（环境科学专业论文）土壤污染评价三维可视化系统开发研究.pdf

s t u d yo nt h ed e v e l o p m e n to f3 dv i s u a l i z a t i o ns y s t e mf o r s o i ip o l l u t i o na s s e s s m e n t a b s t r a c t s o i li st h eo n eo ft h em o s tf u n d a m e n t a l a n d s i g n i f i c a n tn a t u r a lr e s o u r c e sf o r h u m a nb e i n g i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r y s o i lp o l l u t i o n b e c a m em o r ea n dm o r eg r a v e ，a n da c c o r d i n g l yi m p a c t e dl i v i n ge n v i r o n m e n t a n d s o c i e t yd e v e l o p m e n t t ot h es e v e r e r p r o b l e mo fs o i lp o l l u t i o n ，t r a d i t i o n a lm e t h o d sc a nh a r d l y r e f l e c ts o i lp o l l u t i o ne f f e c t i v e l y t h u s ，w ed e v e l o p e da3 dv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r e u s i n g3 dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h eg e o s t a t i s t i c sm e t h o d sa n ds o i l p o l l u t i o na s s e s s m e n tm o d e l si nt h i sp a p e r b a s e do nc a n dc + + i nt h ev i s u a l s t u d i o2 0 0 8p l a t f o r m ，3 dv i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ( v t k ) a n dg e o s t a t i s t i c a ls o f t w a r e l i b r a r y ( g s l i b ) a r ei m p o r t e dt od e v e l o pt h es o f t w a r e i tc a nc h a r a c t e r i z e s c o m p l e t e l ya n da c c u r a t e l yt h es o i ls p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dp o l l u t i o no fc o n c e r n e d a r e a t h es t u d yp r o v i d e st h es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rt h es o i lp o l l u t i o nr e s e a r c h e s f u r t h e r m o r e ，i th a sb o t ht h e o r a t i c a la n dp r a c t i c a lw o r t hf o rp r o m o t i n gs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，e n v i r o n m e n t ，e c o n o m ya n dr e s o u r c e s t h et h e s i si n v e s t i g a t e ss o m ep r i n c i p l e sa n d a l g o r i t h m so f 3d v i s u a l i z a t i o n ， a n ds u b s e q u e n t l yu s e si tf o rv i s u a l i z i n gt h es o i ls p a t i a ld i s t r i b u t i o na n d p o l l u t i o n ， i n c l u d i n gs a m p l e sp l o t t i n g ，s o i lb