（计算机应用技术专业论文）基于web3d的地质信息可视化研究.pdf

基于w e b 3 d 的地质信息可视化研究 v i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho f g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o nb a s e do nw e b 3 d 学科专业：计算机应用技术 研究生：沈红彬 指导教师：孙济洲教授 天津大学计算机科学与技术学院 二零零八年八月 中文摘要 空间信息可视化技术的发展，为地质学各个领域的研究提供了一个新的方法 和研究平台，为解决各种地质问题开辟了一个新的研究方向。虚拟现实是2 1 世 纪计算机信息科学研究的热点之一，网络的普及被认为是划时代的第三次革命， 人们对信息的需求越来越多。如何通过网络在w e b 中实时获取地质三维可视化信 息，本文针对这一课题进行了探索和研究。 本文首先分析了地质信息的表现形式，根据在研的市科委项目“城市地质信 息三维可视化关键技术研究”的成果，结合现有的地质空间数据库，构建网络检 索地质数据信息接口。然后阐述了地质数据的建模方法，把离散的地质信息数据 通过插值算法，构建出地质岩层的三维模型，同时提出统一化建模方法，实现地 上和地下的模型同时显示。再次，介绍在w e b 中实现地层数据三维可视化的核心 技术，3 dx m l 和x m l 一样作为网络的数据交换文件，在w e b 服务器端根据用户 请求的数据动态创建3 d x m l 文档，客户端浏览器下载并显示文档内容，允许用户 交互操作。最后，作者根据探索实践给出一个在w e b 中实现数据可视化的解决方 案。 作者采用面向对象的分析方法来剖析各个分析阶段的问题，最终探索一条在 w e b 3 d 中实现数据可视化的途径，构建这样一个系统平台的原型。地质数据的采 集和处理建立在原有方式和空间数据库之上，作为原有系统的扩展系统，建模算 法理论取自前人的成果，本文的重点是如何把地质数据按照建模算法来创建 3 d x m l 文档，以及如何在w e b 3 d 中显示和互操作3 d x m l 文档，构建数据一3 d ) ( m l w e b 3 d 基础平台。 关键词：虚拟现实；w e b 3 d ；3 dx m l ；数据可视化 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs p a t i a li n f o r m a t i o nv 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 w m e t h o df o rg e o s c i e n c er e s e a r c ha n do p e n su pan e w r e s e a r c hf i e l df o rs o l v i n gv a r i o u s g e o l o g i c a lp r o b l e m s h o wt oi n s t a n ta c c e s st ot h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l 咖i o no f g e o l o g i c a li n f o r m a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r ki nt h ew e b ，i nt h i sp a p e r , t h i st o p i cw a s e x p l o r e da n dr e s e a r c h e d t h i s p a p e rf h s t l ya n a l y z e st h em a n i f e s t a t i o n so ft h e g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o n ，w h i c hi sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ep r o j e c to fm u n i c i p a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o m m i s s i o nn a m e d t h er e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so f3 d v i s u a l i z a t i o no fc i t yg e o l o g i c a li n f o r m a t i o n a n di sb e i n gr e s e a r c h e d c o m b i n e st h e e x i s t i n gg e o l o g i c a ls p a t i a ld a t a b a s e t h e ne x p o u n d st h em o d e l i n gm e t h o d so ft h e g e o l o g i c a ld a t a , t h ed i s c r e t eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o nd a t ac o u l db ec o n s t r u c t e dt o t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h eg e o l o g i c a ls t r a t at h r o u g hi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，a t t h es a m et i m e ，p u tf o r w a r dt h eu n i f i e dm o d e l i n gm e t h o d st h a tt os h o wt h em o d e lo f a b o v ea n db e l o wg r o u n da to n e t i m e t h i r d l yi n t r o d u c et h ec o r et e c h n oi o g yo fw e bt o r e a l i z et 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 fs t r a t u md a t a ，3 dx m la n dx m li s t h e s a m ea sd a t ae x c h a n g ed o c u m e n ti nt h en e t w o r k ，t h ew e bs e r v e rc r e a t ed a t af i l e s 3 d x m ld o c u m e n td y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e r e q u e s td a t ao fu s e r s t h ec l i e n t b r o w s e rd o w n l o a da n dd i s p l a yt h ed o c u m e n t s ，a l l o w i n gt h ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o no f u s e r s f i n a l l y , t h ea u t h o rg i v e sas o l u t i o nt oa c h i e v ed a t av i s u a l i z a t i o ni nw r e b a c c o r d i n gt ot h ee x p l o r a t i o na n dp r a c t i c e t h ea u t h o ru s e dt h eo b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h et h e p r o b l e m s o fv a r i o u ss t a g e so fa n a l y s i s ，e x p l o r eaw a yt oa c h i e v et h ev i s u a l i z a t i o no fd a t ai n w e b 3 da n dc o n s t r u c ts u c hap r o t o t y p eo fs y s t e mp l a t f o r mf i n a l l y t h ec o i l e c t i o na n d p r o c e s s i n go fg e o l o g i c a ld a t ai sb a s e do nt h eo r i g i n a lm e t h o d sa n ds p a t i a ld a t a b a s e ， a st h ee x p a n s i o ns y s t e mo fe x i s t i n gs y s t e m s ，m o d e l i n ga l g o r i t h mt h e o r yr e s u l t sf r o m t h ep r o d u c t i o no f t h e i rp r e d e c e s s o r s k e yw o r d s ：v i r t u a l r e a l i t y ；w e b 3 d ；3 dx m l ；d a t av i s u a l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：沈 互林； 签字日期： ，加p 年甲月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：厶“杉 签字日期：细孑年甲月弓日 导师签名：罾p 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 我国正处在经济发展、城市化和城市建设的高峰期。当前，“数字城市作 为“数字地球 的重要组成部分，已成为社会和政府关注的焦点。利用现代信息 技术和手段、以数字化空间数据库和计算机成图，已成为现代地质工作新的主流 工作模式。信息化表现为电子化，数字化，网络化，但其发展趋势的核心是信息 资源建设和使用社会化。