（自然地理学专业论文）地质体三维模型和数据结构的研究与实现.pdf

摘要 在地理信息系统( g i s ) 及其应用的研究中，空间实体的三维表达与分析、可 视化是十分重要的研究内容。如针对矿山特性和应用，构造三维数据结构，实现 三维实体( 矿体、巷道、断层、井筒等) 表达、现象模拟、空间分析和可视化是 矿山3 d g i s 深入应用的要求。利用3 d g i s 和三维可视化技术来反映地下水水文 地质层的结构、地下水的赋存环境、地下水水位、水质等的时空分布及地下水流 场的运动变化规律，地下水降落漏斗的形成与发展过程以及地下水污染物的运移 规律等，借助三维可视化分析的手段来辅助决策地下水资源的科学管理是3 d g i s 在地下水领域深入应用的要求。在这些研究中，地下三维她质体的表达研究是基 础，其重点是地质体三维模型、三维数据结构以及三维可视化技术的研究。 地质调查和观察的结果往往是一系列离散的、空间上分布不均匀的数据， 对许多现象的解释，大多是基于这些数据做出的。运用三维模拟与可视化方法， 准确地表示和描述复杂的地质现象，如断层、褶皱及复杂的岩石特征变化，建立 简单有效、准确的地质体三维数学模型以及高效率支持该模型的数据结构是三维 地质体研究的重点。笔者所进行的研究工作正是为解决这一问题而展开的，其基 本思路是采用多层d e m 和四面体的混合模型建立地质体的三维模型，表现地质 体的时空分布规律。作者主要完成了以下系列研究工作： 1 在论文的第一章：阐述了地理信息系统的各个发展阶段，从目前矿山、油层、 地下水等方面研究的角度阐明了论文的选题背景及研究意义。在此基础上确 定了论文的主要研究目标、主要研究内容及论文的组织结构。 2 在论文的第二章：对比分析了地质体的各种形态以及适用不同形态的不同模 型；并对地质体三维模型和数据结构研究、地质体三维可视化技术研究的国 内、外现状作了系统回顾和总结。 3 在论文的第三章：地下三维地质体可视化系统的设计研究。 4 在论文的第四章：作者系统的研究了地质体的各种三维数学模型和三维数据 结构，重点阐述了作者所采用的多层d e m 和四面体混合模型及其数据结构， 并且给出了生成这种模型的三维数据的具体算法。 5 在论文的第五章：总结了满足地学插值特点的插值方法应具备的三个基本条 件，分析对i ：l t 多种插值算法的优缺点，阐述了曲面磨光算法、i o i n g 插值算 法以及改进的距离加权插值算法的算法过程，并运用这些方法形成了地层数 据。 6 在论文的第六章：对比研究了规则格网和不规则三角网的特点，提出了规则 格网的细节层次模型以及基于二叉树的视相关动态简化方法，同时根据不规 则三角网的特点提出基于点删除的视相关三角网动态简化方法，并给出了相 应的算法和流程图。 7 在论文的第七章：介绍了地质体三维交互编辑的实现技术，阐述了三维旋转、 平移的算法公式，提出了基于地质体表面的鼠标三维坐标计算方法，并给出 了地质体垂直切面、水平切面、等厚度图生成、地层体积计算等方面的算法 过程和计算结果示例。 8 在论文的第八章：对论文研究成果的进行了总结，并对未来三维地质体研究 进行了展挚。 关键词地质体： 地质体三维模型：三维数据结构：地理信息系统：地质体 三维可视化 n a b s t r a c t i ti s i m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ho f t h ea p p l i c a t i o na n d3 dg i s t od e s c r i b e ， a n a l y s ea n dv i s u a l i z et h e3 ds p a t i a le n t i t i e s ，i t i sn e c e s s a r yt oc o n s t r u c t3 dd a t a s t n l c t i l r ea n dr e a l i z e3 de n t i t i e s ( s u c ha sm i n eb o d y , l a n e w a y , f a n l t a g e ，w e l le t c ) d r e s c r i b i n g ，p h e n o m e n as i m u l a t i o n ，s p a t i a la n a l y s ea n d3 d v i s u a l i z a t i o ni nt h ed e e p a p p l i c a t i o no f3 d g i so nm i n e t h er e s e a r c h e s h o wt o e x p r e s st h e s t r u c t u r eo f h y d r o g e o l o g i c s t r a t u m ，t h e e x i s t e n tc o n d i t i o no f g r o u n d w a t e r , t h e l e v e lo f g r o u n d w a t e ra n dt h e q u a l i t yo fg r o u n d w a t e r a n