面向地质勘查的三维可视化系统研制与开发

论文摘要

我国是矿产资源相对短缺的国家。近年来,随着国民经济持续快速发展,各种重要矿产资源的消耗量大幅增加,资源约束已成为影响我国经济社会发展的主要瓶颈。因此,加强矿产资源的勘查开发,提高国内对重要矿产资源的保障能力已成为刻不容缓的任务。地质勘查作为一项前期性、基础性工作,在资源勘查开发中扮演一个非常重要的角色。因此,深入研究如何在新的科技环境下实现地质勘查工作的数字化、信息化、现代化发展具有重要的现实意义。近年来,许多新技术新方法被引入地质勘查中,包括现代遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术、虚拟现实技术、科学计算可视化技术等,极大地推动了地质勘查数字化、信息化和现代化进程。尽管如此,在地质勘查工作中依然有许多新的情况和问题需要去解决。譬如,我国西部一些高原地区自然环境恶劣、山高路险、交通不便,有些地区人车根本无法到达,地质勘查工作开展十分困难,需要创造性地综合应用3S技术、图形图像处理技术、三维可视化与信息分析技术等高科技手段去弥补传统地质勘查方法的不足;再如,在地质(矿)勘查中,地质工作者希望能够恢复出地表以下地质体的结构、形态特征及其空间展布,并能够以可视化的分析手段对场区的地质构造、矿体等进行动态的、定量的深层次的分析和理解。鉴于此,本论文以地质勘查中地表地形信息和地下地质体信息的三维可视化与分析作为技术突破口,综合应用3S技术、软件开发技术、三维可视化与信息分析技术,研制开发出了服务于地质勘查的三维可视化与分析系统。论文的研究工作在技术方法和有关理论方面取得了以下明显进展和创新成果:(1)成功地研制开发了具有自主知识版权的地质勘查三维可视化与分析系统。系统由两个并行的子系统构成,即地表地形三维可视化系统和地下地质体三维可视化与分析系统,分别实现勘查工作中地形(地貌)信息的三维可视化和地下地质体的三维可视化与分析。(2)地形三维可视化系统采用分治算法与三角网生长法相结合的方法生成Delaunay三角网,构建地形TIN模型,有效地减少了系统开销,加速了处理过程,可以实现大规模的地形建模。(3)地形三维可视化系统对Quadtree LOD算法和ROAM LOD算法进行了改进,实现了地形模型的实时简化与多分辨率表示。通过视相关LOD地形简化、可见性剔除,地形绘制得到加速,用户可以实时交互地进行三维景观漫游和多控制方式的模拟飞行。(4)地形三维可视化系统采用遥感影像作为纹理,将平面的遥感影像投射到三维空间,拓展了人们的观测视野和思维空间,可以协助地质工作者生动、直观地进行场区的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息的提取和综合评价。(5)地下地质体三维可视化与分析系统采用广义三棱柱(GTP)作为基本体元,基于一种新的广义三棱柱生长算法实现了复杂地质条件下的三维地质建模,可以处理地层缺失、尖灭、透镜体、正断层/逆断层等复杂地质情况。算法中还提出了控制性虚拟钻孔链的概念,通过带约束的Delaunay剖分维护虚拟钻孔链的完整性,实现复杂地质体建模。(6)针对地质钻孔成本高,在一个研究区域内通常无法获得足够多的钻孔数据,而且有限的数据往往还呈不规则分布的这一情况,地质体三维可视化与分析系统采用了一种新的钻孔加密算法,该算法可实现钻孔的插值加密,从而形成更为密集的钻孔数据集,为模型优化创造条件。(7)地质体三维可视化与分析系统在吸收前人有关棱柱体三维空间切割算法、剖面生成算法、三维空间交互技术等研究成果的基础上,采用面向对象的软件开发思想,编程实现了丰富的地质体三维可视化与分析功能,实现了三维地质模型的缩放、漫游、剖切、开挖、透明度调整、揭层操作、栅栏图生成等操作。论文的研究工作初步实现了地质勘查中地表地形信息与地下地质体信息的三维可视化与分析,这对于地质勘查工作信息化、定量化和提高工作效率具有重要意义。之于地上,地形信息三维可视化可以拓展人们的观测视野和思维空间,以遥感影像为纹理,可以创造出一种让人身临其境般的虚拟环境,地质工作者可以生动、直观地进行场区的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息的提取和综合评价,这对那些自然环境恶劣、山高路险、交通不便,地质勘查开展十分困难的区域意义尤为重要;之于地下,地质体信息三维可视化可以恢复出地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布,帮助地质工作者对场区的地质构造进行深入的观察和分析。通过可视化的分析手段,地质工作者可以进一步地详细研究地质目标,对其进行缩放、漫游、剖切、揭层、虚拟挖掘、栅栏图生成等操作,了解其内部的细节信息以及与周边地质环境之间的关系,为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供强有力的支持。三维可视化与分析技术还可以增强地质勘查成果的直观性、生动性和可读性,摆脱传统地质勘查成果表现形式单一的局面,也间接消除了地质勘查成果在不同行业领域间的共享使用障碍;此外,在地质勘查中将三维可视化技术与其他相关空间信息技术(如遥感)相结合,可以更加自然、平滑地消除地质工作者在这些新技术新方法方面的知识瓶颈,加深理解与掌握,推动新技术新方法在基层的普及,促进地质勘查的数字化、信息化、现代化发展。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据及意义