电子化和数字化使社会整体拥有的信息资源量飞速增 长，网络化使个人拥有的信息资源量飞速增长。信息资源建设的社会化是社会各 部门所拥有的信息资源都尽可能的实现电子化、数字化和网络化，在此基础上， 形成社会化的信息资源，对所有社会成员无条件开放，进而提高自己生活、学习、 工作的质量，乃至改变了各自生活、学习、工作的方式。所以，地质信息对于不 管是研究人员还是使用人员，基于网络的w e b 服务方式必将成为主流。 1 1 数据可视化 自计算机诞生之日起，人们就开始了可视化方面的研究。将数据以图形方式 表示出来是早期可视化的基本思想，然而那时还没有系统的可视化理论与方法。 随着科学技术的发展，特别是近年来，来自各个领域的测量数据、科学实验与科 学计算数据均以几何级数增长，数据量的巨大和缺乏有效分析理解这些数据的手 段无疑给人们对数据的理解造成了很大的困难。事实上，目前有很多花费巨大代 价生产的数据并未得到充分利用。那么如何使研究人员摆脱或减轻分析这些海量 数据的负担，有效地处理、利用这些海量数据，从中找出隐藏的规律，为科学发 现、工程开发、医疗诊断和业务决策等提供支持依据呢? 科学发展的历史证明， 人类的视觉在人类的科学发现中曾发挥过杰出的作用。通常，可视化关键技术的 出现往往就是重大科学发现的前奏，望远镜和显微镜在天文学和生物学发展中的 作用就是明证引。因为人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形 象思维，这些可视化工具恰恰放大和扩展了人类眼睛的功能，激发了人的形象思 维。例如，高分辨率彩色图形显示器可以在一幅画面上浓缩几百万个数据，但如 果打印在纸上，几百万个数据就可打满2 0 0 0 张纸。显然，图形输出的优越性是 不言而喻的。可视化凭借计算机本身的能力把数值模拟中涉及与产生的数字信息 转变为直观的、易于理解的、可进行交互分析的、以图形或图像形式表示的静态 天津大学硕士学位论文第一章绪论 或动态画面，无疑将会加快和加深研究人员对被模拟对象的认识，发现通常通过 数字信息发现不了的现象和规律，从而提高工作效率，获得意外的启发和灵感。 因此在科学界从来没有出现过像今天这样对可视化的迫切需求。而计算机处理 能力的日益增强为可视化的发展提供了必要的物质基础。在这种背景下，可视化 技术蓬勃发展起来了。 人们根据可视化研究内容侧重点的不同，将可视化分为三支：科学计算可视 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 ) 。 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6 2 3 1 。本文研究中 所使用的是数据可视化技术。 自2 0 世纪9 0 年代初以来，可视化发展到了一个更高的程度，即虚拟现实。 虚拟现实( v r v i r t u a lr e a l i t y 也称虚拟实境或灵境) 技术一直是信息领域研究、 开发和应用的热点方向之一。虚拟现实就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算 机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟 环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身 临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。 与传统的模拟技术相比，其主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成 的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的 相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思 维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。沉浸感、临场 感和实时交互性是虚拟现实的实质性特征，对时空环境的现实构想( 即启发思维， 获取信息的过程) 是虚拟现实的最终目的。 虚拟现实技术所拥有的独特魅力也决定了它的应用技术的鲜明特点。它提供 的看起来象真的、听起来象真的、摸起来象真的，能给人身临其境感觉的虚拟环 境，并且人机之间能以人所熟悉的自然方式进行交互操作，首先给人丰富的想象 力和直觉，从而有利于启迪人的创造力，适用于未知的宏观和微观世界的探索。 其次，虚拟现实技术特别适用于恶劣、危险环境的仿真。第三，虚拟现实技术可 以替代制造业的实物样机，是虚拟设计和制造的核心技术，能大大缩短产品的开 发周期，大量节约产品成本。第四，虚拟现实技术是远程协同工作、教育、培训 的理想工具。自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市 规划、地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益， 与网络、多媒体并称为2 1 世纪最具应用前景的三大技术。 w e b 3 d 技术是虚拟现实技术的一种实现形式。w e b 3 d 还可以简单地被看成 天津大学硕士学位论文第一章绪论 是w e b 技术和3 d 技术相结合的产物，实际上也就是本机的3 d 图形技术向互 联网的扩展，网络性、三维性和交互性是其显著的本质特征。