dh o wt od i s c l o s em o v i n g r e g u l a t i o n a n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d w a t e r s t r e a m ，f o r m a n d d e v e l o p m e n t o f g r o u n d w a t e rc o n eo fd e p r e s s i o na n dl a n ds u b s i d e n c ea r ei nf a v o ro f t h er e a s o n a b l e m a n a g e m e n to f t h eg r o u n d w a t e rr e s o u l _ c e a l lt h e s er e s e a r c h e sb a s eo n3 dg e o l o g i c v o l u m ed e s c r i b i n ga n dt h ee m p h a s e sa r e3 dm o d e lo fg e o l o g i cv o l u m e ，3 dd a t a s t r u c t u r ea n d3 dv i s u a l i z a t i o n o f g e o l o g i cv o l u m e t h ed a t u mo fg e o l o g i c s u r v e y a n do b s e r v a t i o ni ss o m e t i m e sd i s c r e t ea n d a s y m m e t r y , b yw h i c hm a n yp h e n o m e n aa r ei n t e r p r e t e d t h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c p h e n o m e n as u c ha sf a u l t a g e ，d r a p ee t e 8 r ea c c u r a t e l yr e p r e s e n t e da n dd e s c r i b e d t h r o u g h3 ds i m u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o n t h es i m p l ea n da v a i l a b l e3 dm a t h e m a t i c s m o d e lo fg e o l o g i cv o l u m ea n dt h ee f f i c i e n t3 dd a t as t r u c t u r ea r eb u i l t t h e s ea r e e m p h a s e si nt h er e s e a r c ho n3 dg e o l o g i cv o l u m e t os o l v et h i sp r o b l e m , t h ea u t h o r d o e sal o to fr e s e a r c hw o r k t h eb a s i ct h i n k i n gi st ob u i l t3 dm o d e l w h i c h 眦 m i n g l e db ym u l t i p l a v e rd e m a n dt e t r a h e d r o n ，t od i s u s et h er u l eo fg e o l o g i c v o l u m ed i s t r i b u t i n gi nt h es p a c ea n d t i m e d u r i n gt h ec o u r s eo fr e s e a r c h ，t h ea u t h o r f i n i s h e st h ew o r ka sf o l l o w sp r i m a r i l y 1 i nt h ec h a p t e ro n e ，t h ep a p e rt e l l sf o u rd e v e l o p m e n tp h a s eo fg i s ，t h e c o n d i t i o na n dt h ep u r p o r to nt h er e s e a r c ht h e m e w h i c ha r ee v a l u a t e d t h r o u g h t h er e s e a r c ho nm i n e ，c r u d ep e t r o l e u m l a y e ra n dg r o u n dw a t e r ，t h e nd e c i d e s t h e p r i m a r y r e s e a r c hs u b j e c ta n dt h er e s e a r c hc o n t e