o d yd i s p l a y i n g ，a n ds e l e c t e dh o r i z o n t a la n d v e r t i c a ls u r f a c ep r o t r a c t i n g m o r e o v e r ，k r i g i n g ，ac l a s s i c i n t e r p o l a t i o nf o rs o i l s p a t i a ls t u d y ，i ss e l e c tf o rt h ee s t i m a t i o n s f i v es o i lp o l l u t i o na s s e s s m e n tr o o d e l s w e r e b u i l d e d ，i e s i n g l e - f a c t o r ，b a c k g r o u n d ，i n d e xo fg e o a c c u m u l a t i o n 。p o t e n t i a l e c o l o g i c a lr i s ki n d e xa n de n r i c h m e n tf a c t o rm o d e l f i n a l l y ，t h es o f t w a r ed e v e l o p e di su s e dt or e s e a r c ht h es o i lp o l l u t i o n a s s e s s m e n ti nd a x i n ga r e a ，h e f e ia sac a s es t u d y k e yw o r d s - 3 dv i s u a l i z a t i o n ，s o i lp o l l u t i o na s s e s s m e n t ，k r i g i n gi n t e r p o l a t i o n ， h e f e i i l 插图清单 图1 1 系统模块结构图2 图3 1 结构化网格的不同类型13 图3 2 组成非结构化网格体数据的基本单元13 图3 3 非结构化网格体数据和混合型网格体数据1 4 图3 - 4 体视化的主要流程1 4 图3 5 体元角点函数值分布的不同情况1 6 图3 - 6 光线投影法的绘制流程18 图3 7 光线投影法中重采样的示意图19 图3 8 图象合成算法示意图2 0 图4 1 变异函数曲线图2 8 图4 2 变异函数理论模型3 0 图5 1 系统构架图3 3 图5 2 v t k 层次框架3 4 图5 3v t k 图形模型3 5 图5 _ 4 k 可视化模型3 6 图5 5v t k 对象结构图。3 7 图5 - 6 系统界面3 8 图5 7 读取e x e c l 表格界面及转换后的数据文件3 8 图5 8 点数据生成界面及转换后的数据文件3 9 图5 - 9 显示采样点图4 0 图5 1 0 直方图及累积频率图分析4 0 图5 1 1 变异函数计算界面4 0 图5 1 2 变异函数拟合界面及拟合图4 1 图5 1 3 克里格插值界面4 1 图5 1 4 体数据生成界面及转换后的数据文件4 2 图5 1 5 体视化图4 2 图5 1 6 显示剖面图4 3 图6 1 大兴企业分布图4 4 图6 2 研究区及采样点分布图：4 5 图6 3c u 的体视化图、剖面图及各个评价图4 6 图6 4p b 的体视化图、剖面图及各个评价图4 7 图6 5z n 的体视化图、剖面图及各个评价图4 8 图6 - 6c d 的体视化图、剖面图及各个评价图4 9 图6 7 a s 的体视化图、剖面图及各个评价图5 0 图6 8h g 的体视化图、剖面图及各个评价图5l v i 表格清单 表2 1 单因子与土壤污染程度之间的关系5 表2 2 地质累积指数与土壤污染程度之间的关系6 表2 3 潜在生态危害指数与土壤污染程度之间的关系7 表2 - 4 富集因子与土壤污染程度之间的关系8 v 独创性声明 本人卢明所早交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标忠和敛谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金日墨! ：些厶堂或其他教育机构的学位或证i5 而使 用过的材料。与我一同l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金h 巴：些厶堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部| j 或机构送交论文的复印什利磁盘，允许论文被布阅或借阅。本人 授权 金目巴：些厶：堂 可以将学何论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采刚影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适川本授权f 5 ) 学位论文者签名： 鸟曲屯 签字日期： o 年妒月佣 。