（地图制图学与地理信息工程专业论文）地质体三维可视化应用研究.pdf

摘要 随着计算机技术在地学领域的快速发展，地质体三维可视化应用已经成为当前国内 外研究的热点。地质体三维可视化技术为地质工作者在三维空间中观察地质结构、把握 地质信息、分析地质特征提供了新的有效方法与手段，并可在石油、地质、矿藏等多个 领域中为决策提供科学依据。本文通过钻孔数据获取地质体结构信息，运用地理信息三 维建模技术，将地质体结构以三维可视化形式，形象直观的展现出来。 本文首先介绍了地质体三维可视化实现的技术基础与相关原理，并阐述了三维建模 方法与流程。在此基础上，提出了基于不规则三角网( t i n ) 的地质体三维建模思路， 实现了三维地质体的生成与可视化显示。 本文在研究过程中取得了如下成果和收获： 1 初步实现了基于c 撑n e t + a r c e n g i n e + a r c s c e n e 的部分地质体的三维可视化。 2 使用钻孔数据、采用t i n 建模技术及克里格插值方法实现了地表曲面及大套地 层曲面的模拟，并使用m u l t i p a t e h 方法成功实现了对地层的三维建模与显示。 3 使用t i n 技术拟合生成了地裂缝空间连续曲面。 4 实现了钻孔数据三维显示和信息查询。 5 基于所生成的三维地层模型，实现了三维环境下任意位置、方向上地层剖面的 剖切。 关键词：三维、可视化、地质体、应用 a b s 仃a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi ng e o l o g i c a lf i l e d ，t h ea p p l i c a t i o n o f3 dg e o l o g i c a lb o d yh a sb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c ht h e s ey e a r si nb o r n ea n da b r o a d 3 d g e o l o g i c a lv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yp r o v i d e san e wm e a n sf o rt h eg e o l o g i c a lw o r k e r st o o b s e r v et h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，h o l dt h eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o n , a n a l y z et h eg e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c si nt h e3 ds p a c e ，a n di tc a l lb eu s e d 嬲t h eb a s i so fs c i e n t i f i cd e c i s i o nf o rt h e p e t r o l e u m ，g e o l o g y , m i n e r a l s ，a n do t h e rf i e l d s t h i sp a p e rg e tt h ei n f o r m a t i o no fg e o l o g i c a l s t r u c t u r eb yd r i l l i n gd a t a , a n ds h o wt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei nt h ef o r mo ft h r e e - d i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e b a s i sf u n d a m e n t a la n dr e l a t e dt h e o r yt oa c h i e v e3 d v i s u a l i z a t i o no fg e o l o g i c a lb o d ya tf i r s t , a n dt h e nd e s c r i b e st h em e t h o d sa n dp r o c e s s e so f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gb a s e do ni r r e g u l a rn e to ft r i a n g u l a t i o n ( t i n ) o nt h e s eb a s e s ，t h e t r a i no ft h o u g h to f3 dg e o l o g i c a lb o d ym o d e l i n gi sp r e s e n t e d ，a n da c h i e v i n gt h ep r o d u c ea n d v i s u a l i z a t i o no f3 dg e o l o g i c a lb o d y t