x ta n dt h eo r g a n i z a t i o no f t h e p a p e r 2 i nt h ec h a p t e rt w o ，t h ep a p e rr e v i e w sa n ds u m s u pt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f i l l 4 5 7 8 3 dm o d e l d a t as 仃u c t u r ea n d3 dv i s u a l i z a t i o no fg e o l o g i cv o l u m ea th o m e a n da b o a r ds y s t e m a t i c a l l y i tc o n t r a s t sa n da n a l y s e se a c hf o r mo fg e o l o g i c v o l u m ea n dm a n yt y p e so f3 dm o d e la n dd a t as n l l c t u 托o ft h eg e o l o g i c v o l u m e i nt h ec h a p t e rt h r e e ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h e s o l , r a r e s y s t e m “m e3 d v i s u a l i z a t i o no f g e o l o g i cv o l u m e b yu s i n gv c + + 6 0a n dt h e v i s u a l i z a t i o n t o o l k i tn a m e d o p e n g l i nt h ec h a p t e rf o u r , t h ep a p e rr e v i e w sa n ds u r f i su ps y s t e m a t i c a l l ya l ls o r t so f 3 dm o d l ea n dd a t as t r u c t u r e o f g e o l o g i c v o l u m e i t e m p h a s i z e s o n e x p o u n d i n g t h e3 dm o d e lm i n g l i n gm u l t i l a y e r sd e m a n dt e t r a h e d r o nm o d e l a n di t sd a t as t r u c t u r e ，t h e ni tr e p r e s e n t st h ea l g o r i t h mt og e n e r a t e3 dm o d e l d a t u m i nt h ec h a p t e rf i v e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h r e eb a s i cp r o v i s i o n so f t h e m e t h o do f i n t e r p o l a t i o ni nt h eg e o - f i e l d i ta n a l y s e sa n d e v a l u a t e dal o to f t h e m e t h o d so f i n t e r p o l a t i o n t h ep a p e re x p o u n d s t h em e t h o do f b l e n d i n gs u r f a c e ， t h e k r i n g m e t h o da n dt h ei m p r o v e di n v e r s ed i s t a n c e t oa p o w e r m e t h o d t h e n t h e3 dd a t u ma r eg e n e r a t e db yt h e s em e t h o d s i nt h ec h a p t e rs i x ，t h ep a p e re v a l u a t e sr e g u l a rg r i d sa n dt i n ，w h i c ha l s o b r i n g sf o r w a r dl o do f r e g u l a rg r i d sa n d t h ea l g o r i t h mo f r e g u l a r g r i d s b a s eo n q u a d r i ct r e ew h o s e f e a t u r e si n c l u d ev i e w - d e p e n d e n t , r e a l - t i m ea n dm u l t i l e v e l t h e nw i t hr e g a r dt ot h e g e n e r