学位论文f 1 ：者毕业后玄向： l ：作单何： 通讯地址： 导师虢氛以辱导师签名：氟以辱 签字日删： 驴c 7 年午月午日 f ff 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师袁峰教授的悉心指导下完成的。论文从选题、撰写到修改， 每一步都凝结着导师的心血和汗水。导师渊博的知识、开阔的思路、严谨的治 学态度和务实的工作作风，给我留下了深刻的印象，将使我受益终生。值此论 文完成之际，谨向我的导师致以深深的敬意和衷心的感谢。 衷心感谢周涛发教授、李湘凌老师和张鑫老师在学习上的指导和生活上的 关心。 感谢邢怀学师兄、张颖慧师姐和4 3 5 研究室所有成员近三年来在学习及生 活上的帮助。 同时要感谢我的家人和所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友和 亲人。 最后向参加本论文评阅、答辩的全体专家致以最诚挚的谢意。 i i i 第一章绪论 随着社会的发展和人口的增多，环境问题日益严峻。由于目前存在的土壤 侵蚀严重、有机质降低、土壤肥力和生产力降低、土壤化学和重金属污染、以 及由此导致的大气和水体质量降低等问题，引起了人们对土壤质量评价的研究 兴趣。使得作为地球陆地牛态系统重要组成部分的土壤受到越来越多的关注， 人们开始认识到土壤质量在持续生产、人类健康及环境质量中占有愈来愈重要 的地位，必须像关心水质量、大气质量一样关心土壤质量。只有对土壤质量进 行准确评价，才能客观了解不同土壤管理措施对土壤的影响，并及时的调整土 地管理措施，为土地的可持续发展提供理论依据【l 】。 我国土壤污染总体形势相当严重，并且对水环境质量和农产品质量构成明 显的威胁。全国至少有13 0 0 16 0 0 万h m 2 耕地受到农药污染，约占全国耕地的 10 以上，污水灌溉污染耕地2 l6 7 万h m 2 ，固体废弃物堆存占地和毁田1 3 3 万 h m 2 ，每年因重金属污染的粮食达1 2 0 0 万t ，每年造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元人民币。我国农业土壤污染主要表现在肥料元素积累、多种重金属污染严 重、农药和有机污染物残留量高等方面【2 】。 近年来，土壤污染问题在国际上越来越受关注，并成为土壤学、农学及环 境科学界共同关注的热点。美国、加拿大、西欧和俄罗斯等国家纷纷以环境污 染和健康为主题，试图通过对士壤污染状况的研究，探讨污染物的迁移、吸收 和释放机制，揭示其与人体健康的内在联系，从而制定环境监控与治理的优化 方案。 1 1 立题背景 综上所述，土壤污染所引起的一系列环境问题已普遍存在，并日趋严重。 因此，改变传统土壤评价、利用的形式。加强土壤污染研究，对土壤展开全面 而详细调查，对土壤资源进行科学合理地评价、利用将对我国社会经济发展的 各个方面部产生极其深远的影响。 土壤本身是一个形态和过程都相当复杂的自然综合体，成土过程中受气 候、生物、母质、地形、成土时间等成土因素的影响，使得土壤性质具有高度 的空间异质性( s p a t i a lh e t e r o g e n e i t y ) ，近代以来人类活动的加剧进一步增强了 土壤特性的变异型和不确定性。土壤空间变异包括土壤性质随平面分布的变异 和随垂直剖面的变异两个方面。 对土壤的空间分布和污染状况进行描述时，首先对研究区域进行离散采 样，每个采样点上的采样值都可以是一种或多种，代表该点上的一个或多个物 理属性值。是土壤中某一位置( x 、y 、z ) 的元素值，然后通过数据形式以及二维 平面和剖面来显示和解释土壤数据。只对剖面和表面图进行解释，所显示出来 的信息是片面的、孤立的。土壤体的完整形态分散在各个独立的二维图象中， 无法直接看到土壤的三维形态。显然这种用二维方法表现三维环境现象的解决 方案有很大的缺陷。目前，越来越多的国外学者使用地统计方法结合g i s 来描 述土壤元素的空间分布及相关元素污染评价研究，这些软件价格十分昂贵，而 且在可视化方面主要还是基于2 维或2 5 维，不具备真三维可视化的功能。 因此，通过三维可视化技术以图形图象方式再现土壤实体，从而改善土壤 信息质量，深入研究和分析土壤内在规律，提高土壤污染决策水平和科学性。 1 2 主要内容 论文研究的主要目的是利用三维可视化技术来反映土壤的空间分布及污 染状况，建立一套完整的体视化技术在土壤污染评价研究方面的应用技术方案， 为今后体视化技术在土壤领域其它方面的应用奠定基础。主要研究内容为： 1 对三维可视化的理论与方法进行系统的归纳与总结，在此基础上，研究 适合于土壤体视化的理论、技术与实现方法； 2 应用地质统计学的理论，针对土壤数据的特点，比较两种常用的三维离 散数据插值算法，选用最适合土壤属性估值的k r i g i n g 算法，对稀疏、离散的采 样数据插值，构造三维规则网格体数据； 3 应用土壤污染评价的基本理论，建立土壤污染评价模型，集成了土壤污 染评价中常用的方法； 4 。