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一个以“移动立方体法”为关键技术的人机交互三维地质建模系统

陈少强  
【摘要】: 三维地质建模理论的研究是3DGIS的一项基础性工作,三维地质模型是3DGIS的重要组成部分,是研制三维地学可视化软件和三维地学信息系统的基础和核心。 由于地质现象的复杂性,三维地学模拟的理论方法和技术仍处于研究阶段,还有许多问题有待解决。目前国外在采矿和地球物理领域的三维地学模拟已进入实用阶段,有了一些较成熟的软件,但国内尚无相应水平独立版权的三维地学模拟软件。 不同的建模方法决定了不同的数据结构及可进行的操作,本次论文将现有的地质模型分为两大类:体元充填模型和边界模型。体元充填模型用于描述非均质地质体,边界模型用于描述均质地质体。 实际的地质体都是复杂的、非均质的,在对地质对象进行模拟时,需要对其进行简化。目前,通过使用一定数目的均质模型来表示非均质地质体是一种实际、有效的手段。 本次论文使用的模型是用来表示均质地质体的边界模型,因为本次论文完成软件的侧重点是在模型的编辑方面,而表示非均质地质体的体元充填模型极不适合人机交互的情形。 “八五”期间,我们完成了PandaCAEX计算机辅助勘查系统的研制。这个系统使用多面体表示的边界模型,成功地实现了三维地质模型的计算机交互建模及人机联作重磁反演,达到了国际先进水平,并获得地矿部科技进步二等奖。这个系统对三维地质建模的主要贡献,是针对三维地质模型在交互修改时的困难,独创了一种所谓的“橡皮膜技术”。使用这种技术可以灵活、交互地构制任意形状的三维地质模型。 PandaCAEX的设计目的是解决金属矿的重磁正反演问题,而金属矿多是一个个孤立的地质体,所以模型算法是针对设计单个复杂的地质体的目标设计的,这在当时被认为是够用了。因此这种算法没有处理相邻模型的能力,相邻的模型间会产生不应有的重叠现象。 但地质体不可能都是分离的,不但金属矿有相邻的情形,更重要的是另一类地质体——层状地质体的存在。PandaCAEX系统完全没有处理层状地质体的能力,因为层状地质体其实就是一层层紧密相邻的地质体。 本次论文的研究目的就是解决PandaCAEX系统的相邻模型重叠问题,它独创了一种新的建模技术,既可以表达块状的金属矿模型又可以表达层状模型,重要的是它完全避免了重叠现象的发生。 这种算法的关键是在所定义的空间中,建立了一个辅助的三维网格,通过网格建立起模型之间的联系,以消除模型的重叠现象。其中的关键技术是多面体模型的光栅化和三维光栅数据的多面体化。多面体的光栅化是二维多边形光栅化的直接推广,本次论文的关键创新是解决了三维光栅数据的多面体化问题。 Marching Cubes技术是科学可视化中用于从三维规则数据场中抽取等值面的技术,本次论文对其进行了改造,将其用于三维光栅数据的多面体化,从而实现了从多面体到光栅,再从光栅到多面体的循环,为解决多面体模型的重叠问题提供了算法基础。 本次论文的成果是以本次论文提出的算法为基础,完成了一个人机交互三维地质建模系统。这个系统使用Visual C++从底层开发,具有良好的用户界面,用户可以从多个窗门中从不同角度同时对模型进行编辑。利用这个系统用户可以借助不同种类的数据,在所定义的三维空间中,交互地对各种复杂的地质对象进行模拟,包括模型的相邻、交叉、层状地质模型及断层。事实上在所定义的网格分辨率的精度下,理论上用户可以构造出任意复 d一内地质体。 本论文对此软个1八旬小儿和限制条个1。进行了了详细的说明。并指山了今后的改进力一向。为 例寺理论的完整性,本次论文还对二:维地质建模中攸川的一些关键技术,如:约人三角剖 分技术;离散光滑插值 n引)技术;非均匀有理Bfy条(***BS)技术等进行了较详细 的论述。


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