三维可视化建模的研究现状

第08卷第9期中国水运Vol.8No.92008年9月ChinaWaterTransportSeptember2008收稿日期：2008-7-30作者简介：徐社美（1980-），男，广东省地质调查院助工，硕士研究生。摘要：可视化作为一种信息的表达手段，由于其直观、形象，应用越来越广泛，地质信息的三维可视化可以用来描述复杂的地质构造情况，它不仅可以描述和表达已知地质现象及其特征，还可用于提取有意义的地学信息，从而实现对某种地学机理的深入认识。发现常规方法所不能揭示的地质规律和特征。本文介绍了可视化技术及其在地质领域的的应用研究现状、可视化模型和分析系统在国外、国内的研究现状并对典型的可视化模型和分析系统的功能、商业化程度等进行了说明和介绍。关键词：可视化技术；三维可视化；可视化模型和分析系统中图分类号：TP311：P621+.6文献标识码：A文章编号：1006-7973（2008）09-0105-03可视化或称视觉化，它的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理。1987年2月美国国家科学基金会的一个研究报告提出科学计算的可视（VisualizationinScientificComputing）问题。目前，它所提出的思想己成为世界科学界新兴学科研究中的热点。可视化技木从它的诞生之日起，便受到了各行各业的晋通欢迎，目前它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门[1]。一、可视化技术在地质结构研究领域中的现状地质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，采用计算机技术将数学描述以3Ｄ真实感图像的形式予以表现。利用三维可视化可以描述复杂的地质构造情况，它不仅仅是描述和表达已知地质现象及其特征的工具，更为重要的是，地质体的三维可视化模型可用于提取有意义的地学信息，从而实现对某种地学机理的深入认识[2]。地质结构的三维可视化在地质研究中具有十分重要的意义，建立研究区域简明直观的地质结构三维模型，能为地区规划、建设项目的立项、选址、可行性论证等提供决策依据和咨询意见，并可对盆地水文地质、地震、勘探等进行综合分析。曹代勇、柴贺军、张菊明等对地质体的三维可视化进行了深入的探讨。三维可视化在地质领域的应用已涉及的研究领域有：三维可视化研究在基础地质领域的研究相当广泛：包括构造、褶皱、断层等。曹代勇等（2001）探讨了地质构造的三维可视化技术的过程：数学建模和可视化显示。介绍了建立地质构造三维可视化模型的典型方法包括三维规则网格法、ＴＩＮ表面法、四面体法以及综合法。针对地质构造模型中断层处理的特殊性，提出了基于ＴＩＮ表面法的局部法和整体法两种处理技术。将地质构造三维模型的可视性归纳为三维景观方式、掀盖层三维景观方式、透视三维景观方式、切面方式、投影等值线方式5种方式。胡孝林等（2002）应用VoxelGeo三维可视化解释技术，结合钻井和测井资料，综合研究了黄岩三维区、平湖油气田和马六甲合同区等三个地区相关局部构造的沉积地质特征[4]。武强，徐华.（2004）在三维地质建模与可视化方法研究一文中设计了超体元实体模型、断层数学模型及褶皱几何模型，以表达复杂地质构造的空间几何形态；建立了面向应用的三维地质建模的体系结构，提出以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念，丰富和发展了三维地质建模的理论与方法[5]。唐中实等（2006）分析了当前实现三维地形可视化的主要方法。林镇民，陈少强（1994）介绍了三维可视化技术在固体矿产中的应用的趋势[6]。梁彩芳（2003）三维可视化技术在碳酸盐岩储层预测中的应用。肖克炎等（2006）开发了指示克里格法的三维可视化储量计算模块，给出了计算步骤，并设计出阿舍勒铜矿体的指示克里格法可视化储量计算流程，实现了对阿舍勒铜矿体的指示克里格可视化储量计算并取得较理想的预测结果。郑小武等（2001）将传统的层序地层分析方法与三维可视化技术相结合，研究油田复杂的层序地层关系，并取得了很好的应用效果[7]。张金淼等（2001）应用三维可视化技术大大提高了地震资料解释工作的效率和成果精度，所获成果更为直观、可靠[8]。刘学等（1999）基于可视化策略，利用云南某典型泥石流数据（50m×50m网格，30×35网格区域），实现了泥106中国水运第08卷石流过程模拟的三维动态可视化图。其中，在三维动态显示的基础上，用不同颜色将不同时间的泥石流体覆盖，实现了泥石流过程的真实感表达[9]。黄地龙等（2001）引入计算机图形图像技术、人机交互技术及工程地质信息数据库管理实现复杂岩体结构可视化技术，研究讨论了复杂岩体结构可视化软件系统的开发思路。实现岩体结构在可视化下的信息数据库管理、图视化分析和地质模型研究，极大地扩展了对复杂岩体结构空间的认识及岩体结构性质研究。通过实例建立了岩体结构的三维可视化模型[10]。张永波等（2002）讨论基于可视化技术的地下水资源信息空间数据库的设计思路，提出了地下水资源信息化管理的可视化技术的应用方案，介绍了基于数据库的可视化管理系统的设计思路和主要功能[11]。张雪松等（2003）阐述基于可视化技术的地下水含水层结构的立体表达方法。为了实现基于水文地质钻孔数据库的各种专题图形的自动生成，讨论了结合水文地质钻孔数据库的平面格网数据的组织模型，以及在该模型基础上的数据结构设计、算法设计和程序设计方法。给出了地下水含水层可视化具体实例的计算结果[12]。何满潮等（2003）在综合分析天津地区地层构造的基础上，利用三维可视化技术分析研究地层结构对地温场、地热水形成的影响，建立了天津市市区地层构造三维可视化模型和研究区内主要储热层的三维地质模型[13]。邹永玲等（2005鄂尔多斯盆地的三维可视化及其应用）以鄂尔多斯盆地的地形二维可视化为目标，初步实现了地形的动态三维模拟及DEM简单应用分析，结合DEM和遥感图像进行地质矿产勘探，可以宏观地分析地形、地貌和地质构造等成矿条件[14]。