a t i n gr u l e s a n dd a t as t r u c t u r eo ft i n ，i t e x p o u n d st h ea l g o r i t h mt od y n a m i c a l l ys i m p l et h et r i a n g u l a t e di r r e g u l a r n e t w o r kb a s e do nv i e w p o i n ta n dv i e w a x i sa n dt h ef l o wg r a p h y i nt h ec h a p t e rs e v e n ，t h ep a p e rr e p r e s e n t s3 di n t e r a c t i n gm o d e lt oe d i t g e o l o g i cv o l u m ed a t u m ，t h ea l g o r i t h ma n df o r m u l a o fr o t a t ea n dt r a n s l a t e i t e x p o u n d s h o wt oc o n v e r t2 dc o o r d i n a t e so f m o u s et o3 dc o o r d i n a t e st h r o u g h a s s i s t a n ts u r f a c e t h e n ，i tr e p r e s e n t st h em e t h o d sh o wt oc a l c u l a t eu p r i g h t s l i c e s ，l e v e ls l i c e s ，i s o l i n e o f d e p t h a n d b u l k o f g e o _ l a y e r i nt h ec h a p t e r e i g h t , s u mu p t h er e s e a r c hw o r ki nt h ep a p e rc o m p l e t e l ya n d p o i n to u t t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na n d p r o b l e m s i v k e yw o r d s ：g e o l o g i cv o l u m e ； 3 dm o d e lo fg e o l o g i cv o l u m e ；3 dd a t a s t r u c t u r e ； g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ；3 dv i s u a l i z a t i o no f g e o l o g i cv o l u m e ； v 首都师范人学硕一卜论文 地质体三维模型和数据结构的研究与实现 第一章绪论 1 1 地理信息系统发展概述 地理信息系统起源于6 0 年代，从第一个成功的地理信息系统建立以来 地理信息系统技术取得了巨大的发展，已经在环境、资源、土地、规划、交 通等各个领域得到了广泛的应用。从地理信息系统的技术体系结构来看，地 理信息系统技术的发展会经历桌面g i s 、网络g i s 、虚拟g i s 、虚拟地理环 境四个阶段。 1 桌面g i s ：这一时期g i s 主要研究地表信息，采用的数据模型和数据 结构都是二维，z 值一般都作为地理信息的属性值：每台机器都有独立的数 据( 包括文件和数据库) 和g i s 软件( 集成的软件包) ，两台机器之间没有 太大的联系。地理信息系统的主题是数据和模型，这一时期的g i s 是专家型 g i s 。 2 网络g i s ：网络g i s 大都采用c s 结构，在服务器端存储有大量的数据 和模型，数据的管理、查询、处理、分析等大量工作都在服务器完成。i n t e r n e t 的发展使网络g i s 向w e b g i s 转变。w e b g i s 是i n t e r n e t 技术与g i s 相结合 的产物。通过i n t e r n e t ，用户可以浏览万维网g i s 站点中的空间数据，进 行各种空间检索和空间分析。如：m a p l n f o 公司的m a p l n f op r o s e r v e r 和 m a p x t r e m e 、i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p 、a u t o d e s k 的m a p g u i d e 等。这一时期g i s 的主题也是数据和模型，但是g i s 的用户群体有了很大的 发展，g i s 逐渐向大众化g i s 发展。 3 虚拟g i s ( v g i s 、3 d g i s ) ：虚拟g i s ( v i r t u a lg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 认为g i s 是一个数字化的虚拟场景，它的数据模型是三维的或者 2 5 维，一般分为体模型和表面模型两种；前者利于三维地学分析，后者易 于三维场景表达。