地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的屬性、分類和關(guān)鍵技術(shù)

【摘要】地質(zhì)災(zāi)害勘查治理和國防工程建設(shè)領(lǐng)域，有著廣泛的需求和應(yīng)用前景。其發(fā)展趨勢是實現(xiàn)地上、地下、地理、地質(zhì)數(shù)據(jù)一體化三維可視化采集、存儲、管理、處理和集成應(yīng)用。復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的表達和快速動態(tài)建模方法和技術(shù)，仍將是未來一段時間的研究重點，引進知識驅(qū)動和本體論思路、方法，可能是解決這些問題的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)三維可視化；三維地質(zhì)建模；表達可視化

1.地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的概念和屬性

地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化具有科學(xué)研究屬性的原因在于，地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程都不同程度地存在著結(jié)構(gòu)信息不完全、關(guān)系信息不完全、參數(shù)信息不完全和演化信息不完全的情況。通常，在地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)過程分析，地質(zhì)礦產(chǎn)資源評價和開發(fā)利用決策時，對于大量的不確定因素，要依靠技術(shù)人員或者領(lǐng)導(dǎo)者本身進行定性理解、定量估算和關(guān)系描述，并結(jié)合時空數(shù)據(jù)模型和時空分析模型來進行分析、預(yù)測、評估和輔助決策。從數(shù)學(xué)邏輯的角度看，這是一種半結(jié)構(gòu)化或不良結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化問題。經(jīng)驗表明，數(shù)據(jù)可視化是描述、表達和理解各種半結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化問題的關(guān)系和模型的最佳方法和手段。這也正是地礦研究與勘查成果總是用圖件形式來表達的原因。而對多維的地質(zhì)時空信息，僅僅有二維圖件是不夠的，需要實現(xiàn)三維建模與分析。地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的第二個屬性是空間決策支持。之所以如此，是因為地質(zhì)調(diào)查、工程勘查、礦產(chǎn)資源勘探的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用，最終要提交區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其演化、工程地質(zhì)條件和礦產(chǎn)資源可利用性評價成果，為資源的開發(fā)利用和重大工程建設(shè)提供多方案比較、選優(yōu)的決策支持，而地質(zhì)與資源信息普遍具有空間信息特征。其決策支持屬于空間決策支持范疇。

2.空間決策支持認知過程可視化的分類

由于地質(zhì)工作性質(zhì)的特殊性，地質(zhì)信息系統(tǒng)可視化的內(nèi)容更為豐富，而形式也更為復(fù)雜。一般地說，在地理科技領(lǐng)域，人們主要關(guān)心諸如地形地貌、地物景觀等表而現(xiàn)象；而在地質(zhì)科技領(lǐng)域，人們最關(guān)心的是地質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分的空間分布。因此，在地理信息科技領(lǐng)域，人們多關(guān)注“面三維”可視化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用；而在地質(zhì)信息科技領(lǐng)域，人們多關(guān)注“體三維”可視化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。從應(yīng)用的角度看，地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化可分為表達可視化、分析可視化、過程可視化、設(shè)計可視化和決策可視化5類。表達可視化泛指原始數(shù)據(jù)和計算成果以圖形或圖像的形式在屏幕或其它介質(zhì)上的顯示。分析可視化泛指在可視化環(huán)境中進行的各種地質(zhì)空間決策分析。過程可視化是指在體三維環(huán)境中開展各種可視化的地質(zhì)過程動態(tài)模擬。設(shè)計可視化是指在體三維可視化環(huán)境中進行各種地質(zhì)工程設(shè)計。決策可視化是指在體三維可視化環(huán)境中進行礦產(chǎn)資源潛力或工程地質(zhì)條件評價，進行各類礦產(chǎn)資源開發(fā)和地質(zhì)工程設(shè)計的多方案比較選優(yōu)決策。

3.地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵技術(shù)

3.1海量三維數(shù)據(jù)體的存儲和快速調(diào)度

海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)的存儲和快速調(diào)度是實現(xiàn)地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的“5個可視化”的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)分析、設(shè)計和決策可視化，地質(zhì)信息系統(tǒng)必須能展現(xiàn)和管理非均質(zhì)和非參數(shù)化的實體，單個地質(zhì)體的幾何數(shù)據(jù)量往往是地表普通建筑物的幾何數(shù)據(jù)量的幾十倍乃至幾十萬倍；外加上相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)，對于大范圍的海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量已遠遠超出現(xiàn)有常規(guī)的三維空間數(shù)據(jù)管理和處理能力。多線程動態(tài)調(diào)度方法、自適應(yīng)的三維空間數(shù)據(jù)多級緩存方法、基于可視化計算與調(diào)度任務(wù)關(guān)聯(lián)信息的預(yù)調(diào)度機制，以及多級三維空間索引技術(shù)的提出，可能能夠推進海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)有效存儲和管理問題的解決。

