地质景观成因动态模拟与仿真过程的可视化及仿真动画

地质景观成因动态模拟与仿真过程的可视化及仿真动画

0维可视化及仿真动画技术。在地质景观中,三维可视化和模拟工程技术是地球信息表达的重要方法和热点技术之一。地质景观是在内、外动力地质作用下形成的,其成因和形态是复杂多变的,实现地质景观形成演化在时间尺度上进行模拟和仿真表达是很重要的。在地质景观成因模拟及地质灾害预测研究中,由于现有地质资料零乱、冗余和不一致性,且大多是以定性、二维、静态形式表达的,缺乏定量、三维和动态的形式表达。通过三维可视化及仿真动画技术,许多信息得到了有效组织和整合,建立起相互联系,在充分表达时间和空间尺度信息的基础上,以一种全新、直观和形象的视觉方式提供给用户使用,完全可以实现信息的三维动态表达。除此之外,以三维可视化与仿真动画软件——3DSMAX为例,利用该软件的“动力学对象”进行地质灾害方面的数值模拟,以及使用它提供的大量的动画选项和脚本开发出更高一级的动画控制,实现数据库系统和文件系统的链接,从而实现信息的定量表达。当前,使用该软件进行人为景观建模和动画制作居多,而进行地质景观的建模和仿真动画制作较少。本文利用3DSMAX对长白山火山1000a前爆发所形成的地质景观进行成因动态模拟与仿真研究,实现长白山火山景观信息的科学和立体表达,以期应用于科研、科普教育、环保和旅游资源开发等领域。1研究计划1.1火山主体形成机制地质研究表明,形成长白山火山主体地质地貌和环境的火山活动期主要有3期,55.1～21万a前的“白头山期”形成了长白山火山复式巨型火山锥主体,而在1000a前的“赤峰期”和“园池期”发生的大规模爆发加高了火山锥主体,产生的火山口壁坍塌形成破火山口,积水成湖形成现在所见到的天池火山口湖,同时产生了大量的火山碎屑流和火山泥流带。因此,根据以上3个火山活动期次的特点进行建模和制作动画。在“白头山期”,我们更注重火山主体的形成,即火山物质堆积加高火山锥体的动态过程;对“赤峰期”和“园池期”的爆发,更加强调规模性,通过模拟火山喷发柱的高度,喷发柱的垮塌,炽热而快速运移的火山碎屑流、泥流与所接触物质的强烈作用来表现该次爆发是距今2000a以来地球上规模和强度最大的一次火山爆发之一。1.2模型的建立与合成基于GIS平台,以1︰1万比例尺地形图作为高程数据源。在3DSMAX中建立各研究时期地下岩浆房、火山通道和地表火山主体的三维模型,在静态模型的基础上完成动态模型的制作,最后对生成的动画进行视频合成处理。采用自上而下的设计方法,设计工作流程如图1所示。2时间序列的主要建模2.1型钢火山锥体底部的玄武质岩石该期火山主体模型较为简单,长白山火山锥体尚未形成,在今天巨型火山锥体底部是比较平坦的玄武质熔岩台地。利用3DSMAX的“噪波”(Noise)修改工具,在所建立“平面”基础上修改生成“白头山期”前地表三维模型。2.2模型结构的相对重要性由于“赤峰期”、“园池期”和“白头山期”前地形、地貌已被之后喷发的火山物质所覆盖,对它们的建模只能通过已有资料推断当时的地形地貌。因为这2个时期天池火山锥体、熔岩高原及熔岩台地已形成,所以,1000a前的那次大爆发只是加高火山锥体、熔岩高原和熔岩台地的过程,只要将其变化部分从当前天池火山锥体模型(2.3节)中适量减去即可,而地表植被类型随高度分布的规律是不变的。另一方面,对于一个三维模型而言,人的视觉系统只是擅长比较模型之间的比例和相互位置,而不是模型的绝对尺度,所以,建模时需要控制模型的比例和位置关系的准确性。以天池火山口为中心,根据已有数据进行适当的推断和想象并结合模型简化的思想,建立了“赤峰期”和“园池期”前的长白山主体模型。2.3模型真实的增加根据地形数据生成地形晕渲图,在3DSMAX中创建模型,赋予所需材质,以增加模型的真实感。当然,也可以进行子物体贴图,将一些拍摄时角度良好的照片构成的贴图通过“复合材质”组织起来。选择“面”并结合“多重/次对象材质(Multi/Sub-Object)”,完成子物体贴图(图2)。2.4模型建立的关键根据“长白山各喷发玄武岩浆及粗面-碱流岩浆房形成剖面图”,来模拟火山通道和岩浆房的形态;模型建立的逼真程度关键在于已有数据表达的合理性和科学性。火山通道、岩浆房几何体与地层对象进行布尔减运算。建模的过程中,使用标尺对地下一定的深度进行量测,保证模型的各组成部分(火山通道、岩浆房、地层)比例和位置关系相互协调,与实际资料相符。2.5水体材质设置河流、湖泊三维模型的建立主要包括3方面的内容:①形态的正确性;②表面具有真实感;③随时间的变化性。本文按以上3方面建立了乘槎河和天池的三维动态模型。河流、湖泊是否具有真实感,关键要看水体材质能否正确设置。