地质体三维建模与可视化技术研究

论文摘要

传统地质信息的模拟与表达主要采用平面图、剖面图及3D透视制图等方式,不能很好地表达复杂的自然地质现象,使人们难以直接、完整、准确地理解和感受地下的地质构造情况,不能满足工程技术人员对空间分析的需求。3D地学模拟系统(3D Geosciences Modeling System,3DGMS)正是针对传统的地质信息模拟与表达方法的不足和缺陷,借助于计算机和科学可视化技术,直接从3D数字空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。本文所指的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两千米深度范围内的岩石、矿物圈层。表达地质体的数据多种多样,来源广泛。充分利用已有的钻孔、巷道、物化探成果等地质资料,建立复杂而又不规则的地质体模型来实现地质体的三维重建和可视化,能使我们充分认识地学规律和矿体的空间分布规律,从而制定客观、科学的勘探、采掘方案,减少安全隐患,同时又为经济找矿、采矿找到了捷径。地质体三维可视化建模就是运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达,并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行真三维再现和可视化交互的科学与技术,它实际上是一种2.5D的数字高程建模。本文以煤层的底板等高线数据为基础,以层状地质体的三维建模与可视化的研究与应用为主线,详细研究了三维空间数据模型、Delaunay不规则三角网各种生成算法、几种三维可视化的实现工具,给出了构建地质体三维可视化系统的思路和过程,开发了地质体三维建模与可视化实验系统,最后以某矿真实的煤层底板等高线数据为例,对实验系统进行了测试。主要的研究结论如下:(1)通过对三维空间数据模型的研究发现,TIN模型能以较少的数据量表达模型,克服了模型平坦区域的数据冗余,又避免了采用Grid模型所需的数据内插操作,较好地顾及模型特征,逼真地表示模型的高低起伏变化,因此选用TIN法进行地质体三维模型的构建。(2)通过对逐点插入法等4种TIN构建算法进行比较分析,认为三角形生长法思路较为简单,占用内存相对较小,空间性能较好,并且容易操作及实现,因此采用三角形生长法,设计相应的数据结构进行TIN三角网的构建。(3)经过与Direct3D、VRML及Java3D等三种可视化实现工具综合比较,认为利用OpenGL图形库函数进行地质体三维模型的可视化具有不可比拟的优点。(4)采用VB 6.0语言编写代码,借助OpenGL图形库函数编程开发了基于煤层底板等高线的地质体三维建模与可视化实验系统,整个系统功能分为三大模块:数字高程离散点提取(生成)模块、离散点构建Delaunay不规则三角网模块、OpenGL三维显示模块。(5)为了测试开发的地质体三维建模与可视化实验系统的实用性,本文以山东某矿2号煤层底板等高线图为例,对实验系统进行了测试。通过测试所开发的实验系统的实用性,证明本文所提出的地质体三维建模和可视化实现方法是切实可行的。地质体三维建模与可视化技术是涉及勘探地质学、地球物理、矿山测量、GIS、图形图像学、科学可视化等多个学科交叉的新型学科和技术。本文所提出的地质体三维建模和可视化实现方法具有一定的可行性和独特性,为进一步开发大型地质体三维可视化软件提供了有益的启示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 可视化有关概念
• 1.2.1 可视化的科学概念
• 1.2.2 科学计算可视化
• 1.2.3 信息可视化
• 1.3 地学信息可视化
• 1.3.1 地图可视化
• 1.3.2 地理可视化
• 1.3.3 GIS可视化
• 1.3.4 专业应用领域可视化
• 1.4 地质体三维建模与可视化研究现状
• 1.4.1 3D GIS与3D GMS之比较
• 1.4.2 基础理论研究现状
• 1.4.3 软件研究现状
• 1.5 研究内容与组织结构
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 组织结构
• 第2章 地质体的三维空间建模原理
• 2.1 地质体概念模型
• 2.1.1 地层
• 2.1.2 地质构造
• 2.2 表达地质体特征的原始数据
• 2.2.1 原始数据的类型
• 2.2.2 原始数据的获取
• 2.3 地质体的空间表示方法
• 2.3.1 空间维数分析
• 2.3.2 空间建模技术分类
• 2.4 3D空间建模原理
• 2.4.1 基于面模型的准3D建模
• 2.4.2 基于体模型的真3D空间建模
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于底板等高线和TIN的建模方法
• 3.1 DELAUNAY三角网及其特性
• 3.1.1 Voronoi图与Delaunay三角网的定义
• 3.1.2 Delaunay三角剖分
• 3.2 DELAUNAYTIN构建算法
• 3.2.1 基于最小生成树的D-TIN直接算法
• 3.2.2 CD-TIN算法
• 3.3 基于离散点的DELAUNAY三角网构建算法
• 3.4 基于等高线构 TIN的一般算法
• 3.5 基于煤层底板等高线的构 TIN算法
• 3.5.1 建模流程
• 3.5.2 三角网生长法的数据结构
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维可视化实现技术与方法研究
• 4.1 几种三维可视化技术比较
• 4.1.1 开放式图形库OpenGL
• 4.1.2 Direct3D技术
• 4.1.3 Java3D技术
• 4.1.4 VRML技术
• 4.2 三维可视化实现技术的选取
• 4.3 OpenGL概述
• 4.3.1 OpenGL基本理解
• 4.3.2 OpenGL的体系结构
• 4.3.3 OpenGL的工作流程
• 4.3.4 OpenGL的基本图形功能
• 4.4 可视化开发工具的选择
• 4.5 VB环境下开发 OpenGL程序的步骤
• 4.5.1 OpenGL图形库的调用
• 4.5.2 窗口的初始化
• 4.5.3 构造几何图元
• 4.5.4 OpenGL颜色模式
• 4.5.5 光照和色彩定义
• 4.5.6 纹理映射的使用
• 4.6 本章小结
• 第5章 地质体三维可视化系统的设计与实践
• 5.1 三维可视化系统简介
• 5.1.1 系统开发环境
• 5.1.2 系统设计
• 5.2 系统应用实例测试分析
• 5.2.1 2 号煤层地质概况
• 5.2.2 三维可视化流程
• 5.2.3 可视化效果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果