研究并设计开发一个完整的土壤污染评价三维可视化系统。并以合肥为 背景，实现合肥地区土壤数据的采样点显示、三维体视化显示、任意剖面显示， 满足土壤污染评价工作者的实际工作需求。 1 3 系统模块结构图 图1 1 系统模块结构图 2 第二章土壤污染评价的基本理论与方法 2 1 土壤污染评价研究进展 土壤质量是土壤在生态系统范围内维持作物生产能力，保持环境质量及促 进动植物健康的能力【3 】。近几十年来，国内外科学家针对土壤质量问题开展了 许多相关的课题研究，其中土壤质量的定量化评价是土壤质量研究的重要内容， 但是，迄今为止，有关土壤质量的许多理论问题及过程机理尚不清楚，还没有 形成统一的土壤质量指标和定量化的评价方法1 4 j 。 土壤质量是土壤的许多物理、化学和生物学性质，以及形成这些性质的一 些重要过程的综合体现，土壤质量指标则是土壤属性的外在量度。作为一个复 杂的功能实体，土壤质量不能够直接测定，但可以通过土壤质量指标来推测p j 。 所以评价土壤质量必须借助一定的评价指标体系。 1 9 9 4 年h a r r i s 和b e z d i c e k 建立了土壤质量指标体系，将土壤质量指标分成描 述性指标和分析性指标，分析性指标又进一步分为物理指标、化学指标和生物 指标 6 1 。鉴于土壤质量评价可选择的指标太多，l a r s o n 和p i e r c e 【7 】提出了采用 最小数据集m d s ( m i n i m u md a t as e t ) 评价土壤质量。m d s 中的土壤质量指标包 括有机碳、速效养分、p h 、电导率、质地、根系深度、容重、水分传导率和有 效持水量，并提出使用土壤转换函数( p t e ) 来估计评价中难以测定的土壤性质， m d s 得到广泛的采用。 土壤质量评价工作非常复杂。在评价空气质量和水质量时，仅仅依靠分析 其中的特定污染物富集的浓度及其在特定的环境过程中对空气、水的负面影响 即可达到评价目的i s 】，而土壤质量评价由于土壤类型的不同，各类型土壤组分 的不同，土地利用方式的不同及土壤的不同用途，难于简单地依靠分析几个指 标而评定质量优劣，因而没有确定的标准和固定的评价方法p j 。 土壤质量卡是最早的土壤质量评价方法【l0 1 ，以观察为主且不需要实验分 析。而后a r s ( a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e r v i c e ) 开发研制能够直接在田间获取0 7 6 c m 土层半定量指标数据的土壤质量试验箱，并在美国加以改善和推广应用 【3 1 。这两种定性评价方法所得结果都比较粗略。随着地统计学、g i s 技术、模糊 数学、计量经济学等在土壤质量评价的应用，土壤质量评价方法已成多样化发 展，可以根据评价对象、功能以及评价范围选择相适宜的评价方法。 国内外提出的土壤质量评价方法主要有以下几种： 1 多变量指标克立格法( m v i t ) 考虑土壤系统的变量都是随机分布的，s m i t h ( 1 9 9 3 ) 1 1l j 提出将无数量限制 的单个土壤质量指标综合成一个总体的土壤质量指数，即通过多变量指标转换 ( m u l t i p l ev a r i a b l ei n d i c a t o rtr a n s f o r m ) 将测定值转换为土壤质量指数。各个指标 的标准代表土壤质量的最优的范围或阈值。阀值的确定可以运用非参数型地统 计学方法【12 1 。该方法可以把管理措施、 评价范围不再局限在一个地块的评价， 2 土壤质量动力学法 经济和环境限制因子引入分析过程，其 将空间尺度扩大【1 3 1 。 考虑土壤质量是一个动态变化的过程，其土壤属性都是随着时间和空间的 变化而变化，易受人类行为、管理措施以及农业实践的影响。l a r s o n ( 19 9 4 ) 4 j 提出上壤质量的动力学方法，根据最小数据集选取指标，构建动力学模型反映 这种变化。该方法适用于描述土壤系统的动态性，特别适合于土壤可持续管理。 3 土壤质量综合评分法 d o r a n 和p a r k i n 将土壤质量评价细化为食物与纤维的生产量、侵蚀量、地 下水质量、地表水质量、大气质量和食物质量6 个特定的土壤质量元素的评价， 确定权重，进行简单的乘法计算【1 5 】，得出上壤质量的大小，每个元素的权重由 地理、社会和经济因素所决定。该方法简单易行，但是在各个因素权重的确定 上存在一定主观性。 4 土壤相对质量法 该方法是在p i e r c e 等人提出的生产力指数模型( pi 模型) 基础上发展起来 【1 6 】。假设研究区有一种理想土壤，以其土壤的质量指数为标准，将其他土壤的 质量指数与之相比，得出土壤的相对质量指数( r e l a t i v es o i lq u a l i t y i n d e x ，r s q i ) 。 从而定量地表示所评价土壤的质量与理想土壤质量之间的差距【l7 | 。