v g i s 的主题是人，g i s 中数据和模型可以构造以人为中心 的虚拟场景，虚拟人可以通过眼镜，数字手套、头盔等数字化工具进行虚拟 场景中的各种操作。 4 虚拟地理环境( v g ev i r t u a lg e o g r a p h ye n v i r o n m e n t ) v g i s 表达的 是以人为中心的虚拟场景，而v g e 表达的是以人为中心且能表现人与地理环 首都师范人学硕：l 论文地质体三维模型和数据结构的研究与实现 境相互作用的虚拟环境。y g i s 中的虚拟场景是特定时间的真实地理环境的 数字化、虚拟表达，v g e 中地理环境不仅指特定时间的静态环境，同时也指 连续时间动态变化的地理环境。v g e 具有自动虚拟地理环境变化的功能，是 真正意义上的数字地球。 1 2 论文的选题背景及研究意义 近年来，我国每年地下水超采量达8 0 多亿立方米，形成地下漏斗区5 6 个，面积达8 7 万多平方公里，相当于近3 个海南岛的面积，漏斗最深处达 1 0 0 多米，地下水降落漏斗极易导致地面沉降，并引发各种地质灾害；煤矿瓦 斯爆炸造成人员伤亡和经济损失也经常被报道，仅在2 0 0 3 年就发生十几起， 造成几百人的伤亡，城市的地下交通市政建设日益发展，包括北京、武汉等多 个城市都正在进行或者将进行地下交通设施的建设：建立这些区域的地下三维 模型，进行数字化管理和分析成为十分紧迫的任务。因此，3 d g i s 在地质、油 层、矿山、市政建设等领域的应用越来深入和广泛，地质体三维数学模型和支 持三维模型的数据结构是支撑三维地理信息系统在地质、油层、矿山、等领域 应用的基础技术，开展这方面的研究是解决这些问题的基础。 地质调查和观察的结果往往是一系列离散的、空间上分布不均匀的数据， 对许多现象的解释大多是基于这些数据做出的。这就要求大量使用插值技术、 三维建模技术、三维模型交互操作技术和三维可视化技术来检验多个工作假 说。运用交互的三维模拟与可视化方法，准确地表达和描述复杂的地质现象， 如断层、褶皱及其它复杂的岩石特征变化，建立简单有效、准确的三维地质体 数学模型以及高效率支持该模型的数据结构是地质体三维可视化研究的重点。 在地理信息系统( g i s ) 及其应用的研究中，空间实体的三维表达与分析、 可视化都是重要的研究内容。针对矿山特性和应用，构造三维数据结构，实 现三维实体( 矿体、巷道、断层、井筒等) 的三维表达、现象模拟、空间分析 和可视化是矿山3 d g i s 深入应用的要求。研究如何利用3 d g i s 和三维可视化 技术来反映地下水水文地质层的结构、地下水的赋存环境、地下水水位、水质 等的时空分布及地下水流场的运动变化规律，地下水降落漏斗的形成与发展过 程以及地下水污染物的运移规律等，借助三维可视化分析的手段来辅助决策地 下水资源的科学管理是地下水3 i ) g i s 深入应用的要求。在这些研究中，地下三 4 首都师范人学硕- j 二论文 地质体三维模型和数据结构的研究与实现 维地质体的表达研究是基础，其重点是地质体三维模型、三维数据结构以及三 维可视化技术的研究。 1 3 研究的内容及论文的组织 任何地质对象在空间上都占有一定的位置和范围，具有一定的形态和性 质特征并与其他她质对象之间存在着一定的空间联系。因此地质对象的基本 特征可归结为空间特征、属性特征和空间关系特征三个方面。空间特征表示地 质对象所处的空间位置特征，也称作几何特征或定位特征。地质对象之间的空 间关系主要是拓扑关系，包括邻接、包含、相离等关系。三维地质模型应该是 对研究范围内各种地质对象的几何、属性和拓扑信息的表达。由于地质对象通 常位于地表以下，地质工作者不可能直接全面地观察到地质对象的各种特征 而只能通过钻探、物探等手段获得地质对象的部分特征信息，并通过对这些信 息的分析、解释来推断出整个地质对象的兰维基本特征。这种分析、解释和推 断通常是在一系列二维剖面上进行的。一个勘探区往往有许多这样的剖面， 每一个剖面上既有实际的勘探资料，也有解释、推断的资料。随着勘探工作的 深入和资料的增多，对地质对象特征的认识会不断得到完善和提高。论文就是 研究如何将离散的钻井资料、剖面图和等厚度图通过数学模型建立起符合研究 区域地质空间和属性特征的三维模型和建立适合这种模型的数据结构，主要研 究内容包括： 1 用于地质体表达的三维模型和数据结构对比研究。地质体三维模型的建模 方法以及数据结构形式是多种多样的，他们存在很多优点，也各有不足。 对前人的各种建模方法和数据结构进行对比研究有利于找到更符合实际应 用的数学模型和数据结构。 2 不同地质体的建模技术及其数据结构研究。地质体由于地质构造等多种原 因，会出现一些不连续的构造( 如断层) 。不同的地质体形态适用不同的建 模方法。地质体建模拟采用综合建模方法，但多种建模方法建立的模型需 要做一体化处理。 3 插值技术及其插值效果研究。不同插值方法具有不同的优势与缺点，进行 地质体层面插值时需要符合实际情况的插值技术。 4 规则格网和t i n 与四面体模型的融合技术。对于层状地质体采用规则格网 首都师范火学硕士论文地质体三维模型和数据结构堕堕塑! ! 