網(wǎng)數(shù)據(jù)。利用IDL的反向距離加權(quán)（Inverse Distance）插值方法處理原始鉆井?dāng)?shù)據(jù)（關(guān)鍵代碼見(jiàn)圖4）。本文采用50 m采樣間隔進(jìn)行插值。

圖4 各個(gè)地質(zhì)層反向距離加權(quán)插值

3．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)應(yīng)于目標(biāo)系統(tǒng)的不同功能組成，本文采用模塊化的方式進(jìn)行功能組合。各個(gè)組成模塊之間的依賴關(guān)系如圖5所示。其中，GeologyInsight代表頂層的應(yīng)用程序；geo Base模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，定義了系統(tǒng)初始化類，創(chuàng)建命令字典以及多個(gè)關(guān)鍵接口類；其他的模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，如geo Project庫(kù)用于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理，geo Navigator用于場(chǎng)景漫游操作。最終，地上地形信息可視化分析系統(tǒng)的總體界面如圖6所示，包括了項(xiàng)目管理、地圖導(dǎo)航、屬性查詢和空間分析等模塊。

圖5 系統(tǒng)模塊依賴關(guān)系

圖6 系統(tǒng)總體界面

由于道路阻塞或者地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素的影響，野外地質(zhì)勘探工作常常具有較大的困難和危險(xiǎn)性?；诒鞠到y(tǒng)的瀏覽和分析功能，工作人員可以將興趣數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行瀏覽和分析。本研究導(dǎo)入了目標(biāo)區(qū)域的構(gòu)造線、構(gòu)造面數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析。為了便于瀏覽和查看，將研究區(qū)域的構(gòu)造線、構(gòu)造面向地下偏移100 m。圖7是用于查看地表起伏程度的地形剖面分析。為了研究某一個(gè)區(qū)域的地下地質(zhì)構(gòu)造信息，利用本系統(tǒng)的地表開(kāi)挖功能能夠直觀地查看（見(jiàn)圖8）。由此可知，本系統(tǒng)提供的功能可以很好地滿足地質(zhì)勘探中地表屬性、結(jié)構(gòu)的分析。

圖7 地形剖面分析

圖8 興趣區(qū)域地表開(kāi)挖分析

對(duì)于地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化分析，本研究建立了地質(zhì)表面模型和地質(zhì)實(shí)體模型的IDL對(duì)象層次結(jié)構(gòu)圖。圖9是地質(zhì)表面模型層次結(jié)構(gòu)圖。Viewer對(duì)象代表整個(gè)視圖窗口；Trackball對(duì)象實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)景的旋轉(zhuǎn)操作；Rot Model包含了整個(gè)場(chǎng)景的目標(biāo)圖形，將響應(yīng)用戶的交互操作。其中，Layer Gr oup包含所有的地質(zhì)層，SideFace Gr oup包含地質(zhì)層的側(cè)面多邊形，Borehole Gr oup代表地質(zhì)鉆井模型。在此層次模型的基礎(chǔ)上，用戶的所有操作將會(huì)直接影響模型的狀態(tài)。地質(zhì)表面模型基于IDL的“IDLgr Surf ace”對(duì)象表達(dá)（見(jiàn)圖10）。同樣，地質(zhì)實(shí)體模型的層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。實(shí)體模型基于IDL的IDLgr Volu me對(duì)象創(chuàng)建。

圖9 地質(zhì)表面模型的IDL對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

圖10 創(chuàng)建地質(zhì)表面模型對(duì)象

圖11 地質(zhì)實(shí)體模型的IDL對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

最終，地下地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化分析系統(tǒng)的主界面如圖12所示。對(duì)于原始表格形式的地質(zhì)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)讀取、插值和建模流程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化。系統(tǒng)提供了基本的漫游功能和圖層控制功能，以便于對(duì)特定的地質(zhì)層進(jìn)行分析。其中，地質(zhì)表面模型由地質(zhì)層和側(cè)面多邊形組成；實(shí)體模型則基于立方體格網(wǎng)構(gòu)建（見(jiàn)圖13）。除了基本的可視化功能，系統(tǒng)中加入了目標(biāo)地質(zhì)層的統(tǒng)計(jì)分析功能，如最大最小值、均值統(tǒng)計(jì)等（見(jiàn)圖14 在添加了坐標(biāo)軸 配置地質(zhì)層顏色等信息后可以將窗口圖形導(dǎo)出制圖。對(duì)于實(shí)體模型的地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化分析 提供了任意方向的切割面分析制作興趣方向的地層剖面圖（見(jiàn)圖15）。

圖12 地質(zhì)表面模型分析系統(tǒng)主界面

圖13 基于實(shí)體模型的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析

圖14 特定地質(zhì)層的統(tǒng)計(jì)分析

圖15 地質(zhì)數(shù)據(jù)的任意切割面分析

4 結(jié)束語(yǔ)

在研究了地質(zhì)數(shù)據(jù)建模方法和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文選擇Skyline和IDL作為地質(zhì)勘探中地上地形信息和地下地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化分析平臺(tái)。然后，設(shè)計(jì)了目標(biāo)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖和基于IDL對(duì)象圖形系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖。最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的研究思路能夠很好將地面地形地貌分析與地下地質(zhì)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)地上地下信息的一體化分析。

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