基于OpenGL的地質(zhì)三維可視化研究

封靈

摘 要：將可視化的圖形軟件OpenGL應(yīng)用到地質(zhì)行業(yè)中，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的處理、Kriging插值等，利用Visual C++語言環(huán)境，完成OpenGL模型的映射，經(jīng)過圖像的增強(qiáng)和完善，構(gòu)建一種三維可視化模型。

關(guān)鍵詞：OpenGL；地質(zhì)；三維可視化

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

三維可視化是一種被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)和地球物理研究中的可以將各種地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)特征立體地、形象地描述和顯示的一種解釋工具。OpenGL則是應(yīng)用最為廣泛的、功能強(qiáng)大的、使用方便的開放圖形庫。在地質(zhì)方面的研究中，有TIN模型、曲面近似模型、和三維軟件等繪制方法，其中，OpenGL是較為常見的三維繪制方法。本文關(guān)于地質(zhì)三維可視化的研究是以O(shè)penGL為基礎(chǔ)，進(jìn)行地質(zhì)三維可視化的研究，可以直觀地表現(xiàn)地質(zhì)狀況，為地下空間的合理開發(fā)利用提供了有效的技術(shù)支持。

2 OpenGL框架與原理

OpenGL（Open Graphics Library）有美國SGI公司研發(fā)的三維圖形庫，是一種可以生成二維和三維圖像的抽象應(yīng)用程序接口（API），可以從點(diǎn)、線、面等三個(gè)角度構(gòu)建二維物體和三維物體模型，同時(shí)還兼有變換、光照、色彩、動(dòng)畫、紋理映射等模塊處理影像。OpenGL有很著跨平臺(tái)、應(yīng)用廣泛、高質(zhì)量、高性能以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，此外，最大的特點(diǎn)是與硬件系統(tǒng)無關(guān)。

OpenGL從指定頂點(diǎn)開始，將點(diǎn)、線、圖像等基本幾何圖元構(gòu)建可以通過數(shù)學(xué)描述的三維模型，利用程序、紋理和光照等條件完成色彩的填充，然后通過光柵化將模型中的顏色轉(zhuǎn)換為圖像像素，最后把像素值寫入幀緩沖區(qū)。

3 地質(zhì)三維可視化模型的構(gòu)建

3.1 基本流程

基于OpenGL的地質(zhì)三維可視化模型是以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和參數(shù)的設(shè)置建立模型，利用OpenGL模型的映射過程，進(jìn)行渲染、投影變換、視口變換以及紋理映射等操作完成可視化。

3.2 模型的構(gòu)建

3.2.1 模型數(shù)據(jù)及處理

模型中需要實(shí)際鉆孔和一些經(jīng)過專家統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)值得到的虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)。水文地質(zhì)柱狀圖中需提供鉆孔坐標(biāo)、分層、地層單位、每層的巖性及其詳述和終孔深度等內(nèi)容。

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

將模型數(shù)據(jù)分析整理之后，繪制做空的平面二維和三維散點(diǎn)圖。然后通過網(wǎng)格化處理和Kriging插值方法，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過插值獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到多個(gè)DEM影像，可以顯示出三維空間的地層分布。

3.3.3 OpenGL實(shí)現(xiàn)地質(zhì)三維可視化

地質(zhì)三維數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是可視化過程中最為重要的步驟，影響著可視化的效果。模型的映射就是通過OpenGL模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把三維地質(zhì)模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基本幾何對(duì)象。渲染和模型變化過程可以增強(qiáng)可視化的效果。

3.3.4 Kriging誤差分析

Kriging誤差分析的計(jì)算方程式為：

（1）

通過變換可得到普通Kriging方差為：

（2）

可獲取每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的Kriging估值誤差：

（3）

偏差及平均值計(jì)算公式為：

ei=Zi-Zi* （4）

（5）

3.4 模型的構(gòu)建

按照面向?qū)ο笈c結(jié)構(gòu)化相結(jié)合、模型與可視化分離、界面友好等原則，利用Visual C++為計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)得到的3D圖像如圖1所示。

4 研究展望

在構(gòu)建地質(zhì)三維可視化模型的過程中，只利用了鉆孔數(shù)據(jù)以及虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)，所以，還需要提供更多的實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)來完善、補(bǔ)充模型的基本數(shù)據(jù)。在模型的構(gòu)建方面，可以利用多模型擬合處理，會(huì)互補(bǔ)模型中存在的弊端。

參考文獻(xiàn)

[1]劉敏鶯，黃文騫.基于OpenGL 的地形三維可視化[J].海洋測(cè)繪， 2002，22（02）：26-29.

[2]陳鋼花，鄭孝強(qiáng).基于OpenGL的三維可視化在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2005，28（06）：428-431.

[3]鄧寅生，曲鵬舉，龐玉娟.基于OpenGL的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（03）：225-226，254.