h i sp a p e ra c h i e v e st h er e s u l t sa n db e n e f i t si nt h ep r o c e s so fr e s e a r c ha sb e l l o w ： 1 i n i t i a l l yi m p l e m e n t i n gt h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fap a r to fg e o l o g i c a lb o d y b a s e do nc 拌n e t + a r c e n g i n e + a r c s c e n e 2 a c h i e v i n gt h es i m u l a t i o no ft h ec u r v es u r f a c eo ft h ee a r t ha n dt h el a r g es e to fs t r a t u m b yu s i n gd r i l l i n gd a t a , t h em o d e l i n gt e c h n i q u e so ft i na n dk r i g i n gi n t e r p o l a t i o n , a n ds u c c e s s f u l l ya c h i e v i n gt h e3 dm o d e l i n ga n ds h o wo ft h es t r a t u mb yu s i n g t h em e t h o do fm u l t i p a t c h 3 f i t t i n ga n dg e n e r a t i n gt h ec o n t i n u o u ss p a t i a lc u r v e ds u r f a c eo fg r o u n df i s s u r eb y u s i n gt i nt e c h n o l o g y 4 t oa c h i e v et od i s p l a yt h e3 dm o d e lo fd r i l l i n gd a t aa n dc o u l di n q u i r et h ei n f o r m a t i o n o fb o r e h o l e 5 b a s e do nt h em o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a ls t r a t u mw h i c hi sg e n e r a t e d ，t oa c h i e v e s p l i t t i n gt h es t r a t u mf r o ma n yp o s i t i o na n dd i r e c t i o ni n3 de n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：3 d ；v i s u a l i z a t i o n ；g e o l o g i c a lb o d y ；a p p l i c a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景与现状 第一章绪论 1 1 1 研究背景 以高速传递的信息流取代物质流是当今信息时代的一个显著特点，而图形无疑是传 播信息的高效率载体。在各种应用信息系统的建设过程中，尤其是涉及大量基于空间信 息的地质资料时，实现地质体三维可视化显示从而满足人们对空间数据信息的视觉需 求，是极为必要的。无论是矿产资源评估、地下水资源计算，还是地下空间利用，均需 要表达与之相关联的一系列空间数据信息，所有这些信息表现出了强烈的三维空间性。 对人类的视觉来讲，基于枯燥的数字、甚至二维平面来表达地质体对象的复杂结构是极 为抽象的，这就要求开展地质体三维可视化的研究工作，基于对象可视化目标将一个形 象的地下空间世界展现给人们【l j 。 我们的生存环境是地球三维空间中的自然环境，其中的自然实体、人类工程及其活 动变化等均是三维空间中的现象。但是，由于空间信息理论与技术发展的局限性，现有 的地理信息系统主要是运用二维，或者是2 5 维( 地表建模) 对现实世界建立数字表达 模型，因此急需对现实世界进行三维空间建模与计算机可视化表达。三维g i s 在过去十 年多的发展中一度较为缓慢，其主要原因是三维空间建模与分析算法的理论方法发展难 度较大，需要更多、更适合的三维建模方法【2 】。 1 1 2研究现状 三维地质体可视化已经不能算是很新的研究方向，在国外，地质体可视化技术已经 发展了几十年，中国自上世纪8 0 年代末开始引入e a r t hv i s i o n 以来，也已经发展了将 近三十年。但回顾一下地质体可视化技术在各个领域中的应用，我们不难发现，目前的 三维地质体技术还没有起到很好的作用，没有完全发挥出自己的功能。 目前，地质研究还主要依靠手工编制的剖面图、连通图等，因此十分需要新技术的 补充与提高。在整个地质研究工作中，唯一可以称为新技术的就是三维地质体可视化功 能，因此三维地质体可视化技术完全可以在地质研究开发阶段中起到更为突出的作用。 