它与本机的3 d 图 形技术的主要差别在于：实时渲染：它是由渲染引擎进行实时渲染从而实时显 示的；具有无限的交互性：因为是实时渲染，这就为交互性提供了基础3 。； 优化和压缩：由于网络带宽的限制，文件必须经过优化和压缩以保证用户端快速 下载。通过应用w e b 3 d 技术用户可以在网上浏览以三维形式表现的物体，并对 其进行交互性操作以体验身临其境的感受。w e b 3 d 的实现技术主要分成三大部 分即建模技术、显示技术、三维场景中的交互技术h 17 。建模技术是虚拟现实技 术的基础。把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图像，就是所谓的显示技 术。三维复杂模型的实时建模与动态显示技术可以分为两类：一是基于几何模型 的实时建模与动态显示；二是基于图像的实时建模与动态显示。交互技术是 w e b 3 d 的关键技术，交互功能的强弱由w e b 3 d 软件引擎本身决定但用户可以 通过适当的编程来弥补软件的某些不足n 1 1 引。本文所要探索的是在w e b 3 d 中基 于数据的实时建模和动态显示技术，这将是一个新的技术领域。 1 2 研究现状及工作创新 1 2 1 国内外地质信息可视化研究现状 在地质三维可视化基础理论研究方面，三维地质建模( 3 dg e o s c i e n c em o d e l i n g ) 的概念最早由加拿大的学者s i m o nw h o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出1 。所谓三 维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、 空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来， 并用于地质分析的技术。现在已经有了地质三维可视化的一些基本技术和方法， 其中包括空间数据库的建立、三角网生成方法、三角网面模型构建方法、三维三 角网固化( s o l i d ) 方法、地质体边界的划定和连接等许多方面，总体上体现了当前 地质三维可视化技术的核心成果，反映了当前该问题的研究水平。针对地质体建 模的特殊性和复杂性，法国的m a l l e t 教授提出了离散光滑插值( d i s c r e t es m o o t h i n t e r p o l a t i o n ，d s i ) 技术h 5 1 ，该技术基于对目标体的离散化，用一系列具有物体 的几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质体，目前己成为g o c a d ( 地质 目标计算机辅助设计) 的核心技术，并在国际上得到极大的重视。 因此，在国外，随着相应的理论基础的研究和深入，以及计算机硬件和软件 技术的迅速发展，近些年来其地质信息可视化模型和分析系统研究发展较快，已 经形成了相当的规模，并在市场上得到开发应用。比较典型的大型专业软件有： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 e a r t h v i s i o n 、v u l a n ，、g e m c o m ，、m i c r o l y n x , 、g o c a d ，、s u r p a c v i s i o n 、l a n d m a r k 、 g e o q u e s t ，、g r i s y s 等，这些软件分别在石油物探、石油开采和露天矿开采等领 域进行了颇有成效的研究，不仅具有一般的地质建模、二维和三维显示等常规功 能，而且也加入了一些可视化或图像仿真功能，进行一定的可视化分析设计。如 d g i 公司的e a r t h v i s i o n 模拟系统软件包所生成的静态三维空间立体图形较为清 楚地反映了地层与地质结构面( 断层、破碎带、节理、岩脉和岩墙等) 的空间分布 及其相互关系；英国工程地质学家w h i t e h 将该软件包成功地应用于核废料的处 理中，来展示花岗岩体的三维可视化地质模型，揭示了岩体中结构面的发育分布 规律，为勘探布置、场地的选择提供了依据，为工程地质数值模拟提供了地质模 型。r o l a n dp u s h 哺1 ( 1 9 9 8 ) 提出了一个新的模型，能在任意体积的模型内将一类或 不同类型的结构面的性质表示出来，并利用数学方法把局部结构联合起来形成一 个区域的地质体模式，能够反映出结构面的空间关系；最后以透视和正交投影的 形式给出了整体的三维可视化模型，可以进行一定的动态观察。但是，由于国外 软件费用高，并且受到具体地质条件的限制，在我国很难得到推广使用。而且国 外三维地质软件大都面向石油、采矿等领域，对于大型水利水电工程地质信息的 三维可视化，从勘探数据处理到模型建立和表达等方面的针对性和实用性均不 强，分析功能和交互式功能较为简单，只是用于某些特定的条件。 在国内，从在地学中应用计算机以来，由于受到硬件以及人才培养等客观因 素的限制，地质工程师大多从二维上对地质体进行分析和研究，并且研制了许多 二维制图的应用软件，而三维空间模型和可视化软件少见。目前，虽然有很多高 等院校和研究单位开展这项研究工作，但是以通过引进国外软件技术，进行二次 开发者居多。因此，国内地质人员应致力开发适合于自己的分析软件。 