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《成都理工大学》 2008年
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面向地质勘查的三维可视化系统研制与开发

罗智勇  
【摘要】: 我国是矿产资源相对短缺的国家。近年来,随着国民经济持续快速发展,各种重要矿产资源的消耗量大幅增加,资源约束已成为影响我国经济社会发展的主要瓶颈。因此,加强矿产资源的勘查开发,提高国内对重要矿产资源的保障能力已成为刻不容缓的任务。地质勘查作为一项前期性、基础性工作,在资源勘查开发中扮演一个非常重要的角色。因此,深入研究如何在新的科技环境下实现地质勘查工作的数字化、信息化、现代化发展具有重要的现实意义。 近年来,许多新技术新方法被引入地质勘查中,包括现代遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术、虚拟现实技术、科学计算可视化技术等,极大地推动了地质勘查数字化、信息化和现代化进程。尽管如此,在地质勘查工作中依然有许多新的情况和问题需要去解决。譬如,我国西部一些高原地区自然环境恶劣、山高路险、交通不便,有些地区人车根本无法到达,地质勘查工作开展十分困难,需要创造性地综合应用3S技术、图形图像处理技术、三维可视化与信息分析技术等高科技手段去弥补传统地质勘查方法的不足;再如,在地质(矿)勘查中,地质工作者希望能够恢复出地表以下地质体的结构、形态特征及其空间展布,并能够以可视化的分析手段对场区的地质构造、矿体等进行动态的、定量的深层次的分析和理解。 鉴于此,本论文以地质勘查中地表地形信息和地下地质体信息的三维可视化与分析作为技术突破口,综合应用3S技术、软件开发技术、三维可视化与信息分析技术,研制开发出了服务于地质勘查的三维可视化与分析系统。论文的研究工作在技术方法和有关理论方面取得了以下明显进展和创新成果: (1)成功地研制开发了具有自主知识版权的地质勘查三维可视化与分析系统。系统由两个并行的子系统构成,即地表地形三维可视化系统和地下地质体三维可视化与分析系统,分别实现勘查工作中地形(地貌)信息的三维可视化和地下地质体的三维可视化与分析。 (2)地形三维可视化系统采用分治算法与三角网生长法相结合的方法生成Delaunay三角网,构建地形TIN模型,有效地减少了系统开销,加速了处理过程,可以实现大规模的地形建模。 (3)地形三维可视化系统对Quadtree LOD算法和ROAM LOD算法进行了改进,实现了地形模型的实时简化与多分辨率表示。通过视相关LOD地形简化、可见性剔除,地形绘制得到加速,用户可以实时交互地进行三维景观漫游和多控制方式的模拟飞行。 (4)地形三维可视化系统采用遥感影像作为纹理,将平面的遥感影像投射到三维空间,拓展了人们的观测视野和思维空间,可以协助地质工作者生动、直观地进行场区的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息的提取和综合评价。 (5)地下地质体三维可视化与分析系统采用广义三棱柱(GTP)作为基本体元,基于一种新的广义三棱柱生长算法实现了复杂地质条件下的三维地质建模,可以处理地层缺失、尖灭、透镜体、正断层/逆断层等复杂地质情况。算法中还提出了控制性虚拟钻孔链的概念,通过带约束的Delaunay剖分维护虚拟钻孔链的完整性,实现复杂地质体建模。 (6)针对地质钻孔成本高,在一个研究区域内通常无法获得足够多的钻孔数据,而且有限的数据往往还呈不规则分布的这一情况,地质体三维可视化与分析系统采用了一种新的钻孔加密算法,该算法可实现钻孔的插值加密,从而形成更为密集的钻孔数据集,为模型优化创造条件。 (7)地质体三维可视化与分析系统在吸收前人有关棱柱体三维空间切割算法、剖面生成算法、三维空间交互技术等研究成果的基础上,采用面向对象的软件开发思想,编程实现了丰富的地质体三维可视化与分析功能,实现了三维地质模型的缩放、漫游、剖切、开挖、透明度调整、揭层操作、栅栏图生成等操作。 论文的研究工作初步实现了地质勘查中地表地形信息与地下地质体信息的三维可视化与分析,这对于地质勘查工作信息化、定量化和提高工作效率具有重要意义。之于地上,地形信息三维可视化可以拓展人们的观测视野和思维空间,以遥感影像为纹理,可以创造出一种让人身临其境般的虚拟环境,地质工作者可以生动、直观地进行场区的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息的提取和综合评价,这对那些自然环境恶劣、山高路险、交通不便,地质勘查开展十分困难的区域意义尤为重要;之于地下,地质体信息三维可视化可以恢复出地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布,帮助地质工作者对场区的地质构造进行深入的观察和分析。通过可视化的分析手段,地质工作者可以进一步地详细研究地质目标,对其进行缩放、漫游、剖切、揭层、虚拟挖掘、栅栏图生成等操作,了解其内部的细节信息以及与周边地质环境之间的关系,为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供强有力的支持。三维可视化与分析技术还可以增强地质勘查成果的直观性、生动性和可读性,摆脱传统地质勘查成果表现形式单一的局面,也间接消除了地质勘查成果在不同行业领域间的共享使用障碍;此外,在地质勘查中将三维可视化技术与其他相关空间信息技术(如遥感)相结合,可以更加自然、平滑地消除地质工作者在这些新技术新方法方面的知识瓶颈,加深理解与掌握,推动新技术新方法在基层的普及,促进地质勘查的数字化、信息化、现代化发展。
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