基于IDL的地層三維可視化

趙 潔，奚硯濤，趙 冉

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221008；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,江蘇南京210095)

基于IDL的地層三維可視化

趙 潔1，奚硯濤1，趙 冉2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221008；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,江蘇南京210095)

以鉆孔資料為源數(shù)據(jù)，利用克里格為插值方法，生成了相關(guān)地層的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并基于IDL實(shí)現(xiàn)了地層三維的可視化，并運(yùn)用了光度學(xué)、色度學(xué)的算法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)效果，引入了消隱、光照模型、顏色模型等技術(shù)，增強(qiáng)了地層可視化的仿真效果。利用本系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移并對(duì)每一個(gè)地層表面調(diào)色等功能，使得難以觀(guān)察的地層可以逼真的展現(xiàn)在人們面前，提高了人們對(duì)地層的認(rèn)知能力。

交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言;地層;三維可視化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，地層的三維可視化已成為一個(gè)熱門(mén)的研究課題。三維地層顯示和分析是綜合利用數(shù)學(xué)、力學(xué)、巖土工程和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的一項(xiàng)新技術(shù)，是地下空間信息化開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)[1]。

可視化是用于描述對(duì)模型或數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理后將其結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上的過(guò)程。對(duì)于可視化的分類(lèi)，不同的應(yīng)用領(lǐng)域有很大的不同，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)對(duì)此一般稱(chēng)為科學(xué)計(jì)算可視化，它指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)將科學(xué)計(jì)算的結(jié)果及過(guò)程用圖像或圖形的形式顯示在屏幕上并進(jìn)行交互處理的理論技術(shù)和方法，是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科[2、3]?？梢暬夹g(shù)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的前身，今天已經(jīng)發(fā)展成為研究用戶(hù)界面、數(shù)據(jù)表示、處理算法、顯示方式等一系列問(wèn)題的一個(gè)綜合性學(xué)科[4]?？梢暬夹g(shù)使得人們不再為抽象分析大量的數(shù)據(jù)而煩惱，從而縮短研究周期，提高研究效率。因此，可視化已經(jīng)成為人們分析自然現(xiàn)象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)、認(rèn)識(shí)客觀(guān)事物本質(zhì)和變化規(guī)律的得力助手，是人們理解復(fù)雜現(xiàn)象和大規(guī)模數(shù)據(jù)的重要工具[5～7]。

目前在這個(gè)領(lǐng)域的研究已取得一定成果，但仍缺乏更深入的研究，本文主要在地層的可視化方面著重進(jìn)行研究，在IDL開(kāi)發(fā)平臺(tái)上讓地層的信息更好的展現(xiàn)在用戶(hù)面前。

1 I D L簡(jiǎn)介

IDL(InteractiveData Language)交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言是Research Systems公司推出的進(jìn)行二維及多維數(shù)據(jù)可視化分析和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的理想軟件工具。IDL致力于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化和分析，開(kāi)發(fā)后的系統(tǒng)具有跨平臺(tái)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。它集可視、交互分析、大型商業(yè)開(kāi)發(fā)為一體，為用戶(hù)提供了完善、靈活、有效的開(kāi)發(fā)環(huán)境[8]。

通過(guò)了解IDL語(yǔ)言的主要特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及對(duì)比目前常用的可視化開(kāi)發(fā)工具的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為IDL處理大數(shù)據(jù)、支持多種建模方法的能力是其他開(kāi)發(fā)工具所不能比擬的，它更適合于地質(zhì)建模，所以最終選用IDL開(kāi)發(fā)環(huán)境作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2 地層三維可視化

首先是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，包括鉆孔的坐標(biāo)，上下底板的高度，地層的巖性等數(shù)據(jù)；再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立包括地層空間及屬性信息的信息表；接著建立相應(yīng)模型（包括單層及多層 DEM），通過(guò)編寫(xiě)代碼建立相應(yīng)顏色表、光源、坐標(biāo)軸等實(shí)現(xiàn)地層的三維可視化。主要技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 基于IDL的地層三維可視化技術(shù)流程圖

2.1 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

本文主要應(yīng)用的是鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)是地下三維可視化模型系統(tǒng)中最基本的一種數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)主要來(lái)源于地質(zhì)勘探和井下掘進(jìn)等工程，它包含了鉆孔相關(guān)的所有信息。主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，剔除數(shù)據(jù)中己經(jīng)發(fā)現(xiàn)或可能出現(xiàn)的粗差，并進(jìn)行必要的修改、調(diào)整、附加一些標(biāo)記等。當(dāng)數(shù)據(jù)分布過(guò)于稀疏而有可能影響可視化效果時(shí)，需要進(jìn)行有效的插值加密處理。

2.2 生成DEM數(shù)據(jù)