在三维可视化基础理论方面，清华大学唐泽圣口1 等人对于三维数据场可视化 理论的研究成果己具有很高的水平，并能在很多领域得到应用，其中包括地质三 维可视化领域。在应用方面，1 9 9 6 年国内地质人员开始了这方面的工作，除在 露天矿山开采和石油物探领域研究应用取得一定的效果外，陈昌彦等3 于1 9 9 7 年开发研制的“边坡工程地质信息的三维可视化”系统，根据实测的离散点信息 建立起三维可视化模型，显示任意位置的剖面和平切面，可以计算开挖体的体积， 并成功的应用于长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构的模拟和三维再现 工作中。柴贺军、黄地龙、黄润秋等人1 9 9 9 年以来结合大型水电工程开始研制 开发岩体结构三维模型，该模型中建立了一套岩体结构信息管理系统，这些信息 是三维可视化模型的数据源，并实现了三维可视化模型与数据库系统的有效连 接，基本完成了岩体结构的二维图形生成，包括工程区的地形图、勘探点布置图、 勘探线剖面图等在一定程度上建立了三维可视化模型构图，该图形能够进行放 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 大、缩小、旋转、切片等功能。此外，曹代勇、李青元、朱小弟等人阳1 刚基于 o p e n g l 提出了切片合成法，并利用该方法进行三维地质模型可视化研究应用， 也取得了一定的研究成果。 在三维地质建模和可视化研究和软件研制方面，国外开展的较早，目前已经 形成了相当的规模，比较著名的软件如m a p t e k 公司的v u l a n 和加拿大k i r k h a m g e o s y s t e m s 公司的m i c r o l y n x 。v u l c a n 可根据多层扫描图像，将所有单一扫描 的三维三角表面模型相叠加，创建出包含所有数据点的、综合的地球表面三维表 面模型；m i c r o l y n x 是一个专门面向地质采矿用户的软件系统，在微机平台上 用来帮助地质学家和工程技术人员进行矿山开发、矿产评价和采矿规划； m i n c o m _ d g i 等公司在矿井地质领域进行了卓有成效的工作，他们各自开发的 空间地质模型及其可视化系统已经成为商业化软件，并已在中国市场上出售，但 m i n c o m 矿山计算机软件开发公司以s g i 工作站为系统开发和图形操作平台， 并且开发软件的出发点以露天矿为主，对断层和煤层的考虑趋于简单化；d g i 公司的地球可视模拟系统( e a r t hv i s i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 软件包所产 生的三维空间立体图形，能够清晰展示地层构造的空间分布及其相互关系，该软 件是基于计算机的绘图、分析和可视化的系统软件，它是迄今为止国内外研究机 构和公司推出的最好和功能最强的一套针对矿山地质应用的软件系统，但是该软 件仅能在s g i 等大型工作站上，不能在微机环境下运行。由于以上原因及国外软 件费用昂贵，并且受不同文化背景的影响，所以很难在我国得到全面推广和应用。 近年来，我国的地质学工作者已经开展了空间地质模型的研究，在理论和软 件开发方面都有了很大进展。如张菊明等提出了单地质属性和多地质属性体的三 维显示方法，建立了空间平面拟合函数、单值曲面拟合函数、多值曲面拟合函数、 地层层面拟合函数等等；侯遵泽等在随机数据网格化方面提出了分条、分场面的 快速算法和映射点算法，在绘制等值线方面实现了快速三角连网方法，使成图更 加灵活、快速；柴贺军等提出了利用有限测量点来进行地质构造面三维扩展的研 制和开发奠定了理论基础。 1 9 9 5 年，在国家自然科学基金“九五第一批重点项目复杂地质体描述 的理论和方法中，已经把空间地质模型及可视化技术的研究提到了重要的位置。 1 9 9 6 年地质人员便开始了这方面的工作，在露天矿山开采和石油物探研究领域 研究应用取得了较好的效果。目前，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 0 系统，是面向石油地质专家和油藏工程师的专业应用软件系 统。煤炭科学研究总院西安分院开发的l e a d i n gg i s 也比较好的实现了地质体 的三维可视化。还有，武汉中地信息工程有限公司的m a p g i s ，北京超图的 s u p e r m a p 等都带有三维可视化的模块。但是由于地质问题的复杂性，地质信 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 息的数量、类型众多，已经开发出的三维可视化系统具有针对性强、通用性差的 特点，大多是非独立于硬件的图形系统。 大范围地下三维地质的可视化是一个极富挑战性的课题，尽管前人已做了很 多这方面的工作，但多源数据集成与处理、体三维建模与可视化、多维数据可视 化等方面还有很多问题有待解决，真正实用且适合大范围三维地质可视化及其实 时显示的算法还不多，三维地质可视化有着广泛的应用前景，相信在未来几年里， 定会有更大的发展5 1 。 1 2 2 本文工作和创新 作者参与了天津市科委的科技攻关计划重大科技项目“城市地质信息三维可 视化关键技术研究，目前项目处于在研阶段，完成了城市地质信息管理模块， 在接下来的工作中，重点是三维可视化技术的研究，项目中设计使用的运行环境 为本地应用方式，为了是项目的成果更具扩展性，作者提出了采用w e b 3 d 方式 的网络应用方式，使得地质信息共享性得到更大的发挥，为社会公共服务、事务 决策方面的应用建立可行的技术路线。 