我们实现了乘槎河和天池的水体流动效果也是通过设置其材质来完成,通过设置材质的“主色贴图(DiffuseMap)”为“渐变贴图(GradientMap)”,“凹凸贴图(BumpMap)”为“噪波贴图(NoiseMap)”及“反射贴图(ReflectionMap)”为“光线跟踪贴图(RaytraceMap)”表现水体的自然视觉效果。除了用贴图表现大范围的地表植被景观外,对于近距离的场景需要单独建立植被个体模型。对常见的树种、草、花,可以使用已有植被模型库中的模型。对长白山特有的树种,如岳桦、红松和云杉等,采用外挂模块进行建模。3火山喷发压火的自然过程模拟动画制作的对象主要是所研究火山活动期内的长白山火山主体、地下火山通道和岩浆房的动态变化,以及少量位于熔岩高原和熔岩台地上的小火山锥体的简单喷发溢流过程。具体细化为以下6种动画制作:①长白山火山锥体的形成;②形成天池破火山口的3次火山口内壁坍塌;③地下岩浆房各喷发期次的动态演化(位置、成分);④火山喷发柱(高度、成分)变化及喷射岩浆、喷气、喷烟、喷灰效果;⑤火山喷发柱垮塌形成的火山碎屑流(灰云浪和底浪)运动;⑥火山泥流沿河谷凹地的运动(大量剥蚀地表物质)及爬坡。在3DSMAX中,对自然现象和过程的模拟和仿真,需要合理地选择动画制作方法,以上动画制作通过基础动画、变形动画、路径动画、材质动画、粒子系统、布尔动画、子物体动画、环境效果(燃烧效果、雾效果和体积光效果)以及动画制作后期的视频合成来完成。本文以地下岩浆运移、长白山火山锥体的形成以及地表岩浆的喷射和流动为例,说明基于火山动态模型的仿真动画制作过程。3.1“几何体大小参数动态修改”根据地质信息,本文确立了岩浆运移的模拟和仿真方案,即在计算机虚拟环境中,设置用于模拟岩浆的“粒子系统”的运动开始和结束时间,同时用“几何体大小参数动态修改”方法(也可以用几何体的熔化逆过程)动态改变岩浆房的大小,使岩浆房从无到有,动态膨胀收缩。当然,岩浆运移的通道也需要用这种方法模拟。需要说明的是,为了保证“粒子”在“地下通道”中运移,需要建立若干个“导向板”和“导向物体”,这样“粒子”便只会在岩壁之间的空隙中移动,而不会随便进入到岩体中。3.2“培养动画”的应用长白山火山锥体形成是一个动态变化的过程,具体表现在长白山火山口喷出物质不断加高火山锥体,本文采用“布尔动画”实现了这一过程。具体步骤是,首先对“白头山期”形成的火山锥体与自定义的柱体(其半径大小随时间帧的变化始终与火山口半径大小相等)进行“布尔减”运算,锥体减掉同一时期的柱体部分之后,产生更“早一时期”的锥体和火山口,从而实现了火山锥体动态加高过程(图3)。3.3使用粒子系统生成热压火山物质的喷射和运移模拟是火山形成、演化与爆发的计算机三维动态模拟与仿真的关键步骤。对于岩浆的建模和动画制作,其材质和运动性很重要。岩浆的炽热高温往往要通过其材质和适量的环境效果来表现,其粘稠度等流体特性要通过运动状态来体现,如酸性岩浆和基性岩浆、侵出岩浆和喷溢岩浆的运动状态均有所不同。通过建立几种不同形态的岩浆材质,将它们用于火山岩浆的模拟和仿真,取得了良好的效果。在使用粒子系统实现岩浆流动与喷溢时,需要注意的是粒子参数输入要合理,即表现出熔岩流呈液体状,这便需要将粒子类型修改为“Triangle”类型。与此类似的是,火山碎屑流和火山泥流的运动性也可以通过“粒子系统”来表现,独特的材质效果和光热等环境效果,同样会使这2种火山流态物质看起来更逼真。4动画面质量的改善动画的后期制作内容包括使所录制的声音与后期预渲染输出的动画同步播出,对所得的动画画面进行加工处理,如有些画面不需要十分清晰,需要加上模糊效果。更重要的是,许多模型物体的效果,比如说岩浆的炽热效果,需要在后期制作时加上某种滤镜来实现。在改善画面质量的同时,后期制作还需要将已渲染输出的动画文件与预渲染输出的动画合并到一起,并实现其间的自然过渡。视频合成包括静态视频合成和动态视频合成,轨迹视图用来进行声音与后期预渲染输出动画画面的同步操作。在渲染时,设置“帧速”为自定义(Custom),修改“FPS(每秒帧数)”为30帧以形成电影效果,当然也可以产生一些“特写效果”,但必须要求每秒帧数至少为15帧,以保证生成的动画没有明显的停顿感。最终生成的动画文件可以独立在微机上播放,还可以转换成MPEG-1格式在VCD影碟机上播放,也可以成为重要的属性信息加入到电子地图中。5模拟和仿真相结合的火山现象在对长白山火山成因动态模拟和仿真的基础上,探讨了地质景观成因动态模拟和仿真的一般步骤、方法和技巧,其形成演化是可用仿真动画再现的时间序列,而该序列中的任何一个状态都是和其他状态密切相关的三维模型。更强调用3DSMAX进行视觉上的模拟,通过对火山形成、演化和爆发模拟和仿真产生近真实的视觉效果,来表现火山实体及火山现象的定性、半定量乃至定量信息。另一方面,也可采用单独的实体(真三维)模型,来突出更强调实体内部信息的火山地质体,实现实时动画、剖切和各种属性查询操作,并将操作的结果用3DSMAX的视频合成工具合