实际上，三维地质建模与可视化应该，也完全可以成为在相关地质工作中的核心技术。 第一章绪论 三维地质体建模是研究地质体三维模拟与可视化技术的核心与基础。近年来国内外 已有不少探索性的研究工作，但总的来说，三维地质体模型的数据模型理论与技术尚未 成熟，这在很大程度上制约了三维地学相关研究的进展，这方面的突破将有力地促进三 维地学软件行业的发展。传统地质信息的模拟与表达方式主要有两种：其一是采用平面 图和剖面图进行表达( 如底板等高线图、采掘工程平面图、地质剖面图、钻孔剖面图等) ， 其实质是将3 d 地质环境中地层、矿体与地质现象投影到某一2 d 平面上进行表达：其 二是采用透视和轴侧投影原理，将3 d 地质环境中的地层、矿体与地质现象进行透视制 图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强3 d 视觉效果，提高人们的3 d 理解水平。然而这两种方式同样存在空间信息的损失与失真问题，而且制图过程复杂， 信息更新困难。因此，急需一个更好的方法来展示相关的地下空间信息。 1 2 研究意义 自2 0 世纪6 0 年代地理信息系统诞生以来，其功能、内涵和应用领域在不断的发展 和扩充。地球空间信息与生物技术和纳米技术一起，被认为是当今世界发展最快和最重 要的三大技术【3 】。 近几十年来，地理信息系统( g i s ) 从最初的地籍数据库管理与机助制图起步，经 历由二维数据来描述地理对象，发展到后来基于二维半的空间分析和可视化应用，再发 展到当前面向三维的空间分析与可视化研究。这一发展过程中，计算机图形学与可视化 技术，三维空间信息采集技术、网络技术和通信技术等对g i s 的发展起到了重要作用， 人们对g i s 的理解、认识和分类也在不断丰富和完善。尤其近几年，地学领域关于三维 空间信息采集、描述、组织、表达、建模、分析与可视化操作的研究与日俱增，形成了 两大并行发展的支流。其一是以地球表面及其以上自然地理实体、人工建构实体为研究 对象的三维地理信息系统；其二是地球表面及其以下自然地质实体、人工开掘实体为研 究对象的三维地学模拟系统，也就是本文所要研究的对象【1 1 。 1 2 1研究必要性 以往，地质体的相关资料对地下空间的表达一般都是以平面图、剖面图以及表格形 式来提供的。它们所反映的数据是离散的，并且是有局限性的，在三维空间中研究这些 数据时，难以把握其间的拓扑关系；同时，由于地质空间分布的复杂性、模糊性与不确 定性，在仅仅具有钻孔或少量地质离散点信息的地区，技术人员则很难得到直观有效的 2 长安大学硕士学位论文 地质信息。 建立地下三维地质体可视化模型，不但减轻了地质工作者的很多工作内容与工作 量，方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展，而且还能将专业领域复杂的、抽 象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式展现 出来，这将有助于不同领域间方便、正确地进行知识交流，有助于决策者做出正确判断。 1 2 2 研究可行性 随着计算机图形学技术的不断发展，以及三维空间数据处理理论研究的不断深入， 为我们提供了建立真三维地质模型的技术条件。利用计算机图形学及可视化技术将二维 抽象的地质信息以三维可视化的图形效果直观形象地表达出来，建立逼真的空间立体地 质模型，并任意剖切地质体，对地质体进行三维交互信息查询以及直观有效的表达各种 地质现象间的拓扑关系，如底层的接触方式等，从而大大加快专业技术人员对地质现象 的认识，提高了工作效率，充分利用了地质资料的宝贵价值。 参钆 基于以上认识，这就要求我们建立一种权威的、不断更新的、领域性的、具有传承 性的地质结构三维可视化的模型。此模型建立的初期可能是粗糙的，甚至是有错误的， 但是随着专业人员对地质结构认识的不断深化和勘探精度的提高，这种三维地质体模型 会逐渐准确直至完全正确。 1 3 研究内容与技术路线 本文主要研究地质体三维可视化实现的技术基础与相关原理以及三维地质体的建 模方法、体建模流程。 钻孔资料因其直观、准确、详细的特性在三维地质建模中具有至关重要的意义，尤 其是在三维地质结构建模中钻孔是最常见、最重要、最可靠的一类建模数据来源，因此 由钻孔地层描述信息来结构建地质体三维模型的研究具有不可替代的重要意义。 因此，本文提出了基于钻孔数据创建不规则三角网( t i n ) 的建模方法，实现了三 维地质体的生成与可视化显示。通过对钻孔数据进行预处理得到所需要的钻孔信息与数 据形式，采用克里格插值方法与t i n 技术生成三维地层的t i n 面模型，再采用m u l t i p a t c h 方法从而实现三维地层模型的生成。在此基础上使用同样的方法生成了地裂缝、钻孔信 息的三维模型，从而实现了空间地质体进行三维可视化显示。 3 第一章绪论 图1 1 研究技术路线结构图 主要研究内容包括以下几点： ( 1 )三维地层模型的建立 这是地质体三维可视化的基础与关键，以钻孔数据为离散点，运用空间插值方法及 曲面拟合技术得到各地质结构的趋势面，运用m u l t i p a t c h 技术生成复杂的三维地层仿真 模型，并在a r c s c e n e 中进行显示。 ( 2 )三维可视化显示 、 所生成的三维地层模型为半透明的封闭容器，可以在任何角度、任何方位进行观察， 并可进行放大、缩小、漫游等基本操作。 ( 3 ) 三维地质分析 通过使用计算机技术来编程实现剖切功能，即在所生成的三维地层模型上，可根据 需要对其进行任意剖切。 可以在所生成的三维地质模型中虚拟并显示出所需要的钻孔数据，并以三维模型的 方式加以显示。 4 长安大学硕士学位论文 第二章地质体三维可视化原理 2 1 可视化技术与地学可视化 可视化技术是1 9 8 7 年由美国国家基金会第一次提出的。随着科学技术的发展，由 于超级计算机、测绘仪器、人造地球卫星、航天飞机、地震勘探和大型信息系统等所产 生的数据量越来越大，只有将它们转换为图像才便于理解其包含的信息、把握其规律、 甚至发现其他方法不能发现的现象。目前，在数据挖掘、医学及医疗、地震勘探、气象 预报、分子结构、流体力学、有限元分析、天体物理、海洋观察、地理信息、洪水预报、 环境保护等方面，可视化技术都得到广泛应用脚。 2 1 1 数据可视化 数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术， ，0 将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。数 据可视化技术是可视化技术的核心。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、 计算机视觉及人机交互技术等多个领域。“ 数据可视化概念首先来自科学计算可视化。科学家们不仅需要通过图形图像来分析 由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展， 数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和 测量数据的可视化。这种空间数据的可视化也称为体视化( v o l u mv i s u a l i z a t i o n ) 技术。 数据可视化技术的主要特点如下。 交互性：用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据； 多维性：可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一 维的值，将其分类、排序、组合和显示； 可视性：数据可以用图形、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式 和相互关系进行可视化分析。 2 1 2 科学计算可视化 科学计算可视化( s c i e n t i f i cc o m p u t i n gv i s u a l i z a t i o n ) 是计算机图形学一个重要领域， 它的核心是将三维数据转换为图像，它涉及标量、矢量、张量的可视化、流场的可视化、 数值模型以及计算的交互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形及图像处理的向量 5 第二章地质体三维可视化原理 及并行算法等【4 】。 可视化是用图形显示数据库中数据的技术。可视化模型可以是二维的、三维的或者 更高维数的。可视化工具软件已经开始与数据库进行集成，并开始在数据挖掘中应用可 视化技术。 2 1 3 信息可视化 信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 是随着计算机网络的广泛应用而提出来的。 目前，计算机网络上的信息资源越来越多，存储的数据量越来越大，不仅访问的结果需 要用图像来表示，而且可用图像来表示海量数据各部分之间的关系，加快了分析和查找 的过程【5 1 。 信息可视化的研究内容主要包括层次信息结构可视化、多维数据结构可视化、时变 数据结构可视化、网络运行状态可视化、分布环境算法可视化、网络浏览历史可视化等 方面的内容。信息可视化应用主要在计算机性能评价、网络运行状态监测、海量数据存 储结构监控、地理、人口、矿产、市场等领域。此外，随着网络技术和电子商务的发展， 也提出了信息可视化的要求。通过信息可视化技术，可以发现大量金融、通信和商业数 据中隐含的规律，从而为决策提供依据。这已成为数据可视化技术中新的热点。 2 1 4 地学可视化技术 由于计算机图形学技术、可视化技术、虚拟现实技术的发展，地图已经不再是唯一 的通信手段，图像、表格数据、声音、视频等多种手段都可以作为用户和系统之间交互 操作的手段。因此，设计一个友好的、合理的用户界面对于g i s 和v r 的集成是至关重 要的。对于g i s 和v r 技术结合的防水剂，许多学者对此进行了研究，主要集中研究以 下三个方面的问题： 1 、定位和导航t 对于g i s 和v r 集成的系统，用户需要知道自己的位置和方向， 因此设计合理的导航工具有助于用户能够尽快的了解陌生的三维环境； 2 、选取和查询t 在三维场景内提供用户一定的工具，供用户进一步了解感兴趣的 几何对象的属性特征，需要设计一定的查询工具以帮助用户了解和熟悉三维 场景； 3 、操纵和分布：在三维环境下对g i s 中的对象进行操纵、分析、模拟等操作比在 2 dg i s 环境中更加的复杂。如何利用可视化的技术直观、真实地显示查询预 分析结果是系统应该具备的基本功能。