该方法方 便、合理，可以根据研究区域的不同土壤选定不同的理想土壤，针对性强，评 价结果较符合实际。 5 g i s 技术和数学模型的结合是土壤质量评价发展的必然趋势 g i s 具有强大的空间分析和数据管理功能，并可以在空间数据库的基础上 建立针对各类问题的应用模型，对空间信息和属性数据进行有效的加工处理、 科学分析和决策管理【l 引。 在地理信息系统支持下，国内不少学者将灰色关联度法、模糊数学、多元 统计分析、层次分析模型、地统计学方法、系统评价模型、f u z z y 聚类分析方 法等方法应用到土壤质量综合评价中： 张建辉( 1 9 9 2 ) 3 0 用专家评价法确定权重，对川江流域土壤质量进行了模糊综合 评判；胡月明等( 2 0 0 1 ) 探讨了基于g i s 与灰关联综合评价模型的土壤质量评价； 潘峰等( 2 0 0 2 ) 3 0 用层次分析法的物元模型评价松花江地区土壤质量；李月芬等 ( 2 0 0 3 ) 对吉林草原土壤进行灰色关联分析，利用关联度排序确定土壤质量；付 强等( 2 0 0 2 ) 将高维降维技术投影寻踪评价模型( p p e ) 应用到土壤学科领域；曾 国熙等( 2 0 0 4 ) 将密切值法应用于土壤质量排序中，并提出了按密切值大小的突 变进行分类的新方法；齐伟等( 2 0 0 3 ) 探讨了土壤质量时空变化一体化的评价方 法；刘德春等( 2 0 0 4 ) 根据随机过程原理，构建了新的转移矩阵，建立了一个马 4 尔柯夫链综合土壤质量评价模型，通过实例证明了模型的可靠性。 土壤质量评价研究发展到现在评价方法已经多样化，但是从指标选择到方 法选定上仍然存在问题。因此土壤质量评价在以后的研究中要侧重于指标体系 和方法的完善上，不能局限于土壤内部，将社会、经济、生态各个方面有机结 合在一起，使得评价结果更加科学1 ”。 2 2 土壤污染评价方法 2 2 1 单因子评价法 单因子评价是指分别计算各项污染物的污染指数，这是国内通用的一种土 壤污染评价的方法，是国内评价土壤、水、大气和河流沉积物重金属污染的常 用方法【1 8 】。计算公式如下： p t = c i s t ( 2 1 ( 2 1 ) 式中，阢为土壤中污染物i 的污染指数； c 为土壤中污染物i 的实测浓度，m g k g ； s ，为土壤中污染物i 的评价标准，m g k g 。 表2 1 单因子与土壤污染程度之间的关系 单因子指数法可以判断出环境中的主要污染因子，但环境是一个复杂的体 系，环境污染往往是由多个污染因子复合污染导致的，因此这种方法仅适用于 单一因子污染特定区域的评价。单因子指数法是其他环境质量指数、环境质 量分级和综合评价的基础。 2 2 2 背景值评价法 不同地区土壤元素的背景值不相同，根据所评价土壤元素所在地区的背景 值，把土壤分为清洁和污染两个级别19 1 。 2 。2 3 地质累积指数法 地质累积指数【2 0 1 ( g e o a c c u m u l a t i o ni n d e x ) 通常称为m1 1l l e r 指数，是2 0 世 纪六十年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其它物质中重金属污 染程度的定量指标2 1 1 ，其表达式为： i，1 o 卅o g z l 赢 2 ( 2 2 ) 式中：e 为土壤中元素i 的实测浓度； b e , 为土壤中元素i 的地球化学背景值； 1 5 为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。 地质累积指数可分为几个级别，! z 1f o r s t n e r 等( 1 9 9 0 ) 分为7 个级别【2 2 】： 表2 - 2 地质累积指数与十壤污染程度之间的关系 ! 壁!坌望耍銎堡壁 i g 。 o 1无污染 0 三i g 。 1 2 无污染到中度污染 中度污染 2 三i g 。 3 4 中度污染到强污染 3 三i g 。 4 5强污染 4 三i g 。 1 ，说明该元素相对富集受到人为活动的影响； e f 1 ，则该元素来源于地壳风化，由此可评价3 。 8 第三章体视化基本理论与方法 3 1 体视化研究进展 体视化【3 2 】( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) 技术已经有二十多年的发展历史了。在 这二十多年中，它从概念、原理、方法到硬件系统等方面得到了全面发展，逐 步形成套完整的体系并作为一门独立学科出现。它的出现和发展丰富了可视 化的理论和方法，同时也开辟了更加广阔的应用领域。 体视化研究【3 3 】最早源于2 0 世纪7 0 年代中期到7 0 年代末，当时计算机层 析扫描技术( c t ) 、核磁共振技术( m r i ) 有着广泛的应用，但是图像局限于 是二维，医学上迫切需要一种有效的工具来完成对人体器官、软组织和病变部 体进行三维重构和显示，给医学人员以直观的感觉，因而提出了三维体视化技 术。8 0 年代是体视化技术迅速发展的年代，但由于体视化对硬件要求较高， 所以研究还处在试验阶段。