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

        2015-03-29 02:32:52胡勤軍徐愛鋒
        測繪工程 2015年6期
        關(guān)鍵詞:實體模型數(shù)據(jù)模型可視化

        胡勤軍,姜 三,徐愛鋒

        (天津市測繪院,天津300381)

        隨著計算機(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算機(jī)技術(shù),在三維環(huán)境下實現(xiàn)地質(zhì)信息的管理、解譯、空間分析與預(yù)測,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)研究內(nèi)容。三維地質(zhì)模型對應(yīng)于計算機(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,在實際的地質(zhì)勘探過程中,地上的地形地貌信息對于地質(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,以數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)、遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)為核心的3S技術(shù)得到了長遠(yuǎn)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。攝影測量與遙感技術(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)合攝影測量與遙感技術(shù),設(shè)計和開發(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)能夠為地質(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)研究內(nèi)容??傮w上來看,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模擬地表起伏變化以及其他不規(guī)則對象的表面特征。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)實體模型。

        1.2 開發(fā)平臺

        三維GIS系統(tǒng)開發(fā)模式可以分為底層開發(fā)和二次開發(fā)。考慮到這些因素,本文選擇成熟的商業(yè)平臺Skyline作為地上地形信息三維可視化平臺(核心接口見表1)。Skyline開發(fā)平臺利用航空攝影影像、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D數(shù)據(jù)源,創(chuàng)建一個交互式的三維環(huán)境。該平臺的開發(fā)流程主要包括以下幾個方面的內(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),實現(xiàn)對場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)勢在于三維場景的展示。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、語法簡單的第四代可視化語言,IDL致力于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化和分析,是跨平臺應(yīng)用開發(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平臺的主要功能接口組成

        2 系統(tǒng)設(shè)計

        基于Skyline和IDL三維開發(fā)平臺,本系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖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,由項目管理、導(dǎo)航模塊、查詢功能、分析模塊和地質(zhì)建模等部分組成。每一個部分實現(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,進(jìn)行統(tǒng)一的管理。地質(zhì)建模模塊則啟動相應(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平臺進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn),分為基于表面模型和基于實體模型的可視化分析系統(tǒng)。

        3 實現(xiàn)與分析

        3.1 數(shù)據(jù)處理

        對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)(空間分布見圖2)。每一個點(diǎn)要素代表一個鉆井,包括鉆井的平面位置以及鉆井與各個地層交點(diǎn)的深度信息(見圖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)鍵代碼見圖4)。本文采用50 m采樣間隔進(jìn)行插值。

        圖4 各個地質(zhì)層反向距離加權(quán)插值

        3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

        對應(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關(guān)鍵接口類;其他的模塊用于實現(xiàn)對應(yīng)的功能,如geo Project庫用于實現(xiàn)項目管理,geo Navigator用于場景漫游操作。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性。基于本系統(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。為了研究某一個區(qū)域的地下地質(zhì)構(gòu)造信息,利用本系統(tǒng)的地表開挖功能能夠直觀地查看(見圖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)域地表開挖分析

        對于地下地質(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)實體模型的IDL對象層次結(jié)構(gòu)圖。圖9是地質(zhì)表面模型層次結(jié)構(gòu)圖。Viewer對象代表整個視圖窗口;Trackball對象實現(xiàn)整個場景的旋轉(zhuǎn)操作;Rot Model包含了整個場景的目標(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”對象表達(dá)(見圖10)。同樣,地質(zhì)實體模型的層次結(jié)構(gòu)見圖11。實體模型基于IDL的IDLgr Volu me對象創(chuàng)建。

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

        圖10 創(chuàng)建地質(zhì)表面模型對象

        圖11 地質(zhì)實體模型的IDL對象層次結(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。對于原始表格形式的地質(zhì)數(shù)據(jù),本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)讀取、插值和建模流程實現(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;實體模型則基于立方體格網(wǎng)構(gòu)建(見圖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)計分析功能,如最大最小值、均值統(tǒng)計等(見圖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。對于實體模型的地質(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(見圖15)。

        圖12 地質(zhì)表面模型分析系統(tǒng)主界面

        圖13 基于實體模型的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析

        圖14 特定地質(zhì)層的統(tǒng)計分析

        圖15 地質(zhì)數(shù)據(jù)的任意切割面分析

        4 結(jié)束語

        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。然后,設(shè)計了目標(biāo)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖和基于IDL對象圖形系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖。最終實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。實驗結(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,實現(xiàn)地上地下信息的一體化分析。

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