如何將這些鉆孔連接起來(lái)，需要對(duì)鉆孔間進(jìn)行內(nèi)插，所用到的方法即空間插值。本文所用的插值工具是Surfer軟件。Surfer軟件是美國(guó)Golden Softwant公司生產(chǎn)的繪制等值線(xiàn)圖和三維地形立體圖的軟件。它功能強(qiáng)大，能迅速地將離散的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)插值轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，作為地理(或地質(zhì))的宏觀(guān)分析者或制圖工作者來(lái)說(shuō)，能有一種很方便生成二維、三維地形圖的軟件是很有必要的。

利用Surfer軟件，通過(guò)建立鉆孔數(shù)據(jù)的X、Y、Z空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)克里金空間插值，可以很容易地生成名為GRD的網(wǎng)格文件，從而顯示簡(jiǎn)單的單層等值線(xiàn)圖。將單層DEM統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的表面模型DEM的疊加顯示。

2.3 建立相應(yīng)顏色表、光源及坐標(biāo)軸

為了使地層信息能夠更直觀(guān)逼真地表達(dá)，在編寫(xiě)的IDL程序中創(chuàng)建相應(yīng)顏色表對(duì)應(yīng)的主要函數(shù)語(yǔ)法形式為：

3 系統(tǒng)界面及功能

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，發(fā)揮了IDL面向?qū)ο?、圖形處理技術(shù)等方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，為用戶(hù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單友好的人機(jī)交互操作界面。本系統(tǒng)的界面、菜單和工具條比較簡(jiǎn)單，易于操作。圖 2為以濟(jì)寧三號(hào)井鉆孔數(shù)據(jù)為例實(shí)現(xiàn)的部分地層表面模型圖。

圖2 地層表面模型圖

系統(tǒng)主要功能為地層的三維顯示，并能通過(guò)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等功能看到采樣數(shù)據(jù)的信息，可對(duì)不同的地層設(shè)置不同的顏色，實(shí)現(xiàn)了地層的三維可視化。在地質(zhì)勘探時(shí)就可以根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)顯示當(dāng)前位置地面以下各地層的預(yù)測(cè)地層性質(zhì)和分布深度情況，即每個(gè)地層分界面的高程值，從而為項(xiàng)目選址、資源勘探等提供決策依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)基于IDL實(shí)現(xiàn)了地層的三維可視化，作者以濟(jì)寧三號(hào)井鉆孔數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證了本方法和技術(shù)路線(xiàn)的合理性及可行性。但本系統(tǒng)也存在著不足之處，比如地學(xué)上的特殊地質(zhì)構(gòu)造是很復(fù)雜的，本文本著將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的思路，比如說(shuō)用單值曲面對(duì)地層面進(jìn)行模擬，盡管模擬方法得出了其預(yù)想結(jié)果，但仍是不很成熟和單一的。對(duì)建立具有復(fù)雜關(guān)系的斷層模型還需要進(jìn)一步的提高建模技術(shù)的先進(jìn)性和精確性。由于三維地層可視化系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)尚處于起步和探索階段，其理論和方法還不太成熟和完善，而且涉及的學(xué)科范圍比較廣，因此在還有許多問(wèn)題仍有待于深入研究。

[1] 周翠英，董立國(guó)，陳恒，等.重大工程三維地層分析的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中山大學(xué)學(xué) 報(bào)：自然科學(xué)版,2006,45(4):39-43

[2] 唐澤圣,孫延奎,鄧俊輝.科學(xué)計(jì)算可視化理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2001,41(4):48-59

[3] 唐伏良,張向明,茅及愚，等.科學(xué)計(jì)算可視化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,1997,17(3):8-10

[4] Edsall R M,Harmwer M,Mennis J L.Tools for Visualizing Properties of Spatial and Temporal Periodieity in Geographic Data [J].Computers&Geosciences,2000,26(l):109-118

[5] 戴廣宏,科學(xué)計(jì)算可視化的研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展, 1997,(l):109-112

[6] 唐衛(wèi)清,劉慎權(quán),余盛明,等.科學(xué)計(jì)算可視化[J].軟件世界,1996 (5)：74-77

[7] 劉勇奎，周曉敏.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和科學(xué)計(jì)算可視化[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào),2000,5(9):795-798

[8] 秦光宇,鐘寶榮.基于Web的二維GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化),2003,19(11):103-104

3D Visualization for Strata Based on IDL

ZHAO Jie1,XI Yantao1，ZHAO Ran2
(1.School of Resource and Geosciences,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.College of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Taking borehole data as source data,we generated regular grid data of relevant strata using Kriging interpolation method in this paper.3D visualization of specific strata is realized based on IDL.At the same time we also use algorithms of photometry and colorimetry to achieve visual effects.In order to enhance the photorealistic of strata visualization,some technologies were adopted suchasblanking,illuminationmodel,colormodel,etc..Thesystem functions include real-time zoom ing-in,zooming-out,rotating,panning and painting any surface of strata.The strata whicharehard to observedirectly in thepastcan be vividly displayed via this system, and the recognitionability of strata w ill be improved.

interactive data language;strata;3D visualization

2009-10-21

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目（2006A018）。

P208

B

1672-4623(2010)02-0121-03

趙潔，碩士，主要研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。