[发明专利]基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术、勘探地质技术领域，尤其是三维地质模拟系统中可视 化分析预测方法。

背景技术

科学可视化是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，是 当今工程科学应用中关键性的研究课题，其技术水平正在从后台处理向实时跟踪和 交互控制发展，是将科学计算、分析、预测等过程中涉及到的数据及其变化和最终 结果以图形图象方式直接表现出来并进行交互处理的理论、方法和技术。各种具体 的或抽象的地质模型可以通过可视化技术，实时、形象、直观地展现出来。九十年 代初，诞生了虚拟现实环境(VR)中的三维可视化理论和技术，其主要特征为：沉 浸感、交互性与创造力。虚拟现实中的三维地质建模提供了一种沉浸式的交互环境， 可将因时空限制人类无法直接看到的地下场景以三维的立体的方式呈现在地质学者 的面前。它由计算机生成的人机交互的三维空间环境构成，是人类与计算机和复杂 的地质数据进行想象、处理和交互作用的一种新的手段。该技术集计算机图形学、 多媒体技术、计算机系统工程、计算机交互跟踪技术、人工智能、地质学、地质工 程学等多种学科和多种技术于一体，其核心是由三维图形组成的虚拟空间及在这个 虚拟空间人机交互界面的生成，三维地质数据建模生成复杂场景的算法研究至关重 要，此外，还具有物理建模、动态仿真、交互性设计等功能。自九十年代以来，虚 拟现实的进步和发展对科学进步和社会发展产生了深远的影响。

然而国内外关于三维虚拟地质模型的可视化分析与预测方面的研究还处于起步 阶段，面临着许多理论与技术难题，其关键问题是：

1)三维地质可视化系统所提供的可视化空间分析及预测能力十分有限，不能 满足地学应用的需要

地质现象中存在的复杂性、不连续性及不确定性等客观因素，以及三维地质建 模的应用目的各异等主观因素，使得三维模型的建立缺乏统一而完备的理论和技术。 由于矢量模型有良好的图形显示效果，但不利于空间分析；而栅格模型能够有效地 进行空间分析和计算，但图形边界的精度难以保证，因此，矢栅集成或混合模型正 在引起人们的重视。现有软件普遍重视空间对象的三维表示，可视化程度高，但对 象之间的关系没有足够的描述，缺乏3D GIS需要的空间分析能力。Marcus(2001) 设计了一个可视化的空间分析工具，然而仅仅能够分析和查询三维模型中地质对象 之间简单的时空及结构关系，还有许多研究需要开展和继续。

2)虚拟场景中交互式分析、预测操作方法设计复杂，地质工作者不易掌握 虚拟环境中人与人、人与虚拟的自然界环境以及人与地质对象的时空领域等等 之间存在相互作用，要求研究区域不仅具有高质量的数据和高精度、可靠的三维数 据模型设计，还要求建立一个合理的高性能的交互式的体系构架，以提供一个快速、 准确、真实的三维可视化环境及更加广阔的设计空间和灵活的设计方法，帮助地质 学家直观、形象、准确地把握科学计算的局部和整体概念。通过虚拟环境中的三维 数字化模拟，实现模型设计、模型重构、模型检测、模型分析及模型显示等地质空 间信息处理与应用的全部过程。目前，国内外研发的地学模拟系统，如Mallet开 发团队的GOCAD(2007)、北京大学屈红刚的地质建模系统(2008)，普遍提供一 个复杂的交互式操作环境，只有经过相当一段时间专业培训的专门人员才能够掌握， 一般用户(尤其是地矿部门基层的实际操作的端用户)基本上无法熟练使用这些地质 模拟可视化系统。

3)大规模地质空间数据可视化分析的响应速度缓慢，无法满足实时绘制需要   八十年代到九十年代初期，由于计算机软件和硬件技术的限制，三维建模及其 可视化的研制开发只能局限于图形工作站，因为100,000个三角形无法在当时的 PC机上几秒钟内显示出来，可视化商用软件也是基于图形工作站的操作系统，如 LYNX、EarthVision等三维建模可视化系统多是在UNIX操作系统支持下设计实现。 这极大地制约了三维建模与可视化理论的发展和应用的推广，尤其制约了国内在该 领域的研究和应用。随着计算机技术的迅速发展，基于PC系统的建模与可视化技 术迅速发展起来，许多公司将软件开发的重点转移到WINDOWS平台上，以拓宽 应用范围，占领市场份额。三维地质建模与可视化的应用行业不再仅限于拥有昂贵 工作站的大公司和大企业，如石油公司，而已拓展到只要有一台PC机的任何单位， 如矿区和学校。但是，由于PC机的软、硬件技术的局限性，对于大规模地质空间 数据的可视化及其可视化分析的响应速度依然十分缓慢，无法满足实时绘制的需要。