目前数据可视化应用的实现，都是采用本机方式，运行和显示的硬件环境需 要较高的配置，软件的开发要么是采用国内外现有平台的二次开发，要么基于低 层图形库o p e n g l 或d i r e c t x 3 d 的开发，开发周期较长。采用w e b 3 d 方式的数 据可视化实现几乎是空白，3 d x m l 的出现使解决这一领域的空白出现可能。 本文的创新就是建立地质信息可视化及相关的领域的数据可视化的应用开 发模式，即面向模块的应用开发模式。地质信息数据库模块，作为地质工程人员 工作的核心；地质数据三维建模算法，作为科研人员的工作核心；三维可视化模 块，作为软件开发人员的工作核心。而这个开发模式的核心是3 d x m l ，它作为 接口间的数据交换文件，3 d x m l 具备x m l 的所有特性，开放性、轻量性使得 基于w e b 3 d 的数据可视化成为可能。 1 3 课题的目的和研究内容 本课题的目的是探索一条基于w e b 3 d 的数据可视化技术，实现把w e b 中检 索的地质信息三维可视化。本课题作为“城市地质信息三维可视化关键技术研究” 项目的扩展，为项目更广阔的应用提供支持。 具体研究内容：首先是对地质信息表达形式的研究，归结整理出数据的共性 问题，建立空间数据库，然后是数据建模技术，提出一体化建模技术的思路，接 着研究3 dx m l 规范在地质信息三维表达上的关键技术，最后给出平台原型系 天津大学硕士学位论文第一章绪论 统的构建方案。基于w e b 3 d 的地质信息可视化的原理示意图： 地赝信崽数据瘁 图1 1 基于w e b 3 d 的地质信息可视化原理示意图 后面章节简单安排如下： 第二章地质信息可视化建模技术，简述地质数据的加密算法，三位地质数 据模型的分类，根据它们的特性找出适合w e b 中地质数据可视化的算法模型。 第三章在w e b 中构建地质信息可视化的关键技术，分析了基于w e b 3 d 的地 质信息可视化核心技术，包括信息载体、构模算法等。 第四章地质信息可视化前的数据组织，介绍地质信息的表现形式，数据数 字化的方式，以及对各类地质数据的统一化管理。 第五章w e b 3 d 可视化系统的实现，阐述了具体实现w e b 3 d 地质信息可视化 系统技术路线和步骤，以及开发工具和部分技术细节。 第六章结论与展望，汇总研究结论，总结知识创新点，并展望未来研究方 向。 天津大学硕士学位论文 第二章地质信息可视化建模技术 第二章地质信息可视化建模技术 2 1 数据内插加密方法 地质体数据来源一般是钻井和地震勘探等数据，数据资料比较少，并且具有 误差较大、分布不均匀( 散点数据) ，少数点的数据很精确( 钻井数据) ，内有模 糊数据的特点。插值过程中应该把精确的数据点作为控制点( 约束) ，其他的数 据点可以在一定范围内变化，从而保证处理后的数据整体保持光滑，达到地质对 象建模的要求m 一。 适于复杂地质体插值的算法主要有双三次样条插值( b i c u b i cs p l i n e i n t e r p o l a t i o n ) 和离散光滑插值( d s l ) 、克里金插值方法、地层厚度趋势插值法 等。 ( 1 ) 双三次样条插值适于被插值的数据体一致连续。 ( 2 ) 离散光滑插值( d s l ) 方法：用一系列具有物体几何和物理特性的相互 连结的节点来模拟地质体。用d s i 方法模拟几何和物理特性时，已知节点和地质 学中的典型信息被转化为线型约束，引入到模型生成的过程中。当地质对象形态 复杂，内中可能断层穿过，还有孔洞存在，适合采用离散光滑插值。 圈2 - 1 离散光滑插值( d s i ) 的效果 天津大学硕士学位论文第二章地质信息可视化建模技术 图中的红色点表示控制( 约束) 点。a 时插值前的带格网的面数据效果图； b 是插值后带格网的面效果图；c 是插值后不带格网的面效果图。 ( 3 ) 克里金插值( k r i g i n gi n t e r p o l a t i o n ) 方法：地质属性的主要信息可以根 据露头、地球物理勘探、钻井和测井直接和间接的信息获得。比之地质体的外部 形态，地质属性的信息缺乏更为严重，为了保证数据的光滑插值性，在属性数据 插值中更符合地质属性的分布特征，可以采用克里金插值。克里金插值认为任何 空间连续性变化的属性是非常不规则的，不能用简单的平滑数学函数模拟，利用 随机表面给予较恰当的描述。适合样本数据量较大、分布较均匀的空间插值。 ( 4 ) 地层厚度趋势插值法：原理是依据地层板状分布的规律性，利用地层 厚度趋势法原理建立一组与地层厚度以及海拔高度有关的经验公式，通过内插推 测出目标钻孔中未来解释的地层面的埋深或高度。根据己知两界面间的地层厚 度，以及其中包含的各地层的厚度比值关系，计算其中未知地层的厚度。如果已 知地层的项界面高程，可获得该地层的高程值。 2 2 数据模型 图2 2 地层厚度趋势插值法原理示意图 三维地质数据所涉及的信息众多且来源广泛，按照数据来源的不同可分为工 程地质勘察数据、物探数据、化探数据、遥感数据等四大类，按照数据表现形式 不同可分为图形、图像和文字等三类信息。将这些信息综合在一起，能够完整的 描述地质环境的现状，对地质环境的分析评价和三维地质模型的构建有着至关重 天津大学硕士学位论文第二章地质信息可视化建模技术 要的意义晗4 崩1 。