• 1.2 国内外相关研究现状及趋势
• 1.2.1 地形三维可视化的研究现状
• 1.2.2 地质体三维建模与可视化的研究现状
• 1.3 研究内容与创新
• 1.4 研究思路与论文结构
• 第二章 三维地形建模与可视化研究
• 2.1 地形三维可视化研究
• 2.2 三维地形建模
• 2.2.1 三维地形建模技术分类
• 2.2.1.1 基于真实数据的地形建模技术
• 2.2.1.2 基于分形技术的地形建模技术
• 2.2.1.3 基于数据拟合的地形建模技术
• 2.2.2 数字地形的表示
• 2.2.2.1 数字地形模型
• 2.2.2.2 数字高程模型
• 2.2.3 DEM的主要模型
• 2.2.3.1 规则格网模型
• 2.2.3.2 不规则三角网模型
• 2.2.3.3 不规则三角网和规则格网的比较
• 2.2.4 基于不规则三角网地形建模
• 2.2.4.1 Delaunay三角网（D-TIN）的定义与特性
• 2.2.4.2 点集的自适应分块处理
• 2.2.4.3 基于三角网生长法的Delaunay子三角网构建
• 2.2.4.4 Delaunay子三角网的合并
• 2.2.4.5 D-TIN模型的后期处理
• 2.3 三维地形简化与多分辨率表示
• 2.3.1 地形模型简化技术
• 2.3.2 四叉树（Quadtree）算法
• 2.3.2.1 基于四叉树算法的动态LOD建模
• 2.3.2.2 地形裂缝消除
• 2.3.2.3 地形节点的视景体可见性选择
• 2.3.2.4 实验结果
• 2.3.3 实时优化自适应网格（ROAM）算法的改进与实现
• 2.3.3.1 基本ROAM算法
• 2.3.3.2 ROAM算法地形节点视景体选择
• 2.3.3.3 ROAM算法的改进与实现
• 2.3.3.4 实验结果
• 第三章 真实感三维场景生成技术
• 3.1 天空生成技术
• 3.1.1 盒式天空
• 3.1.2 圆顶形天空
• 3.2 光照模型与材质
• 3.2.1 光照模型
• 3.2.2 材质
• 3.3 纹理映射
• 3.3.1 纹理坐标
• 3.3.2 单纹理映射与多重纹理映射
• 3.3.3 凹凸纹理映射
• 3.3.4 Mip-mapping纹理映射
• 3.4 自然景物模拟
• 3.4.1 过程纹理模型
• 3.4.2 分形理论算法模型
• 3.4.3 动态随机生长模型
• 第四章 地形三维可视化系统的设计与实现
• 4.1 开发背景
• 4.2 地形三维可视化系统需求分析
• 4.3 地形三维可视化系统的总体设计
• 4.3.1 系统体系结构
• 4.3.2 系统功能模块设计
• 4.3.3 系统界面设计
• 4.3.3 地形数据的组织存储与优化调度
• 4.4 地形三维可视化系统的编程实现
• 4.4.1 系统开发环境
• 4.4.2 系统相关数据结构定义
• 4.4.3 系统核心类设计
• 4.5 原型系统演示
• 4.5.1 系统界面介绍
• 4.5.2 功能演示
• 第五章 三维地质建模与可视化研究
• 5.1 地质体与三维空间建模
• 5.1.1 地质体的分类与描述
• 5.1.2 地质体的基本特征分析
• 5.1.3 三维地质建模数据来源与特点分析
• 5.1.4 三维地质建模的难点与关键技术问题分析
• 5.2 三维地质建模方法研究
• 5.2.1 三维地质建模方法概述
• 5.2.2 常见的三维地质建模算法及改进
• 5.2.2.1 多层DEM建模算法及改进
• 5.2.2.2 基于剖面重构的三维地质建模算法
• 5.2.2.3 基于不规则四面体的三维地质建模算法
• 5.2.3 现存建模方法的优缺点分析
• 5.3 基于广义三棱柱的复杂地质体三维建模
• 5.3.1 广义三棱柱数据模型与数据结构设计
• 5.3.1.1 广义三棱柱的构模原理
• 5.3.1.2 模型拓扑关系描述
• 5.3.1.3 模型数据结构设计
• 5.3.2 基于广义三棱柱的复杂地质体建模算法
• 5.3.2.1 钻孔数据的处理
• 5.3.2.2 复杂地质体的广义三棱柱建模算法
• 5.3.2.3 基于钻孔加密算法的模型优化
• 5.3.3 广义三棱柱切割算法
• 5.4 三维交互技术
• 5.4.1 屏幕拾取技术
• 5.4.2 三维跟踪球技术
• 第六章 地质体三维可视化与分析系统的设计与实现
• 6.1 系统设计目标
• 6.2 系统需求分析
• 6.2.1 功能需求分析
• 6.2.2 性能需求分析
• 6.3 系统设计与实现
• 6.3.1 系统开发环境
• 6.3.2 系统设计原则
• 6.3.3 系统体系结构
• 6.3.4 系统功能模块设计
• 6.4 系统功能演示
• 6.4.1 系统界面说明
• 6.4.2 三维可视化与分析功能
• 结论与展望
• （1） 论文工作总结
• （2） 后续工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在读期间的研究成果及发表论文