随着计算机硬件技术水平的不断提高，九十年代体 视化技术研究有了突飞猛进的发展。 目前，在发达国家已经有了商品化的体视化通用软件，近十年来，一些科 学计算可视化软件相继出现，如：美国s t a r d e n t 计算机公司推出的a v s 系统，美 国o h i o 超级计算机中心开发的a p e 系统，美国s g i 公司推出的i r i se x p l o r e r 系统， 德国达姆斯达特研究中心开发的v i s a v i s 系统，美国纽约州立大学以a r i e e k a u f m a n 教授为首的研究小组设计的体数据可视化系统( v a l v i s ) ，美国宾州大学 1 k u d u p a 教授领导的医学图象处理小组开发的一个可移植的可视化系统 ( 3 d v i e w n i x ) ，德国科学院计算机图形学研究所与德国气象局合作开发的气象 数据可视化软件t r i t o n 系统，美国s u nm i c r o s y s t e m s 公司的s u n v i s i o n 系统，美 国w a v e f r o n t 公司的d a t av i s u a l i z e r 系统，美国v i t a li m a g e s 公司的 v o x e l v i e w v o x e ll a b 系统，美国n a s aa m e s 宇航研究中心推出的n a s aa m e s 软 件系列p l o t 3 d 、s u r f 、g a s 、f a s t 等等。其中美国s t a r d e n t 计算机公司推出 的通用可视化系统软件a v s 在地学领域中较有影响，已成功应用于三维气象预 报、环境污染物监测、汕气储量勘察及水文地理、地质方面的地表水流场和地 下水流场三维显示中。另外，国外地学领域专家还研制了一些地学三维可视化 软件，如：美国i n t e r g r a p h 公司研制的m g e 软件中的m g ev o x e la n a l y s t ( m g v a ) 地下三维分析模块，它具有基于真三维的地下体分析功能。美国d y n a m i c g r a p h i c 公司推出的专用可视化软件i v m ( i n t e r a c t i v ev o l u m em o d e l i n g ) ，可支持 用户对三维空间的测量属性值进行建模、显示和交互控制。美国s t r a t a m o d e l 公 司推出了s g m ( s t r a t i g r p h i cg e o c e l l u l a rm o d e l i n g ) 软件，用于处理钻孔数据。加 拿大l y n xg e o s y s t e m 公司开发的l y n x 软件可以对钻孔、测井记录、t i n 模 型、三维格网结构等进行综合管理，广泛用于矿山、地质的三维可视化等方面。 9 美国r e s e r v o i rc h a r a c t e r i z a t i o nr e s e a r c ha n dc o n s u l t i n g 公司集中地质、地球物 理、油气藏工程、地质统计学等学科的专家进行研究推出了三维地球模拟软件 ( 3 de a r t hm o d e l i n g ) ，可以进行油气藏的三维显示与分析。澳大利亚m a p t e k 公司开发的v u l c a n 软件，该软件是一个真三维勘探g i s 与可视化软件，具有 较好的三维空间建模、交互、可视化功能，并可进行矿藏储量计算与三维空间 分析。还有：法国的g o c a 软件，澳大利亚的d a t a m i n e 软件等。 我国科学计算可视化的研究始于2 0 世纪9 0 年代，清华大学、浙江大学、中 科院等一些高等院校和科研机构相继开始了可视化方面的研究工作。国家气象 局、中科院科学与工程计算国家重点实验室等单位开展了体视化在气象云图显 示、医学图象处理等方面的应用研究工作，取得了一系列的研究成果。近十年 的迅速发展，体视化的应用遍及医学、工业、地质学、化学、物体学和显微摄 影学等诸多领域1 34 1 。如在医学上，用c t 图像的三维重构来描述人体结构内部信 息。在工业上，用工业c t 或超声等检测设备对工件进行无损检测。在地学领 域中，广泛应用于地质建模3 5 - 38 1 ，矿床仿真3 9 m 】，地下水流场模拟【4 3 4 4 1 ，地 震数据和地温数据三维显示【4 5 郴】，烟气扩散模拟等 4 9 - s 1 。 目前，国内也出现了一些三维可视化软件，如浙江大学c a d & c g 国家重点 实验室开发了我国第一个通用交互式可视化软件g i v e 。