摘 要：將可視化的圖形軟件OpenGL應(yīng)用到地質(zhì)行業(yè)中，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的處理、Kriging插值等，利用Visual C++語言環(huán)境，完成OpenGL模型的映射，經(jīng)過圖像的增強(qiáng)和完善，構(gòu)建一種三維可視化模型。

關(guān)鍵詞：OpenGL；地質(zhì)；三維可視化

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

三維可視化是一種被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)和地球物理研究中的可以將各種地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)特征立體地、形象地描述和顯示的一種解釋工具。OpenGL則是應(yīng)用最為廣泛的、功能強(qiáng)大的、使用方便的開放圖形庫。在地質(zhì)方面的研究中，有TIN模型、曲面近似模型、和三維軟件等繪制方法，其中，OpenGL是較為常見的三維繪制方法。本文關(guān)于地質(zhì)三維可視化的研究是以O(shè)penGL為基礎(chǔ)，進(jìn)行地質(zhì)三維可視化的研究，可以直觀地表現(xiàn)地質(zhì)狀況，為地下空間的合理開發(fā)利用提供了有效的技術(shù)支持。

2 OpenGL框架與原理

OpenGL（Open Graphics Library）有美國SGI公司研發(fā)的三維圖形庫，是一種可以生成二維和三維圖像的抽象應(yīng)用程序接口（API），可以從點(diǎn)、線、面等三個(gè)角度構(gòu)建二維物體和三維物體模型，同時(shí)還兼有變換、光照、色彩、動(dòng)畫、紋理映射等模塊處理影像。OpenGL有很著跨平臺(tái)、應(yīng)用廣泛、高質(zhì)量、高性能以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，此外，最大的特點(diǎn)是與硬件系統(tǒng)無關(guān)。

OpenGL從指定頂點(diǎn)開始，將點(diǎn)、線、圖像等基本幾何圖元構(gòu)建可以通過數(shù)學(xué)描述的三維模型，利用程序、紋理和光照等條件完成色彩的填充，然后通過光柵化將模型中的顏色轉(zhuǎn)換為圖像像素，最后把像素值寫入幀緩沖區(qū)。

3 地質(zhì)三維可視化模型的構(gòu)建

3.1 基本流程

基于OpenGL的地質(zhì)三維可視化模型是以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和參數(shù)的設(shè)置建立模型，利用OpenGL模型的映射過程，進(jìn)行渲染、投影變換、視口變換以及紋理映射等操作完成可視化。

3.2 模型的構(gòu)建

3.2.1 模型數(shù)據(jù)及處理

模型中需要實(shí)際鉆孔和一些經(jīng)過專家統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)值得到的虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)。水文地質(zhì)柱狀圖中需提供鉆孔坐標(biāo)、分層、地層單位、每層的巖性及其詳述和終孔深度等內(nèi)容。

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

將模型數(shù)據(jù)分析整理之后，繪制做空的平面二維和三維散點(diǎn)圖。然后通過網(wǎng)格化處理和Kriging插值方法，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過插值獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到多個(gè)DEM影像，可以顯示出三維空間的地層分布。

3.3.3 OpenGL實(shí)現(xiàn)地質(zhì)三維可視化

地質(zhì)三維數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是可視化過程中最為重要的步驟，影響著可視化的效果。模型的映射就是通過OpenGL模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把三維地質(zhì)模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基本幾何對(duì)象。渲染和模型變化過程可以增強(qiáng)可視化的效果。

3.3.4 Kriging誤差分析

Kriging誤差分析的計(jì)算方程式為：

（1）

通過變換可得到普通Kriging方差為：

（2）

可獲取每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的Kriging估值誤差：

（3）

偏差及平均值計(jì)算公式為：

ei=Zi-Zi* （4）

（5）

3.4 模型的構(gòu)建

按照面向?qū)ο笈c結(jié)構(gòu)化相結(jié)合、模型與可視化分離、界面友好等原則，利用Visual C++為計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)得到的3D圖像如圖1所示。

4 研究展望

在構(gòu)建地質(zhì)三維可視化模型的過程中，只利用了鉆孔數(shù)據(jù)以及虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)，所以，還需要提供更多的實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)來完善、補(bǔ)充模型的基本數(shù)據(jù)。在模型的構(gòu)建方面，可以利用多模型擬合處理，會(huì)互補(bǔ)模型中存在的弊端。

參考文獻(xiàn)

[1]劉敏鶯，黃文騫.基于OpenGL 的地形三維可視化[J].海洋測(cè)繪， 2002，22（02）：26-29.

[2]陳鋼花，鄭孝強(qiáng).基于OpenGL的三維可視化在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2005，28（06）：428-431.

[3]鄧寅生，曲鵬舉，龐玉娟.基于OpenGL的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（03）：225-226，254.