其次，g i s 应充分利用可视化技术的 6 长安大学硕士学位论文 优势，把其中作为一种工具为决策支持系统服务，如模拟城市变迁和规划设 计决策等。 地学可视化技术具有十分广泛的应用前景，主要集中在地质、矿山、海洋、水利、 气象、军事、数字城市等领域。其中，城市、地质领域是最需要三维可视化技术的两个 领域。城市是人类活动最集中的场所，可视化已经成为数字城市中必不可少的功能之一， g i s 结合三维可视化技术能够更好地满足用户的需求，如：大楼的建筑结构和住户管理， 空气污染与流动状态监测，地下水源污染监测，地下管线的规划与管理，等等。以城市 规划为例，三维可视化技术可以模拟建筑物的重建、拆迁、道路的扩建、城市或小区的 远景规划、现有的景观分析以及城市污染现象的模拟，从而可以了解到某一建筑物或小 区景观的过去、现在和未来。 地质环境是资源、矿山、环境、岩土、水利等众多科学与工程应用的基础。现有2 d g i s 难以直观地表达复杂的地质构造现象，因此对复杂的地质构造形态( 如地层界面、 不整合面、断层等不规则的面状构造) 需要进行三维建模，利用可视化技术可以直观地 显示演示内部结构( 如层理、纹理、方向、孔隙度、空隙连通方向等微细的内部构造) 以及岩体内物质的分布状况。尤其在对复杂的三维形体进行空间分析和形态改变后，利 i j 、 用三维可视化技术可以更加直观地显示分析后的结果。 2 2 虚拟现实技术 黔j 2 3 1 虚拟现实技术的定义 虚拟现实技术是2 0 世界9 0 年代兴起的一种新型信息技术。作为人与计算机生成的 虚拟环境进行交互作用的一种手段，虚拟显示技术被认为是仅次于因特网的改变世界未 来的重要技术，它不但将改变人类从事科学研究、技术的生产实践的方式，更为促进入 的认识能力的全面发展提供了新的工具。 “虚拟现实 的概念是1 9 8 6 年6 月由a u t o d e s k 和v p l 公司创造的。简单说虚拟现 实就是表示实际上不存在，但其对人的感觉和影响是确实存在的一些实践和实体。虚拟 显示由7 个要素构成：模拟( s i m u l a t i o n ) 、互动( i n t e r a c t i o n ) 、人造性( a r t i f i c i a l i t y ) 、 身临其境( i m m e r s i o n ) 、远程展示( t e l e p r e s e n c e ) 、身体完全沉浸( f u l lb o d yi m m e r s i o n ) 、 网络化的沟通( n e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n s ) 。 虚拟现实技术将“虚拟”和“现实”两个截然不同的传统哲学概念融合在一起，必 将对人类的认识产生深渊影响。因此v r 不仅是一门新兴的i t 技术，而且包含丰富的 7 第二章地质体三维可视化原理 哲学和文化内涵。 2 3 2 虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术是集计算机及因特网、图像、文字、音响、仿真、传感、显示和信息 处理等技术于一体，对现实进行数字化处理的一种综合技术。人在这个数字化的世界中， 通过各种感觉和思维来感知虚拟世界，接受人类的文化知识和学会多种技能。 虚拟现实是对真实现实的虚拟，它虽然可以超越现实，远离现实，但虚拟现实的功 效最终要为真实的现实服务。真实现实世界和人是最终的和最根本的主客关系，而虚拟 现实只是人和现实世界之间的中介系统，它是为了解决人和现实世界之间的矛盾而发明 创造出来的，因此最终要用它来解决人和现实世界之间的矛盾。 2 3 3 虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地 步，举例如下： ( 1 ) 飞机、船舶、车辆现实驾驶的训练； ( 2 )虚拟现实建筑物的展示与参观； ( 3 ) 虚拟现实游戏； ( 4 )虚拟科学研究和产品设计。 虚拟现实技术和创造性内涵不仅体现在会引起工作方式的变革上，同时也带来了工 作和管理模式的转变。虚拟现实技术和其他许多先进技术的出现，已经在推动着生产管 理模式的变化。现在几乎在现实世界中存在的东西都可以在虚拟世界中制造出来，例如 虚拟社团、虚拟会场、虚拟商场、虚拟企业、虚拟课堂、虚拟政治、虚拟经济甚至虚拟 国家等等不胜枚举。这也体现了虚拟现实技术无限的应用和发展空间。 2 3 三维建模平台 2 4 1n e t 平台介绍 v i s u a ls t u d i o n e t 是一套功能完善的开发工具，可用来生成多种类型的应用程序， 例如w e b 应用程序、移动应用程序、桌面应用程序等。v i s u a ls t u d i o n e t 工具将v b 、 v c + + 、c 拌和肼等开发语言全部都集成在同一开发环境下，该环境允许它们共享工具， 并且有助于创建包含各种开发语言的解决方案。另外，这些开发语言利用了n e t f r a m e w o r k 的功能，n e tf r a m e w o r k 框架提供了对简化的w e b 应用程序和x m lw e b 8 长安大学硕士学位论文 s e r v i c e s 开发的关键技术的访问【6 1 。 n e tf r a m e w o r k 介绍 n e tf r a m e w o r k 主要是用于生成、部署和运行x m lw e bs e r v i c e s 和各种应用程序 的多语言环境。