北京华油吉澳科技开发 有限责任公司投资开发的g e o t o o l s 3 o 系统，是面向石油地质学家和汕藏工程师 的专业应用软件系统、武汉地大坤迪科技有限公司的g e o v i e w 、北京东方泰坦 公司的t i t a n 3 d m 、北京勘察设计研究院的a u t o d i g 、中科院遥感所的g e o v i s i o n 、 长江水利委员会的3 d g v s 、北京理正公司的理正水资源管理信息系统、北京 灵图公司的v r m a p 2 x 、g e o d e m 、g e o g i r d 、武汉吉澳信息工程技术有限公 司的g e o t i n 、武汉中地公司的m a p g i s 等。但由于国内地学研究人员大都致 力于开发适合自己的分析软件，有针对性的解决自己研究中的问题。因而国内 的软件通用性不是很强1 52 1 。 尽管目前体绘制的绘制速度仍然受到计算机运算速度的限制，但随着计算 机技术的发展和体绘制算法研究的深人，可以预见体绘制的绘制速度很快能达 到实时交互的速率。随着对体绘制技术的研究越来越深入，体绘制技术的应用 会越来越广泛、越来越多样化。有关专家预测，在未来几年内，体绘制专用硬 件系统将逐步走向实用，体绘制技术将从理论、方法到实用系统都会有一个新 的飞跃 5 3 1 。 3 2 体视化的基本理论与方法 对于体视化技术的研究可以追溯到7 0 年代初期，当时，射线天文学、地质 学和医学成像等领域己经开始研究从投影来计算空间数据场的反演方法，生成 了一些初级的体数据，但那时还没有提出“体数据 这一术语。直到1 9 8 7 年， 1 0 美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的研讨会，会议正式 提出了科学计算可视化这一术语【5 4 1 。报告中总结了可视化的研究范围和研究分 支，即分为：科学计算数据可视化、数据可视化 d a t av i s u a l i z a t i o n 】、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 s 5 】。科学计算可视化侧重于科学与工程领域数据 的可视化；数据可视化不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括其他领域( 如 经济、商业、金融等) 数据的可视化；信息可视化一般是指网上超文本、目录、 文件等抽象信息的可视化。本论文研究中的体视化技术则是科学计算可视化的 一个重要分支。 3 2 1 体视化概念 体视化技术( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) s 6 】是在吸收计算机图形学、计算机视觉 和图像处理等学科有关知识的基础上发展起来的一门交叉学科。它继承了计算 机图形学中的可见性算法和光照模型、图象处理中的滤波和变换方法以及计算 机视觉中的分割与分类算法等技术。传统的计算机图形学以点、边和面等基元 来描述物体，只能进行物体表面的几何表示、变换和显示，不包含任何内部信 息。而体视化方法则以体素表达物体，研究的是含有物体内部信息的体数据的 表示、变换、操作和显示等，其目的是探索体数据中所蕴含的物体，对蕴藏在 体数据之中的物体或者自然现象进行处理、分析和显示，帮助人们更好到认识 所研究对象的内部结构、属性和内在规律，看到物体内部原本不可见的复杂结 构。体数据比几何表示的信息更丰富，更完整，而且更适合于表示不规则的研 究对象，如生物组织、地形、矿床及其他地质体等d 9 1 。 3 2 2 体数据 体数据( v o l u m ed a t a ) 是指对某种物理场( 温度场、压力场、流速场等) 的离 散采样，可以看成是在有限空间中对一种或者多种物理属性的一组离散采样。 表示为：f ( x ) ，x r n ， x ) 是n 维空间的采样点( s a m p l ep o i n t ) l 拘集合，因此也有 人把体数据称为数据集( d a t a s e t ) 。 体视化技术的应用领域十分广泛，应用领域的不同，体数据的来源也不同。 大概归纳为以下三种： ( 1 ) 来自于各种现代科学测量方法与各种影像设备( c t 扫描、核磁共振、超声 等) 。例如：在地质学中，人们利用自然的或入工爆炸所产生的地震波生成某个 区域的地层体数据。( 2 ) 来源于计算模型，如：我们利用计算机，根据流体力 学模型计算出流场的标量体数据或矢量体数据等。( 3 ) 来自于面数据的体素化， 这种方法实质上是把三维空间中表示连续曲面的儿何数据转化为三维空间中表 示对象的离散体素，如：在地学领域通过空间插值算法生成地质体的规则网格 数据。 体数据最基本的组成单位是体素。通常，体素有两种定义，一种是把体素 定义为中心点在采样点( 网格点) 上的小长方体，这个小长方体内的值是一样的， 体素的属性值即等于采样点的值。另一种体素则是将体空间划分为若干个小的 子域即体元，体元通常是由若干顶点及连接相邻点的边组成的空间区域( 如四面 体、六面体或其它不规则子域) 。对于一个体元，一般只知道顶点的值，而体元 内部的值则是通过插值求得。 不同类型的体数据，体视化算法是不同的。按照不同的标准，体数据可有 以下儿种分类： 1 按体数据空间的维数分类 当采样数据空间的维数为三时，称之为三维体数据( 3 dv o l u m ed a t a ) ；采 样空间维数大于三时，称之为高维体数据( h i g hd i m e n s i o n a lv o l u m ed a t a ) 。