基于IDL的地層三維可視化

趙 潔，奚硯濤，趙 冉

（1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州221008；2.南京農業大學農學院,江蘇南京210095)

基于IDL的地層三維可視化

趙 潔1，奚硯濤1，趙 冉2

（1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州221008；2.南京農業大學農學院,江蘇南京210095)

以鉆孔資料為源數據，利用克里格為插值方法，生成了相關地層的規則網格數據，并基于IDL實現了地層三維的可視化，并運用了光度學、色度學的算法實現視覺效果，引入了消隱、光照模型、顏色模型等技術，增強了地層可視化的仿真效果。利用本系統，可實現實時放大、縮小、旋轉、平移并對每一個地層表面調色等功能，使得難以觀察的地層可以逼真的展現在人們面前，提高了人們對地層的認知能力。

交互式數據語言;地層;三維可視化

隨著計算機技術、地理信息系統技術的發展，地層的三維可視化已成為一個熱門的研究課題。三維地層顯示和分析是綜合利用數學、力學、巖土工程和計算機圖形學知識的一項新技術，是地下空間信息化開發的基礎[1]。

可視化是用于描述對模型或數據進行一定處理后將其結果顯示在計算機屏幕上的過程。對于可視化的分類，不同的應用領域有很大的不同，計算機圖形學對此一般稱為科學計算可視化，它指運用計算機圖形學和圖像處理技術將科學計算的結果及過程用圖像或圖形的形式顯示在屏幕上并進行交互處理的理論技術和方法，是在計算機圖形學的基礎上發展起來的一門新興學科[2、3]。可視化技術作為計算機圖形學的前身，今天已經發展成為研究用戶界面、數據表示、處理算法、顯示方式等一系列問題的一個綜合性學科[4]?？梢暬夹g使得人們不再為抽象分析大量的數據而煩惱，從而縮短研究周期，提高研究效率。因此，可視化已經成為人們分析自然現象、社會經濟發展形勢、認識客觀事物本質和變化規律的得力助手，是人們理解復雜現象和大規模數據的重要工具[5～7]。

目前在這個領域的研究已取得一定成果，但仍缺乏更深入的研究，本文主要在地層的可視化方面著重進行研究，在IDL開發平臺上讓地層的信息更好的展現在用戶面前。

1 I D L簡介

IDL(InteractiveData Language)交互式數據語言是Research Systems公司推出的進行二維及多維數據可視化分析和應用系統開發的理想軟件工具。IDL致力于科學數據的可視化和分析，開發后的系統具有跨平臺運行的優勢。它集可視、交互分析、大型商業開發為一體，為用戶提供了完善、靈活、有效的開發環境[8]。

通過了解IDL語言的主要特點、應用領域以及對比目前常用的可視化開發工具的優缺點，認為IDL處理大數據、支持多種建模方法的能力是其他開發工具所不能比擬的，它更適合于地質建模，所以最終選用IDL開發環境作為系統的開發平臺。

2 地層三維可視化

首先是數據的準備，包括鉆孔的坐標，上下底板的高度，地層的巖性等數據；再對數據進行整理，建立包括地層空間及屬性信息的信息表；接著建立相應模型（包括單層及多層 DEM），通過編寫代碼建立相應顏色表、光源、坐標軸等實現地層的三維可視化。主要技術路線如圖1所示。

圖1 基于IDL的地層三維可視化技術流程圖

2.1 數據收集及預處理

本文主要應用的是鉆孔數據，鉆孔數據是地下三維可視化模型系統中最基本的一種數據，鉆孔數據主要來源于地質勘探和井下掘進等工程，它包含了鉆孔相關的所有信息。主要是對原始數據進行過濾，剔除數據中己經發現或可能出現的粗差，并進行必要的修改、調整、附加一些標記等。當數據分布過于稀疏而有可能影響可視化效果時，需要進行有效的插值加密處理。

2.2 生成DEM數據

如何將這些鉆孔連接起來，需要對鉆孔間進行內插，所用到的方法即空間插值。本文所用的插值工具是Surfer軟件。Surfer軟件是美國Golden Softwant公司生產的繪制等值線圖和三維地形立體圖的軟件。它功能強大，能迅速地將離散的測量數據通過插值轉換為連續的數據曲面，作為地理(或地質)的宏觀分析者或制圖工作者來說，能有一種很方便生成二維、三維地形圖的軟件是很有必要的。