它主要由三个部分组成： ( 1 ) 公共语言运行库 运行库实际上在组件的运行和开发操作中都起到很大的作用，尽管名称中没有体现 这个意思。在组件运行时，运行库除了负责满足此组件在其他组件上可能具有的依赖性 外，还负责管理内存分配、启动和停止线程和进程，以及强制执行安全策略。在开发时， 运行库的作用稍有变化，由于做了大量的自动处理工作( 如内存管理) ，运行库使开发 人员的操作非常简单，尤其是与今天的c o m 相比。反射等功能显著减少了开发人员将 业务逻辑转变为可重用组件而必须编写的代码量。 ( 2 ) 统一编程类， 该框架为开发人员提供了统一的、面向对象的、分层的和可扩展的类库集( a p i ) 。目 前，c + + 开发人员使用m i c r o s o f t 基础类，而j a v a 开发人员使用w i n d o w s 基础类。框架 统一了这些完全不同的模型并且为v i s u a lb a s i c 和j s c r i p t 程序员同样提供了对类库的访 问。通过创建跨所有编程语言的公共a p i 集，公共语言运行库使得跨语言继承、错误处 理和调试成为可能。从j s c f i p 到c + + 的所有编程语言具有对框架的相似访问，开发人员 可以自由选择它们要使用的语言。 磬+ ( 3 ) a s p n e t a s e n e t 建立在n e tf r a m e w o r k 的编程类之上，它提供了一个w e b 应用程序模型， 并且包含使生成a s pw e b 应用程序变得简单的控件集和结构。a s p n e t 包含封装公共 h t m l 用户界面元素( 如文本框和下拉菜单) 的控件集。这些控件在w e b 服务器上运 行，并以h t m l 的形式将它们的用户界面推送到浏览器。在服务器上，这些控件公开 一个面向对象的编程模型，为w e b 开发人员提供了面向对象的编程的丰富性。a s p n e t 还提供结构服务( 如会话状态管理和进程回收) ，进一步减少了开发人员必须编写的代 码量并提高了应用程序的可靠性。另外，a s e n e t 使用这些同样的概念使开发人员能够 以服务的形式交付软件。使用x m lw e bs e r v i c e s 功能，a s e n e t 开发人员可以编写自 己的业务逻辑并使用a s e n e t 结构通过s o a p 交付该服务。 n e t 开发者工具 n e t 开发者工具，包括：v i s u a ls t u d i o n e ti n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t g 第二章地质体三维可视化原理 ( i d e ) ( v i s u a ls t u d i o n e t 集成开发环境) ，用来开发和测试应用程序；n e t 编程语言 ( 例如v i s u a lb a s i c n e t 和新的v i s u a lc 撑) ，用来创建运行在c l r 下并且使用类库的应 用程序。 a s p n e t ，一个取代以前的a c t i v es e r v e rp a g e s ( a s p ) 的特殊类库，用来创建动 态的w e b 内容和w e b 服务器应用程序，这些都将采用诸如h t m l 、x m l 和s i m p l e o b j e c t 。 a c c e s sp r o t o c o l ( s o a p ) ( 简单对象访问协议) 等i n t e r a c t 协议和数据格式。 圜曰曰田口 图2 1n e tf r a m e w o r k 架构图 2 4 2 a r c g i se n g i n e 平台介绍 ( 1 ) a r c g i s 体系结构 a r c g i s 是美国e s r i 公司( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u t e ，i n c 美国环境系 统研究所公司) 推出的为满足不同需求层次用户的需要而提出的一条全面的g i s 产品线 解决方案。它是一个可伸缩的g i s 平台，可以运行在桌面端、服务器端和移动设备_ i z t n 。 它还包含了一套建设完整的应用软件，这些软件可以相互独立或集成配合使用，为不同 需求的用户提供完整的解决方案。 a r c g i s 主要产品： - a r c g i sd e s k t o p - - - 是一个集成了众多高级g i s 应用工具的软件套件，它包含了 一套带有用户组件的桌面应用程序( 例如，a r c m a p 、a r c c a t a l o g 、a r c t o o l b o x 、 m o d u l b u i l d e r 、a r c s c e n e 以及a r c g l o b e ) 。 a r c g i se n g i n e 一为开发嵌入式g i s 和独立运行的g i s 桌面端应用程序而推出的 长安大学硕士学位论文 二次开发组件库，是提供g i s 二次开发的主要产品。 服务器端g i 啡企业和w e b 计算框架中，用来构建服务器端g i s 应用的g i s 软件对象共享库。 