摘 要：將可視化的圖形軟件OpenGL應(yīng)用到地質(zhì)行業(yè)中，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的處理、Kriging插值等，利用Visual C++語言環(huán)境，完成OpenGL模型的映射，經(jīng)過圖像的增強(qiáng)和完善，構(gòu)建一種三維可視化模型。

關(guān)鍵詞：OpenGL；地質(zhì)；三維可視化

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

三維可視化是一種被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)和地球物理研究中的可以將各種地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)特征立體地、形象地描述和顯示的一種解釋工具。OpenGL則是應(yīng)用最為廣泛的、功能強(qiáng)大的、使用方便的開放圖形庫。在地質(zhì)方面的研究中，有TIN模型、曲面近似模型、和三維軟件等繪制方法，其中，OpenGL是較為常見的三維繪制方法。本文關(guān)于地質(zhì)三維可視化的研究是以O(shè)penGL為基礎(chǔ)，進(jìn)行地質(zhì)三維可視化的研究，可以直觀地表現(xiàn)地質(zhì)狀況，為地下空間的合理開發(fā)利用提供了有效的技術(shù)支持。

2 OpenGL框架與原理

OpenGL（Open Graphics Library）有美國SGI公司研發(fā)的三維圖形庫，是一種可以生成二維和三維圖像的抽象應(yīng)用程序接口（API），可以從點(diǎn)、線、面等三個(gè)角度構(gòu)建二維物體和三維物體模型，同時(shí)還兼有變換、光照、色彩、動(dòng)畫、紋理映射等模塊處理影像。OpenGL有很著跨平臺(tái)、應(yīng)用廣泛、高質(zhì)量、高性能以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，此外，最大的特點(diǎn)是與硬件系統(tǒng)無關(guān)。

OpenGL從指定頂點(diǎn)開始，將點(diǎn)、線、圖像等基本幾何圖元構(gòu)建可以通過數(shù)學(xué)描述的三維模型，利用程序、紋理和光照等條件完成色彩的填充，然后通過光柵化將模型中的顏色轉(zhuǎn)換為圖像像素，最后把像素值寫入幀緩沖區(qū)。

3 地質(zhì)三維可視化模型的構(gòu)建

3.1 基本流程

基于OpenGL的地質(zhì)三維可視化模型是以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和參數(shù)的設(shè)置建立模型，利用OpenGL模型的映射過程，進(jìn)行渲染、投影變換、視口變換以及紋理映射等操作完成可視化。

3.2 模型的構(gòu)建

3.2.1 模型數(shù)據(jù)及處理

模型中需要實(shí)際鉆孔和一些經(jīng)過專家統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)值得到的虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)。水文地質(zhì)柱狀圖中需提供鉆孔坐標(biāo)、分層、地層單位、每層的巖性及其詳述和終孔深度等內(nèi)容。

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

將模型數(shù)據(jù)分析整理之后，繪制做空的平面二維和三維散點(diǎn)圖。然后通過網(wǎng)格化處理和Kriging插值方法，對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過插值獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到多個(gè)DEM影像，可以顯示出三維空間的地層分布。

3.3.3 OpenGL實(shí)現(xiàn)地質(zhì)三維可視化

地質(zhì)三維數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是可視化過程中最為重要的步驟，影響著可視化的效果。模型的映射就是通過OpenGL模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把三維地質(zhì)模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基本幾何對(duì)象。渲染和模型變化過程可以增強(qiáng)可視化的效果。

3.3.4 Kriging誤差分析

Kriging誤差分析的計(jì)算方程式為：

（1）

通過變換可得到普通Kriging方差為：

（2）

可獲取每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的Kriging估值誤差：

（3）

偏差及平均值計(jì)算公式為：

ei=Zi-Zi* （4）

（5）

3.4 模型的構(gòu)建

按照面向?qū)ο笈c結(jié)構(gòu)化相結(jié)合、模型與可視化分離、界面友好等原則，利用Visual C++為計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)得到的3D圖像如圖1所示。

4 研究展望

在構(gòu)建地質(zhì)三維可視化模型的過程中，只利用了鉆孔數(shù)據(jù)以及虛擬的鉆孔數(shù)據(jù)，所以，還需要提供更多的實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)來完善、補(bǔ)充模型的基本數(shù)據(jù)。在模型的構(gòu)建方面，可以利用多模型擬合處理，會(huì)互補(bǔ)模型中存在的弊端。

參考文獻(xiàn)

[1]劉敏鶯，黃文騫.基于OpenGL 的地形三維可視化[J].海洋測(cè)繪， 2002，22（02）：26-29.

[2]陳鋼花，鄭孝強(qiáng).基于OpenGL的三維可視化在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2005，28（06）：428-431.

[3]鄧寅生，曲鵬舉，龐玉娟.基于OpenGL的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（03）：225-226，254.