利用Surfer軟件，通過建立鉆孔數據的X、Y、Z空間坐標數據庫，再通過克里金空間插值，可以很容易地生成名為GRD的網格文件，從而顯示簡單的單層等值線圖。將單層DEM統一到同一個坐標系統，實現對地層的表面模型DEM的疊加顯示。

2.3 建立相應顏色表、光源及坐標軸

為了使地層信息能夠更直觀逼真地表達，在編寫的IDL程序中創建相應顏色表對應的主要函數語法形式為：

3 系統界面及功能

系統在設計與實現過程中，發揮了IDL面向對象、圖形處理技術等方面的強大優勢，為用戶提供了一個簡單友好的人機交互操作界面。本系統的界面、菜單和工具條比較簡單，易于操作。圖 2為以濟寧三號井鉆孔數據為例實現的部分地層表面模型圖。

圖2 地層表面模型圖

系統主要功能為地層的三維顯示，并能通過平移、縮放、旋轉等功能看到采樣數據的信息，可對不同的地層設置不同的顏色，實現了地層的三維可視化。在地質勘探時就可以根據這個系統來顯示當前位置地面以下各地層的預測地層性質和分布深度情況，即每個地層分界面的高程值，從而為項目選址、資源勘探等提供決策依據。

4 結 語

系統基于IDL實現了地層的三維可視化，作者以濟寧三號井鉆孔數據為例驗證了本方法和技術路線的合理性及可行性。但本系統也存在著不足之處，比如地學上的特殊地質構造是很復雜的，本文本著將復雜問題簡單化的思路，比如說用單值曲面對地層面進行模擬，盡管模擬方法得出了其預想結果，但仍是不很成熟和單一的。對建立具有復雜關系的斷層模型還需要進一步的提高建模技術的先進性和精確性。由于三維地層可視化系統的研究與開發尚處于起步和探索階段，其理論和方法還不太成熟和完善，而且涉及的學科范圍比較廣，因此在還有許多問題仍有待于深入研究。

[1] 周翠英，董立國，陳恒，等.重大工程三維地層分析的功能設計與實現[J].中山大學學 報：自然科學版,2006,45(4):39-43

[2] 唐澤圣,孫延奎,鄧俊輝.科學計算可視化理論與應用研究進展[J].清華大學學報：自然科學版,2001,41(4):48-59

[3] 唐伏良,張向明,茅及愚，等.科學計算可視化的研究現狀和發展趨勢[J].計算機應用,1997,17(3):8-10

[4] Edsall R M,Harmwer M,Mennis J L.Tools for Visualizing Properties of Spatial and Temporal Periodieity in Geographic Data [J].Computers&Geosciences,2000,26(l):109-118

[5] 戴廣宏,科學計算可視化的研究與應用[J].地球物理學進展, 1997,(l):109-112

[6] 唐衛清,劉慎權,余盛明,等.科學計算可視化[J].軟件世界,1996 (5)：74-77

[7] 劉勇奎，周曉敏.虛擬現實技術和科學計算可視化[J].中國圖像圖形學報,2000,5(9):795-798

[8] 秦光宇,鐘寶榮.基于Web的二維GIS的設計與實現[J].微計算機信息(測控自動化),2003,19(11):103-104

3D Visualization for Strata Based on IDL

ZHAO Jie1,XI Yantao1，ZHAO Ran2
(1.School of Resource and Geosciences,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.College of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Taking borehole data as source data,we generated regular grid data of relevant strata using Kriging interpolation method in this paper.3D visualization of specific strata is realized based on IDL.At the same time we also use algorithms of photometry and colorimetry to achieve visual effects.In order to enhance the photorealistic of strata visualization,some technologies were adopted suchasblanking,illuminationmodel,colormodel,etc..Thesystem functions include real-time zoom ing-in,zooming-out,rotating,panning and painting any surface of strata.The strata whicharehard to observedirectly in thepastcan be vividly displayed via this system, and the recognitionability of strata w ill be improved.

interactive data language;strata;3D visualization

2009-10-21

項目來源：中國礦業大學青年科研基金資助項目（2006A018）。

P208

B

1672-4623(2010)02-0121-03

趙潔，碩士，主要研究方向為地圖學與地理信息系統。