壅堡 或者不规则三角网进行层面建模。同时对于不连续的、非层状构造拟采用 四面体模型。为了表达连续的地质体，必须将规则格网和不规则三角网与 四面体模型进行无缝融合。 5 地质体三维模型的交互编辑方法。断层等不规则构造仅仅依靠计算机自动 处理是不可靠的，需要加入更多的人工干预，充分利用专家知识。三维模 型和数据结构需要具有可编辑性，提供交互功能。 论文主要有以下几章组成 第一章绪论。在这章中主要阐述了地理信息系统发展的四个阶段、论文的 选题背景及研究意义，本论文研究的主要内容及论文的组织。 第二章地质体概述及地下三维研究现状，在这章中阐述了地质体的各种形 态以及当前地下三维表达的研究现状。 第三章为地下三维地质体可视化系统的设计。 第四章数三维地质体数据模型和数据结构，系统的研究了三维地质体的各 种三维数学模型和三维数据结构，重点阐述了作者所采用的多层d 酬和四面体 混合模型和数据结构，并且给出了生成这种模型的三维数据的具体算法。 第五章地质体层面拟合。在这章中总结了适合地学领域插值方法应满足的 三个条件，对比分析了各种插值、拟合方法的算法优缺点，重点介绍了曲面磨 光算法、k r i n g 插值算法和改进的距离加权插值方法，并给出了相关算例。 第六章大场景数据动态简化方法，在这一章描述了规则格网的细节层次模 型以及视相关动态简化方法，根据三角网的组网方法和数据结构的特征重点叙 述了基于点删除不规则三角网的视相关动态简化方法，并且给出了算法的流程 图。 第七章地质体三维模型交互操作的实现技术，介绍了地质体三维交互编辑 模型，阐述了三维旋转、平移的算法公式。提出了基于地质体表面的鼠标三维 坐标计算方法，并对地质体垂直切面、水平切面、等厚度图生成、地层体积计 算等方面的算法进行了研究。 第八章总结与展望，本论文研究成果的总结，并对未来地质体三维模型和 数据结构的研究进行了展望。 6 首都师范人学顿j j 论立地质体三维摸掣塑墼塑丛塑塑型塑：! 茎型 第二章地质体和地下三维研究现状 2 1 地质体概述 本文所指地质体是总体呈层状分布、局部有断层、褶皱、地层倒转等复杂 形态的地质对象，主要是指大约地表以下几百米深度范围内的岩石圈层。具有 层状结构的地质体分布占岩石总分布面积的7 5 9 6 强。层状地质体具有水平岩 层、倾斜岩层、直立岩层和倒转岩层等四种不同的典型产状。地质体的原始产 状大多是水平或接近水平的，在未受侵蚀或侵蚀不深的情况下，岩层按照新老 顺序排列。水平岩层和倾斜岩层分布最为广泛，也是建立三维地质体模型的基 础。直立岩层层面与水平面直交或近于直交，倒转岩层指新老岩层顺序倒转形 成的地质现象。对于直立岩层建立三维地质体模型时一般不能采用与水平岩层 和倾斜岩层一致的方法。倒转岩层可以拆分为直立岩层和水平岩层、倾斜岩层 分别进行处理。断层( 岩块沿着断裂面有明显位移的断裂构造) 的上下盘的相 当点有明显的位移，同一地层在断层上下盘上深度分布不连续，存在突变，在 地质体三维建模时需要对这些特殊构造做一些特殊处理。 2 2 地下三维研究现状 2 2 1 地质体三维模型和数据结构研究现状 地质体三维模型的各项研究在我国9 0 年代成为了研究焦点。构建三维模 型的方法可分为表面建模法和实体建模法两大类，其核心是数据结构。目前三 维地质体建模较典型的方法有规则网格法、t i n 表面法、四面体法等；此外， 李青元等( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 讨论了单一体划分下的三维矢量结构g i s 概念模型和 拓扑关系，夏炎( 1 9 9 7 ) 提出三维空间数据结构一多面体编码方案。栅格模型的 主要优点是便于栅格属性估值，缺点是不能精确表达地质体的形态。线框模型 通常能够较好的模拟地质体的边界，但不能表达地质体的内部属性。实体模型 是20 世纪9 0 年代发展起来的一种新的三维数据模型，其典型代表为三维体 元模型。这种模型以任意形态的三维体元来划分地质体，体元不仅表示一个形 体，而且也表示封闭的体积以及形体中的地质属性特征。其缺点是缺乏实体之 7 首都师范人学硕j 二论文 地质体三维模型和数据结构的研究与实现 间、体元之间以及体元几何要素之间拓扑关系的表达，相邻边界需要重复数字 化。空间查询和分析功能很弱，而且操作繁琐。近年来，在三维数据模型方 面，不少学者进行了大量研究，提出了基于三维矢量图形化数据结构( 3 d f d s ) 的拓扑空间数据模型，基于四面体的三维数据模型，基于八叉树和四面体格网 的混合数据模型，基于点、边、环、面、体的三维矢量数据模型，矢量与栅格集 成的面向对象的三维空间数据模型，适合地勘工程的矢量与栅格集成的面向对 象的混合数据模型，整体数据模型，三棱柱模型和类三棱柱模型等。 三维数据结构一直是数据结构研究的重点，许多学者在这方面作了大量的 工作和努力。取得许多重要的进展。三维数据结构同二维一样，也存在栅格和 矢量两种形式。栅格结构将地理实体的三维空间分成细小的体元，地理实体的 位置由它们占据的行、列、深度来表示，栅格的属性则表达了这个位置的状态。 八叉树结构随分辨率的提高将成倍增加数据量，而且八叉树结构始终是一个 近似表示。矢量结构能够保存原始观测数据，具有精确地表示目标和较为复杂 的空间拓扑关系的能力。