地质数据具有来源广泛、资料分散、时间跨度大、不同比例尺、 数据量巨大、数据种类繁多等特点，如何针对数据特点将这些多源海量地质数据 进行整合，从而进行一体化的采集、存储与管理，是关系到系统成败的一个重大 问题。系统在实现过程中，将空间数据库分为图形库、属性数据库和多媒体信息 数据库三大类。图形库包括基础地理底图、基础地质图、水文地质、工程地质、 环境地质、地球化学、地热资源、矿产资源、地下空间、土地利用、城市垃圾、 固体废弃物处置等各类成果图件，属性库包括地质内部属性表和各类地质数据 库，多媒体信息包括各类报表、文档、影像资料和城市数字景观数据等。 三维地质信息采用的空间数据模型可分为三类：( 1 ) 基干体元的数据模型， 如三维栅格结构；指针结构；八叉树结构( o c t r e e ) ；结构实体几何结构( c s g ) ； 不规则四面体结构( t e n ) ；三维v o r o n o i 多面体结构等。( 2 ) 基于边界面的数据 模型，如格网结构( g r i d ) ；面片结构( t i n ) ；超图数据结构；结构边界表示； 非均匀有理b 样条函数；三维矢量数据结构等。( 3 ) 混合数据模型，如t i n + c s g 、 o c t r e e + t 1 n ；面向对象的数据模型等瞳7 2 8 1 。从实际应用效果来看，基于体元的数 据模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大、运算速度慢；基于边界面 的数据模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。 混合数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同分辨率、不 同背景条件、不同应用的要求。由于三维几何和拓扑的复杂性，很难用一个统一 的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，采用混合数据模型不失 为一种可行的方法。例如：t i n + c s g 的集成模型比较适用于城市三维景观的建 模，而o c t r e e + t e n 则被认为适合于地质、海洋等领域的三维建模。 ( 1 ) 面三维数据模型 t m 、多层t i n t i n 模型是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形 网组成，所表示的地形表面的真实程度由地形点的密度决定，并能充分表现高程 细节的变化，适合于地形复杂的地区。t i n 可以利用原始高程点重建地形表面， 地形平坦的地方多边形较少；复杂的地区多边形较多，对地形的描述具有很好的 合理性。采用t 和多层t i n 可以表达地质层次结构。 d e m 、多层d e m 数据高模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) ，简称d e m ，是以数字的形式按一定 结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和 起伏的数字描述。d e m 的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表 提供连续描述的算法，最基本的d e m 是由一系列地面点x ，y 位置及其相联系 的高程z 所组成，用数学函数式的表达是：z = f ( x ，y ) ，( x ，y ) d e m 所在的区 天津大学硕士学位论文第二章地质信息可视化建模技术 域。多层d e m 是建立在单层d e m 的基础之上的，是多个单层d e m 的集合， 需要在内存中满足对单层d e m 的动态添加、删除、综合查询及分析等要求。通 过建立多层d e m 表面模型可以实现地层模型的三维可视化管理。 1 基于面的三维数据模型一 i 基于傩的三维数据模型一 图2 3 数据模型分类 矢量边界数据模型 空间的任一对象可以分解为4 类元素的组合，即点、线、面和体，实体的边 界通常是由面的并集来表示，而每个面又由它所在的曲面的定义加上其边界来表 示，面的边界是边的并集，而边又是由点来表示的。边界表示的一个重要特点是 描述每一类元素的信息包括几何数据、分类标志以及与其他类元素的相互关系 ( 拓扑关系) 。 ( 2 ) 体三维数据模型 八叉树数据模型 在八叉树的树形结构中，根结点表示一个包含整个目标的立方体，如果目标 充满整个立方体，则不再分割；反之要分成八个大小相同的小立方体，对于每一 个这样的立方体，如果目标充满它或它与目标无关，则不再分割，否则继续将其 分成八个更小的立方体，按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次 为止。如果层次数为m 则八叉树表示与2 n x 2 n 2 n 的3 d 栅格相对应。 实体结构数据模型 实体结构数据模型将表达的空间提花分成许多规则或不规则的简单的体元 组成的几何，如三棱锥，长方体，圆锥体等。适合于进行布尔空间操作，快速切 割剖面及显示m 1 。无需进行消耗处理，且几何变换易于实现。 ，flilllil。