一移动g i s - - a r c p a d 和a r c g i sm o b i l e ，运行在p d a 等移动设备上的g i s 软件。 桌面g i s嵌入式g i s服务器g i s移动g i s a r c g i s a r c 玎垤s d e s k t o p 彝 团l a r c l n f o ii a r c e d i t o r a r e 7 j e w d e s k t o ps c r v e f c u s t o m m m o n d e v e l o p e rk i t d e v e l o p e rk i t 豳豳圈 国锄国国国翁锄国穗除蕊 蜀目日琏目h 日g 黼 s e r v i c e s 瀚鞠圈圈旷麓 图2 2a r e g i s 整体架构 ( 2 ) a r c e n g i n e 介绍 a r c e n g i n e 被定位为一个嵌入式的产品，它并非面向最终用户，而是一个面向开发 者的产品。对于繁冗的g i s 开发工作而言，理想的解决方案是一个基于组件的实用的开 发框架，且该框架允许解决方案提供商或机构内部开发人员快速构建行业专用g i s 应用 软件。一个g i s 开发框架应提供应用软件所需的必要的空间分析功能，并允许软件开发 人员集中精力构建软件的特定逻辑【酊。a r c e n g i n e 就是这样一个g i s 框架，它是为响应 e s r i 用户的请求而创建的，可以把丰富的a r c g i s 技术按产品进行分类，并将其空间分 析功能嵌入新的或已有应用软件中。a r c e n g i n e 既可以将g i s 功能嵌入到已有的应用软 件中，如自定义行业专用产品；或嵌入到商业生产应用软件中，如m i c r o s o f tw o r d 和 e x c e l ；还可以创建集中式独立应用软件，并将其发送给机构内的多个用户。 不仅对于开发者，对于用户，e n g i n e 同样是一个轻量级的产品。使用d e s k t o p 开发 的产品如果交付给用户使用，用户需要购买一套桌面软件，价钱昂贵。而对于e n g i n e l l 第二章地质体三维可视化原理 开发的产品，用户只需要一个r u n t i m e 即可 9 1 。 ( 3 ) a r c e n g i n e 结构 a r c e n g i n e 是建立在a r c o b j e e t 之上的，a r c o b j e c t s 是整个a r c g i s 软件的核心功能 库，它是由平台独立的c o m 对象组成。a r c e n g i n e 在核心a r c o b j e c t s 组件上又做了一 次封装，开发人员可以用来构建自定义g i s 和制图应用程序f 1 0 1 。这些对象是平台独立的， 可以从不同的平台来访问。开发人员可以扩展对象库，并且完全控制应用软件用户界面 的外形和感觉。 a r c e n g i n e 由两个产品组成：构建软件所用的开发工具包以及使已完成的应用程序 能够运行的可再发布的r u n t i m e ( 运行时环境) 。a r c e n g i n e 开发工具包是一个基于组件 的软件开发产品，可用于构建自定义g i s 和制图应用软件。它并不是一个终端用户产品， 而是软件开发人员的工具包，适于为w i n d o w s 、u n i x 或l i n u x 用户构建基础制图和综 合动态g i s 应用软件。a r c e n g i n er u n t i m e 是一个使终端用户软件能够运行的核心 a r c o b j e c t s 组件产品，并且将被安装在每一台运行a r c e n g i n e 应用程序的计算机上。 2 4 3 a r c s c e n e 介绍 a r c s e e n e 介绍 a r c g i sd e s k t o p 中，可用于三维场景展示的程序为a r c g l o b e 和a r c s c e n e ，由于两 者的差别，在三维场景展示中适用的情况有所不同。a r c s c e n e 是一个适合于展示三维透 视场景的平台，可以在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互。a r c s c e n e 是 基于o p e n g l 的，支持t i n 数据显示。显示场景时，a r c s c e n e 会将所有数据加载到场 景中，矢量数据以矢量形式显示，栅格数据默认会降低分辨率来显示以提高效率。 a r c s c e n e 主要用于三维场景的显示、漫游，能更有效地处理3 dg i s 数据，进行3 d 分析，编辑3 d 数据，利用3 d 视野( v i e w i n g ) 属性创建图层。可以利用现有的2 d 数据 生成3 d 数据( 另外一种方法是在a r c m a p d p 基于表面数据的高程矢量化要素和图形) 。 a r c s c e n e 能够实现的功能 1 、浏览多个图层的3 d 数据 2 、基于2 d 表面数据生成3 d 可视化数据 可以基于表面( t i n 、r a s t e rd e m ) 来将栅格图像或矢量数据生成3 d 数据，或是从 一个表面来e x t r u d e ( e x t r u d e 是拉伸的意思) 矢量要素生成线、墙和立体物体。 