复杂地物( 目标地物) 可用充满空间的各种体域， 组成体域的曲面，构成曲面的边界环，组成环的弧，弧上的结点来描述。体域 是目标实体的基本构成。认为任何复杂的实体都是由体域( 自然的或人工的) 构成的。体域、面、线、点域是一个动态的概念，在不同的比例尺或不同的研 究重点时可以相互转换。考虑保持拓扑信息的完整性、易扩展性，可以用以下 六组关系来g i s 三维矢量结构的空间拓扑关系。 a 目标地物一体关系：目标地物与组成其的体域。在该拓扑关系中加入对目 标地物属性的描述或指向属性记录文件的指针。 b 体一目标地物一曲面关系：体域与由其所构成的目标地物，体域与包围该 体域的曲面，以及与该体域相邻的体域。体拓扑结构中可加入对体域属性的描 述。 c 曲面一环一体域关系：曲面与组成曲面的环以及该曲面包围的体域( 正面 邻体) 和包围该曲面的外部体域( 负面邻体) 。一个曲面可能由若干个环构 成，其外环取正值，内环取负值。在曲面拓扑结构中加上若干值样条弧( 如等 高弧) 或插值函数，就可确定该曲面的空间形态。 d 环一弧一曲面关系：环与构成该环的弧以及该环所包围的内部曲面( 内邻 曲面) 和包围该环的外部曲面( 外邻曲面) 。 首都师范大学硕j ：论文地质体三雏模型和数据结构的研究与实现 e 弧一结点一环的关系：弧与该弧的起结点、终点及包含该弧的环。环有正 负之分，环方向与弧的方向一致时，取正号：反之取负号。在弧拓扑结构中加 一系列坐标串，可确定该弧的形态。 f 结点一弧的关系：结点及从该结点出发的离开弧段和以该结点为终点的到 达弧段。 尽管许多学者在这些数据结构作了很多改进，但其适用于三维地质体仍然有许 多不足，近些年，混合数据结构得到了深入研究，对比其他的数据结构，它可 以根据需要截长补短，以更好的支持三维地质体的数字化。李清泉和李德仁提 出了一种八叉数和四面体相结合的混合数据结构。在混合结构中。八叉树作整 体描述，四面体格网作局部描述。混合数据结构的实现增加了数据结构的灵活 性。在许多场合对提高表示精度，减少数据量十分有益。同时单一的八叉树结 构或四面体格网可以看成是混合结构的两个特例。当然混合数据结构还有很多 种组成方法，具体而言可以因研究对象性质的改变而采用合适的混合方法。 2 2 2 地质体三维可视化研究现状 从8 0 年代末以来，随着计算机技术的飞速发展和计算机图形学理论的日 渐完善，地学领域的三维可视化问题已成为当前数学地质、石油勘探、水电勘 察、岩土工程与科学计算可视化领域的研究与应用热点之一。这些领域的科学 家几乎同时对这一问题展开了研究，特别是地学领域的专家对三维g i s 的研究 成果和计算机领域的专家利用科学计算可视化技术解决这一问题的努力。 在国外：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 l a 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；该 公司另外又推出了i e m s 系统，该系统首先利用g i p s i e 软件进行三维空间数 据内插，再用n u r b s 生成不同层次的表面，最后通过一个层的上、下两个表面 来构造对象的体模型。它能够表示复杂的几何对象，可对复杂表面和一个平面 进行相交处理。系统在地质构造的表达描述上有较大优势。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 ( 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，其建模过程 是先取某一物理特征值的若干散乱数据点，据此计算出一个三维网格，此网格 表示该物理性质在三维空间的分布模型，该软件已成功地用于油田渗透率分布 首都师范大学硕士论文地质体三维模型和数据结构的研究与实现 的研究，地下含水层中污染情况的监测，地球大气中臭氧浓度、海洋中盐度与 温度的分布研究；此外，该软件还可用于进行地学三维几何联系和特征联系的 研究。系统长于对三维空间中属性连续变化的各种现象，如；温度、浓度等进 行建模、显示和分析，对三维空间中属性值不连续变化的对象，如：矿石类型 等的表示和处理有一定的困难。公司的另一地学三维可视软件地球可视模拟系 统( e a r t hv i s i o nm o d e l l i n gs y s t e m ) 所生成的三维空间立体图形可以清楚 地反映地层与地质结构的空间分布及其相互关系，以此揭示岩体中结构面的发 育与分布规律。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 c g 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。它采用“地理细胞网”技 术，首先将2 d 格网输入到用户定义的地层框架模型( s t r a t i g r a p h i cf r a m e w o r k m o d e l ) ，由输入的格网定义连续的边界，然后用户根据需要确定在每个序列中 需要多少层来描述地层结构，再将钻孔数据输入s g m ，钻孔模型在每一个钻孔 位置对地层格网采样，并确定各层与钻孔的交点，钻孔模型的形成是在每一个 钻孔以一定的间隔内插一个属性值，属性模型是将同一层内的钻孔之间的属性 进行内插，得到每一个分块的属性值。