，l1-l-lllii_，flllllllii，、lillllll、 天津大学硕士学位论文第二章地质信息可视化建模技术 四面体数据模型 四面体格网( t e t r a h e d r a ln e t w o r k t e n ) 是将目标空间用紧密排列但不 重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是2 dt i n 结构的3 d 扩展。在 概念上首先将2 dv o r o n o i 格网扩展到3 d ，形成3 dv o r o n o i 多面体，然后将t 结构扩展到3 d 形成四面体格网。四面体格网由点、线、面和体四类基本元素组 合而成。整个格网的几何变换可以变为每个四面体变换后的组合，这一特性便于 许多复杂的空间数据分析。同时，四面体格网既具有体结构的优点，如：快速几 何变换，快速显示，又可以看成是一种特殊的边界表示，具有一些边界表示的优 点，如：拓扑关系的快速处理。 2 3 统一的模型构建 目前，由于一般三维软件的主要数据内容集中在地表附近，因此，主要以地 面为参考面进行建模。而如果要考虑地下，如地铁等，则需要选择其他的参考面， 甚至可能是多层次结构的。 数据生产始终是三维中的难点问题，建立一个三维可视化环境，其主要的工 作量也集中于此。因此，提供方便快捷的建模手段格外重要。考虑到地下三维城 市模型，则这个问题就显得更为复杂，需要我们集成多种手段，提供地上地下一 体化的建模工具。 数据模型的可视化目的是三维g i s 数据模型设计中的重要因素，因而提出了 面向对象的三维可视化数据模型，把实际地理现象和规律的视觉方式同表达地理 世界本质的关系和分析模型相结合，给人们营造强烈的交互感和沉浸感啪瑚1 。 最常用的可视化数据模型是基于边界表示的面片模型，将空间物体抽象为 点、线、面、体四类。 ( 1 ) 点对象：主要描述独立的点状地物，例如树、公路界碑等。目前主要 支持三种关联类型：透明纹理、3 d x m l 文件、注记。 在描述树、广告牌时，可以用把树或广告牌的照片处理成透明纹理( 即把除 树以外的部分设置为透明) ，再把透明纹理作为点状地物的关联对象存放即可。 可以通过透明纹理映射来显示。 当物体的形状非常复杂时，可以在建模功能强大的3 d m a x 、c a t i a 等工具 中建模，把结果文件输出成3 d s 、3 d x m l 等文件，而把这些文件所表示的对象作 为一个点状地物加入库中，同时把这些模型文件也需要存放在统一的库目录下以 便后续使用。显示时，根据点状地物中记录的文件名，找到对应的模型文件，并 调用相应的显示模块进行显示。 天津大学硕士学位论文第二章地质信息可视化建模技术 注记可以描述一些文字描述信息，例如道路名称、单位名称等。点信息中记 录其内容、字高、朝向等基本信息。在显示时可以根据字高及b o x 范围确定注 记的显示大小，并根据朝向、位置信息可以把注记显示出来。 ( 2 ) 线对象：是指由三维点序列构成的线段，主要描述电力线、通信线等 简单对象，在具有具有管径的属性的情况下，也可以表示管线这样的复杂实体， 表现为一系列的由接头连接的圆柱体。 ( 3 ) 面对象：是由一个或者多个面元素如t i n ( 通常表示凹多边形) 或者凸多 边形构成的。三维城市模型中的湖面、路面以及绿化带等是由面对象来表达的。 ( 4 ) 体对象：由三维面构成外包围而成的。可以描述一些有形状的实体， 比如，建筑物由墙面、顶面和底面构成。 综上所述，在该课题中，根据研究区域地质体的特点以及所收集资料的详细 程度，以及上述的各个建模方法的特点，采用克里金综合数据插值加密算法和多 层t i n 来构建地质模型，满足系统建模需要。 天津大学硕士学位论文第三章在w e b 中构建地质信息可视化的关键技术 第三章在w e b 中构建地质信息可视化的关键技术 3 i 使用3 dx m l 描述地质数据 3 d x m l 是w e b 3 d 可视化系统中地质信息的载体，是在w e b 中实现数据可 视化的核心技术，它犹如人身体中的血液贯穿在整个w e b 3 d 系统中。 3 1 13 dx m l 简述 万维网( w w w ，w o r l dw i d ew e b ) 又称环球信息网络，是基于超文本( h y p e rt e x t ) 方式发布和获取信息的网络，由欧洲核子物理研究中一i 二, ( c e r n ) 研制，并得到了 迅速而厂泛的应用。现在大多数w e b 页面都使用h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u p l a n g u a g e ) 语言编写，但随着计算机技术的发展，h t m l 的局限性越来越明显， 例如不能满足人们对信息检索的要求。为了弥补h t m l 的不足，1 9 9 6 年，万维 网联盟( w 3 c ，t h ew o r l dw i d ew 曲c o n s o r t i u m ) 开始对h t m l 的后续语言进行研 究，并于1 9 9 8 年2 月正式推出了x m l ( 可扩展标记语言，e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) 。 x m l 是一种标记语言，但是x m l 又和普通的标记语言不同，因为它是一 种元标记语言，是一种用来定义标记的标记语言。事实上，用户可以利用x m l 的语法和有限的元标记，来定义自己需要的任意特殊标记集( 例如，定义一种在 功能上类似h t m l 的标记集合，但是用户完全可以来用不向于h t m l 已经采用 的标记，甚至使用中文来标记) ，这样就形