生成3 d 表面数据 长安大学硕士学位论文 t i n 的生成有多种方法，一是通过矢量数据( f e a t u r e c l a s s ) 生成t i n ，而是通过r a s t e r d e m 转换生成。前者在a r c g i s 中也有两种方法：一是通过调用3 da n a l y s t 中的c r e a t et i n f r o mf e a t u r e s 以及a d df e a t u r e st ot i n 生成，二是通过a r c t o o l b o x 中的命令生成：先用 3 d a n a l y s t t i ns u r f a c e s c r e a t et i n 生成一个空的t i n ，再用3 d a n a l y s t t i n s u r f a c e s e d i tt i n 对已有的t i n ( 或是新生成的t i n ) 进行编辑、修改。 通过3 da n a l y s t 扩展模块生成t i n 时进行s p a t i a lr e f e r e n c e 等相关属性的设置是根据 3 da n a l y s t o p t i o n g e n e r a l e x t e n t c e l l s i z e 的设置。 a n 1 y s i = t a s k ：| 镥o n e 。 o o - _ “_ _ _ _ o _ _ “_ _ “- _ _ _ _ _ _ - - o 一 尉 k n t l y s i ：c o o r d i n a t es y s t 椭一一 霈j m l l y s iso u t p u t 膏i nb ts a v e di nt h es 蛐e c o o r d i n a t es y s t e m 帖t h ei n p u t ( o rf i r s t r a s t e ri n p u tift h e r ei 口e em t l t i p l e ra n t l y s i = o u t p u tw i l l b es a v e di nt h es m e c o o r d i n a t s y s t e m “t h ea c t i v ed a t a 2 4 插值方法概述 图2 33 d a n a l y s t 的o p t i o n s 窗口 具有空间连续特征的地理要素，其值的表示可以借鉴三维坐标系统x 、y 、z 中的z 值来表示，一般通称为z 值。在一定范围内的连续z 值构成了连续的表面。由于表面实际 上包含了无数个点，在应用中不可能对所有点进行度量并记录。表面模型通过对区域内 不同位置的点进行采样，并对采样点插值生成表面，以实现对真实表面的近似模拟。 插值是利用有限数目的样本点来估计未知样本点的值，这种估值可用于高程、降雨 量、化学污染程度、噪声等级、湖泊水质等级等连续表面。插值的前提是空间地物具有 一定的空间相似性，距离较近的地物，其值更为接近，如气温、水质等。实际中，通常 不可能对研究区内的每个点的属性值都进行测量。一般选择一些离散的样本点进行测 量，通过插值得出未采样点的值。采样点可以是随机选取、分层选取或规则选取，但必 一 = 一 一 兰 i = 蟾 一 兰塑 一 夥l | 淤一 罗 一 第二章地质体三维可视化原理 须保证这些点代表了区域的总体特征。例如某一地区的气象观测站，一般都是在该地区 内具有一定控制意义的观测点，由它们采集所得到的温度、气压、大气污染指数等数据 是在空间上离散的点，同时代表了该地区内这种指标的总体特征，因此可以插值生成连 续且规则的栅格面。点插值的一个典型的例子是利用一组采样点来生成高程面，每个采 样点高程值由某种测量手段得到，区域内其它点的高程通过插值得出 由点数据插值生成栅格面的方法有很多，常用的有反距离权重、克里格、自然邻体 法( 邻域法) 、样条函数法。每种方法进行预测估值时都有一定的前提假设，根据所要 建模的现象及采样点的分布，每种方法有其适用的前提条件。但是，不论采用哪种方法， 通常采样点数目越多，分布地越均匀，插值效果就会越好。 表2 1 点的内插算法 整体内插法局部内插法 移动内插法 逐点内插法移动平均法 v o r o n o i 图法 趋势面法 克里格法 最小二乘法 样条函数法 傅里叶级数法 双样条函数法 最小二乘样条函数法 分块内插法 多面函数法 距离加权最b - - 乘法 线性内插法 双线性多项式内插法 有限元法 2 5 地质体三维建模方法 经分析了三维空间建模方面的国内外大量研究文献的基础上发现，目前主要有四种 类型的建模方法：即基于体的建模方法、基于面的建模方法、混合建模方法以及泛权建 模方法。 表2 23 d 建模方法分类 体模型 面模型 混合模型 规则体元不规则体元 结构实体几何( c s g )实体( s o l i d )不规则三角网( t i n ) t i n - c d g 混合 1 4 长安大学硕士学位论文 体素( v o x e l )四面体( t e n )网格( g r i d )t i n - - - o c t r e e 混合 w i r e f r a m e b l o c k