系统的特点是：用户可以根据地层的边 界准确描述地质构造和分散内插的属性值；每个格网可存储1 0 0 项属性；滤波 功能使得属性模型中的属性值平滑。系统的不足之处是：只针对钻孔数据，强 调数据分层，对于不能分层的连续变化现象的数据的处理有困难。加拿大l y n x g e o s y s t e m 公司开发的l y n x 软件采用棱柱体元法建模，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。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， 于1 9 9 8 年推出了三维地球模拟软件( 3 de a r t hm o d e l i n g ) ，该软件可以进行 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，主要应用于矿业环境管理、 三维空间信息管理、模拟与可视化。除此以外，国外比较著名的地学三维软件 还有：法国的g o c a d 软件，澳大利亚的d a t a m i n e 软件等。 在国内：关于地下体三维信息的可视化研究方面，受多种原因( 如：硬件 和人才培养等因素) 的影响，长期以来我国的地质工程师大多是从二维上对地 首都师范大学硕士论文地质体三维模型和数捌结构的研究与实现 质体进行分析与研究，对三维空间地学模型及其可视化研究的相对较少，2 0 世纪9 0 年代以后，研究水平进步较快，如：陈昌彦、张菊明等于1 9 9 7 年研制 了“边坡工程地质信息的三维可视化”系统“；柴贺军等于2 0 0 1 年结合水电 工程研制了岩体结构三维模型软件。1 ：西北大学体视化研究所研制了“地质地 层模型系统”；中国地质大学数学地质与遥感地质研究所研制了“地质岩层真 三维分析系统”；中国科学院武汉岩土力学研究所的王笑海、白世伟等进行了 基于三维拓扑格网结构的g i s 地层模型研究1 ；吉林大学地学信息研究所孙 运生教授等完成的中国大陆岩石圈地学断面地理信息系统；中国煤田地质总局 地球物理勘探研究院对煤田地质信息的三维可视化研究；中国地质科学研究院 等多家单位联合承担的“九五”国家科技攻关项目“阿舍勒铜锌矿床深部及 外围隐伏矿的三维定位研究”：大庆勘探开发研究院开发了地质数据可视化系 统等。此外，李青元( 1 9 9 5 ) 、夏炎( 1 9 9 7 ) 、张剑秋( 1 9 9 8 ) 、徐永安( 1 9 9 9 ) 、 郭达志( 2 0 0 0 ) 、方金云( 2 0 0 0 ) 、毛善君( 2 0 0 1 ) 、沈大勇( 2 0 0 1 ) 、程朋根( 2 0 0 1 ) 等专家学者也分别在不同的应用领域从不同的角度对地下体三维信息的可视 化进行了许多的探索研究n “。 首都师范人学硕士论文地质体三维模型和数据结构的研究与实现 第三章地下三维地质体可视化系统设计 可视化软件分为三类：可视化开发子程序库、专用可视化工具和通用可视 化系统。”。可视化子程序库是面向开发的可视化工具，具有良好的灵活性，用 户可以控制各部分功能，但是需要编写应用程序代码，如o p e n g l 、i d l 与v t k 等；专用可视化工具是针对某一特定领域的可视化工具，不需要编程，性能优 越，但是缺少一定的灵活性，如n a s aa m e s ，f a s t ，i v m ，v o x e l v i e w ，d a t a v i s u a l i z e r ，s u n v i s i o n 和p v w a v e 等；通用可视化工具大多基于数据流，用 户通过交互将各模块用数据通道( d a t a c h a n n e l ) 方式组合起来，然后加以运 行，实现可视化，它也不必编程，且具有开放性、通用性，但难以提供足够的 模块支持众多的领域，应用有一定的限制。如a v s ，a p e 和i r i se x p l o r e r 等。 地质体的三维可视化国外也有比较成熟的应用。目前，能够建立三维地质模型 的软件就有v u l c a n 、l y n x 、d a t a m i n e 、s u r p a c 等。这些软件在地质建模方面 所采用的数据模型主要有基于体划分的三维栅格模型、线框模型、实体模型和 基于表面划分的不规则三角网模型、格网模型等。 3 1 系统开发的技术背景 1 o p e n g l 简介 o p e n g l 是由s g i 公司于1 9 9 2 年7 月发布的三维图形编程接口，目前已经 成为国际上通用的开发式三维图形标准。o p e n g l 规范由a r b ( o p e n g l a r c h i t e c t u r e r e v i e wb o a r d ) 负责管理，充分保证了它的独立性、开放性、 前瞻性和跨平台性；同时c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等在计算机界具有 主导作用的公司纷纷采用o p e n g l 图形的国际标准，各种游戏加速卡、专用加 速部件