二、可视化模型和分析系统的研究现状有关地质信息可视化软件国内外较多，在使用过程中需要综合考虑软件功能的优劣，商业化程度，对研究课题的适宜性。在国外近些年地质信息可视化模型和分析系统研究发展较快。通用性也较好。目前国外代表性三维可视化软件主要有：（1）Gocad.：Gocad是由法国Nancy大学研制的地质建模软件。它是在Unix和X-Window/motif系统下用C语言写成的。该软件使用DSI的插值来计算三维图形中线段或三角形的节点位置，因此能将线或面的粗糙程度降到最低。DSI还帮助考虑许多类型的地质数据，例如：精确的或粗略的表面位置、局部倾角、断层的相对移动等，该软件在构造、表达三维对象上具有较强的能力，但其缺点是仅重视表达三维对象本身，对各对象间关系的表达没有足够的重视，因此管理大批量三维空间对象的能力较弱[15]。（2）MODFLOW-美国地质调查局、VisualMODFLOW–加拿大Ｗaterloo水文地质公司、GMS4.0–美国国防部、能源部、环境保护署。相比之下，MODFLOW、VisualMODFLOW、及GMS软件比较流行，商业化程度也较高。其中模块化三维有限差分地下水流动模型（Themodularfinitedifferencegroundwaterflowmodelm，简称Modflow）是由美国地质调查局开发、用来模拟地下水流动和污染物迁移等特性的计算机程序[16]。目前，Modflow是世界范围内广泛应用和最为普及的地下水运动数值模拟程序[17]，其特点为：（1）Modflow所用的有限差分方法容易理解并且适用于许多现实条件；（2）Modflow可以用于一维，二维，准三维和三维模型；（3）数据输入格式基本理论和每一个模块都经过了广泛验证；（4）模块化结构便于用户根据实际需要添加程序，完善功能和与其它应用软件如Suffer、Excel等结合；（5）Modflow模拟的结果可以用许多软件如Suffer、AutoCAD等显示和处理，而且其本身的三维可视化结果也便于用户理解和应用[18]。增强模型数值模拟能力!简化三维建模复杂性，是VisualModflow软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块，即前处理模块!运行模块和后处理模块[19]。（3）VisualModflow是由加拿大Waterloo水文地质公司在原Modflow软件基础上应用现代可视化技术开发研制成功的，专门用作孔隙介质中地下水三维有限差分数值模拟软件。这个软件包由Modflow（水流评价）、Modpath（平面和剖面流线示踪分析）和MT3D（溶质运移评价）及均衡计算（ZBUD）等功能模块组成。并且具有强大的图形可视界面功能。设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区域和剖分计算单元，并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值，做到真正的人机对话。如果剖分不太理想需要修改时，用户可选择有关菜单直接加密或删除局部网格以达到满意为止。同时，用户可选用不同的菜单分别单独或共同运行Modflow、Modpath和MT3D3大部分。各部分均设计了模型识别和校正菜单。该软件是目前国际上进行地下水流数值模拟计算应用较广泛的软件[20]。（4）地下水模拟系统（GroundwaterModelingSystem），简称GMS，是美国BrighamYoungUniversity的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM.已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6部分组成，使用起来非常便捷。由于GMS软件具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。功能十分齐全的GMS除了包含上述MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM模块，还开发了PEST、UCODE、MAP、BoreholeData、TINS、Solid模块。其中钻孔数据（BoreholeData）用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线；地层数据用来建立TIN、实体和三维有限元网格。TINS即三角不规第9期徐社美等：三维可视化建模的研究现状107则网络（TriangulaterIrregularNetworks），通常用来表示相邻地层的界面，多个TINS就可以被用来建立实体（Solid）模型或三维网格。实体是在不规则的三角形网络（TIN）建立完成后，通过一系列操作产生的实际地层的三维立体模型[21]。在国内，自计算机在地学中应用以来，由于受到硬件以及人才培养等客观因素的限制，地质工程师大多从二维上对地质体进行分析和研究，而三维空间模型和可视化软件少见。国内地质人员大都致力于开发适合于自己的分析软件。有针对性的解决自己研究中遇到的问题。因而模型的通用型不强。目前国内代表性三维可视化软件有：IMAGIS是适普软件有限公司自主开发的一套以数字正射影象（DOM），数字地面模型（DEM），数字线画图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为综合处理对象的GIS系统。通常用于城市三维景观模型的构建。此外，还有GeoTool3.0–北京华油吉澳科技开发有限责任公司、GeoView–武汉地大坤迪科技有限公司、Titan3DM–北京东方泰坦公司、AutoDig–北京勘察设计研究院、GeoVision-中科院遥感所、3D—GVS–长江水利委员会、理正水资源管理信息系统–北京理正公司、VRMAP2.x–北京灵图公司、GEODEM、GEOGIRD、GEOTIN–武汉吉澳信息工程技