目 前，关于三维体数据的研究最活跃，而具有时间维的体数据也在研究中。 2 按体数据物理特征分类 当体数据的采样值是单值时，称之为标量体数据( s a e l a rv o l u m ed a t a ) ，如： 温度场、密度场等。当体数据的采样值是多值即不仅有数值的大小，还有方向 的变化时，称之为向量体数据( v e t o rv o l u m ed a t a ) ，如：流体力学体数据等。 3 按体数据间的空间关系分类 按网格的分布特征可将网格化体数据区分成结构化网格体数据( s t r u c t u r e d v o l u m ed a t a ) 、非结构化网格体数据( u n s t r u c t u r e dv o l u m ed a t a ) 和混合型网格体 数据( h y b r i dv o l u m ed a t a ) 。 ( 1 ) 结构化网格体数据( s t r u c t u r e dg r i dv d ) 结构化网格体数据中，数据点之间在各维上存在确定而统一的邻接关系。 对于三维空间数据场而言，则表示这些空间离散数据在空间上可以组织成三维 数组，任一数据点都可以用它所在的行、列、层的序号( i ，j ，k ) 加以标识。根 据空间离散数据中各元素( 行、列、层) 的物理分布，又将其划分为以下四类： 均匀网格结构化数据( c a r t e s i a n ) 这类数据均匀地分布在三维网格点上，即在x ，y ，z 方向上，在各维上网 格点之间的距离均相等。其二维示意图见3 1 图a 。某一采样点的空间位置可表 示为( x ，y ，z ) = ( i ，j ，k ) 。 规则网格结构化数据( r e g u l a r ) 这类数据分布在长方体组成的三维网格点上，即在x ，y ，z 方向上，相同 方向的网格间距相等，不同方向间的网格间距不相等。其二维示意图3 1 见图b 。 ( x ，y ，z ) = ( i x x x ，j x a y ，k x a z ) 。 矩形网格结构化数据( r e c i t l i n e a r ) 这类数据也是分布在长方体组成的三维网格点上，但是在x ，y ，z 方向上， 不同方向间的网格间距不相等，同一方向的网格间距也不相等，且无规则可循。 1 2 其二维示意图见3 1 图c 。( x ，y ，z ) = ( x i 】，y j ，z k 】) 。 不规则网格结构化数据( c u r v i l i n e a r ) 这类数据在逻辑上仍然被组织成三维数组，但在空间位置的分布上无规则 可循。三维复杂形体经过有限元分析后所产生的数据属于此类型。有时亦常称 为不规则结构化网格体数据。其二维示意图见3 1 图d 。在三维的不规则网格结 构化数据中，某一采样点的空间位置可表示为( x ，y ，z ) = ( x i ，j ，k 】，y 【i ，j ， k ，z i ，j ，k ) 。 囝艇 图3 1 结构化网格的不同类型 ( 2 ) 非结构化网格体数据( u n s t r u c t e dg r i dv d ) 非结构网格体数据数据点之间不存在统一的邻接关系。不能组织成二维数 组，它通常由一系列的单元组成，这些单元常见的有：四面体、五面体、六面 体等，如图3 2 所示。这些单元的面可以是平面，也可以是曲面；其边可以是直 线段，也可以是曲线段。在它的数据结构里，必须给出每个数据点的空间位置 及相互间的连接关系：网格点之间、网格点与边、网格点与单元、网格点与体 元、边与单元、单元与体元之间的联结信息。非结构化网格体数据的三维示意 图见图3 3 左： 给二圆3 4 3 图3 2 组成非结构化网格体数据的基本单元 ( 3 ) 混合型网格体数据( h y b r i dg r i dv d ) 混合型两格体数据是指在同一网格中包含有上述多种网格类型体数据， 如：将结构化网格与非结构化网格结合起来使用，使得数据的表示方便，计算 量较小，见图3 3 右。目前，很多现有的可视化软件包并不显式支持这种网格类 型的体数据，通常情况下，混合网格的每个单个格网可映射到一非结构网格上， 因此，可用一组非结构网格来描述棍合结构网格。如果把些混合结构网格合并 成一个非结构网格，那么在联结非结构网格的边界时要用到插值技术。 畔铡 懿趟 己l l l l 二一、 圈3 + 3 非结构化网格体数据和混合型刚格体数据 323 体视化的流程 三维空间数据类型各不相同，数据分布及连接关系的差别也很大，但体数 据可视化的基本流程却大体相同。三维空间数据体视化的基本流程图如下 4 4 1 ： 采样- 照据j | 函菰矗选 砸工 翠亏i 逝攀掣 e 镕嘉i l 里妻坠_ j 。磊；。 图3 - 4 体视化的主要流程 采样数据需要经过图象重建以形成三维体数据场。i 墨| 象重建主要包含3 个 处理过程：数据格式转换、滤波、插值或精炼。原始数据可由计算机数值模拟 或测量仪