3.2三維地質(zhì)體的數(shù)字化的快速建模技術(shù)

三維地質(zhì)體的數(shù)字化的快速建模技術(shù)是三維地質(zhì)信息系統(tǒng)大規(guī)模推廣使用的前提條件。三維地質(zhì)體的建模速度決定了三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的實用性能。最理想的情況是軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠復(fù)雜地質(zhì)體和地質(zhì)過程的全自動建模，但迄今為止并未完全實現(xiàn)。為了提高三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的實用性，必須對三維地質(zhì)體的快速建模方法進行研究，主要包括研究如何提供方便快捷的交互建模工具、研究限定條件下三維地質(zhì)體模型的自動或半自動建模問題等

關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.3三維數(shù)字地質(zhì)體的局部快速動態(tài)更新技術(shù)

三維數(shù)字地質(zhì)體的局部快速動態(tài)更新技術(shù)，是目前地質(zhì)空間建模研究熱點與難點問題之一。地質(zhì)空間建模按照技術(shù)層次分為5個階段，即模型可視化階段、模型度量階段、模型分析階段、模型更新階段和時態(tài)建模階段。前3個階段屬于靜態(tài)建模，后2個階段屬于動態(tài)建模階段。三維靜態(tài)建模方法與動態(tài)建模方法的本質(zhì)區(qū)別在于建立的三維地質(zhì)模型是否可以進行模型的快速更新與重構(gòu)，地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的勘探研究都是一個漸進的過程，這就要求三維地質(zhì)體模型的建模也是一個增量建模的完善過程，能實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的局部快速動態(tài)更新。基于鉆孔的連續(xù)地層序列匹配、基于非共面剖面拓撲推理和基于凸包剪切、限定散點集剖分的動態(tài)重構(gòu)算法是該領(lǐng)域近期的新研究成果。該方法對于研究區(qū)域地質(zhì)背景有假定前提，還不能適應(yīng)任意復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

3.4三維數(shù)字地質(zhì)體的快速矢量剪切技術(shù)

在建立了三維數(shù)字地質(zhì)體模型的基礎(chǔ)上，可進行各種挖刻和剪切分析，進而可統(tǒng)計開挖量或分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為地質(zhì)條件研究、地下工程建設(shè)、采礦生產(chǎn)安排提供分析、設(shè)計工具。根據(jù)所采用的空間數(shù)據(jù)模型，矢量剪切分析有體剪切技術(shù)、空間分區(qū)二叉樹技術(shù)、而剪切技術(shù)等。它包括規(guī)則的空間線、面、體等之間的矢量剪切，也包括不規(guī)則的空間線、面、體等之間的矢量剪切。例如，復(fù)雜的地表面與工程實體之間的矢量剪切分析復(fù)雜的地質(zhì)體與工程實體之間的矢量剪切分析。對于具有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字地質(zhì)體矢量剪切分析，可采用三維空間索引、多級緩存技術(shù)和基于BSP的快速面片裁剪算法，對三維索引邊界進行并行快速布爾運算判定，再通過后臺裁剪運算快速重構(gòu)裁剪后的三維空間實體關(guān)系，并提高其準確性、可靠性和效率。

3.5三維數(shù)字地質(zhì)體的多樣化空間分析技術(shù)

基于三維數(shù)字地質(zhì)體的真三維空間分析功能，既是地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化軟件區(qū)別于二維軟件和計算機圖形學(xué)的主要特征之一，也是評價一個三維地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)功能的主要指標之一。三維空間分析涉及到大量空間數(shù)據(jù)的運算和復(fù)雜空間關(guān)系的判斷，如何保證針對異構(gòu)的三維數(shù)字地質(zhì)體空間分析的準確性、效率和可靠性，適應(yīng)地質(zhì)勘查工作的多主題要求，是地質(zhì)信息技術(shù)的共性難點問題。目前，建立有效的、多樣的空間分析方法模型，為地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)提供更多更強大的功能，已成為當前地質(zhì)信息科學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用中十分重要的任務(wù)。三維數(shù)字地質(zhì)體的空間分析技術(shù)通過分析三維地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)空間分析的基木內(nèi)容，抽象出三維空間分析的原子分析算法，如三維相交檢測、布爾運算、點集區(qū)域查詢等，具有普適性、多樣化特征。

4.結(jié)論與展望

地質(zhì)空間決策是各級政府和勘探、礦業(yè)、油氣田等管理機構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)的重要工作內(nèi)容，為決策提供技術(shù)支持是地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的重要服務(wù)領(lǐng)域。實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化，不是為了好看而是為了好用。一個優(yōu)秀的地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化軟件，應(yīng)當能夠?qū)崿F(xiàn)“表達可視化、分析可視化、過程可視化、設(shè)計可視化和決策可視化”5個方面的功能。

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