地學(xué)三維可視化建模技術(shù)研究現(xiàn)狀

董 坤，薄 楊，李中永

(安徽國防職業(yè)科技學(xué)院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源及礦產(chǎn)資源的開采和利用在我國國民經(jīng)濟(jì)中所處的地位越來越突出.經(jīng)過多年的研究、實(shí)踐和發(fā)展，人們已經(jīng)能夠通過物理和數(shù)學(xué)方法較準(zhǔn)確地對地下礦藏進(jìn)行分析和解釋.而地學(xué)相關(guān)工作的參考資料和成果資料數(shù)據(jù)信息一般情況下都是離散分布的，工作人員需要利用實(shí)測的離散數(shù)據(jù)在工作區(qū)域內(nèi)推斷某屬性的分布規(guī)律，而由于數(shù)據(jù)量巨大，且數(shù)據(jù)離散分布，所以通常情況下工作人員想要直接利用這些離散數(shù)據(jù)分析地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是較為困難的.

地學(xué)工作的最終成果是展示給用戶的地質(zhì)成果圖、實(shí)際材料圖以及原始數(shù)據(jù)資料等.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的逐漸深入，人們對所需建立實(shí)體模型的要求越來越高，為使所建立的模型更加直觀、真實(shí)，應(yīng)用中越來越需要建立真正的三維立體模型，因此研究三維立體建模技術(shù)并應(yīng)用于工程實(shí)際已迫在眉睫，例如三維地表可視化建模、三維礦帶實(shí)體可視化建模、三維地層可視化建模等.地學(xué)三維可視化建模技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).

1 地學(xué)三維可視化建模研究現(xiàn)狀

通過幾十年的努力，可視化建模技術(shù)已經(jīng)得到了很大發(fā)展［1］.尤其是二維數(shù)據(jù)建模所取得的成果，不論是專業(yè)的應(yīng)用軟件，還是結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)的二次開發(fā)都得到了很大的發(fā)展.

1.1 國外研究現(xiàn)狀

由于國外對地學(xué)三維可視化模型構(gòu)造技術(shù)研究起步早，因此該領(lǐng)域的理論積累較為豐富，在三維可視化建模系統(tǒng)的研制與開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩成果，開發(fā)了大量成功的商業(yè)軟件，例如GENAMAP、ARC/INFO、MAPINFO等.

加拿大在20世紀(jì)60年代中期便開始研究建立CGIS，該系統(tǒng)是世界上第一個地理信息系統(tǒng).自20世紀(jì)80年代以來，國外在地學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用三維可視化技術(shù)已經(jīng)十分普遍，很多西方主要國家都推出了可用性較強(qiáng)的地學(xué)三維可視化建模系統(tǒng).

英國Badleys Geoscience Ltd公司推出的TrapTester軟件，在斷層及裂縫預(yù)測等方面居于國際領(lǐng)先水平，為地質(zhì)學(xué)家提供了從地震解釋、地質(zhì)建模到圈閉評價的軟件平臺，利用它可以研究斷層的側(cè)向封堵性、預(yù)測斷塊圈閉的可能烴柱高度和進(jìn)行圈閉完整性評價.

德國WASY公司推出的FEFLOW，是專業(yè)的地下水流模擬軟件，由德國水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所開發(fā)，側(cè)重于二維、三維的地下水穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流、化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移及熱傳輸?shù)哪M.

美國Dynamic Graphics公司研制開發(fā)的EarthVision空間地質(zhì)建模軟件，可用于識別地質(zhì)目的層的各種屬性.目前世界上許多著名的石油公司采用該軟件建立地層與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布及其相互關(guān)系，有著廣泛的客戶對象.

法國Earth Decision Sciences推出的GoCAD達(dá)到了半智能化建模的最高水平，該軟件能在幾乎所有硬件平臺上運(yùn)行，GoCAD的誕生標(biāo)志著地質(zhì)建模技術(shù)取得了飛速的發(fā)展.如今的GoCAD可以構(gòu)造幾乎所有地質(zhì)體復(fù)雜模型，可以滿足對復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域的建模要求.

澳大利亞Surpac國際軟件公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的大型礦山工程軟件Surpac Vision，在勘探、地質(zhì)建模、采礦設(shè)計(jì)、鉆孔編錄、生產(chǎn)計(jì)劃和開采進(jìn)度計(jì)劃等方面功能突出，其界面采用Java語言開發(fā)，便于與Internet有很好的兼容性，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用.

在短短約50年內(nèi)，國外不但在技術(shù)、理論研究上取得了顯著成果，而且形成了一個成熟的以專業(yè)地理信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，以工程管理技術(shù)為核心的學(xué)科領(lǐng)域，涌現(xiàn)出了一系列非常有國際競爭力的行業(yè)軟件，該類軟件能夠?qū)⒍嘣磾?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化及輸出等功能.

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對三維地學(xué)可視化研究始于20世紀(jì)80年代，雖然起步較晚，但做了大量有益的探索.近年來隨著礦業(yè)開采的增長和不斷發(fā)展，對地學(xué)模型構(gòu)造的需求不斷增加，從而促進(jìn)了我國在地學(xué)建模上的研究.

我國地學(xué)建模的研究大多是在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域開展.例如，中國礦業(yè)大學(xué)吳立新在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用研究［2］，中國地質(zhì)科學(xué)院陳鄭輝進(jìn)行的金屬礦三維建模研究，西安煤田航測遙感公司應(yīng)用GIS技術(shù)在航空地質(zhì)測量、煤田預(yù)測等任務(wù)中也取得了顯著成果.

在對地學(xué)建模理論進(jìn)行研究的過程中，也涌現(xiàn)了一些地學(xué)模型構(gòu)造系統(tǒng)平臺.GeoView是由中國地質(zhì)大學(xué)國土資源信息系統(tǒng)研究所研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可視化地學(xué)信息系統(tǒng)平臺［3］.中國水電顧問集團(tuán)公司華東勘測設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)及坤迪科技有限公司開發(fā)的GeoEngine，該專業(yè)地質(zhì)建模軟件已經(jīng)應(yīng)用于多個國內(nèi)大型工程.中國石油大學(xué)開發(fā)的RDMS三維石油勘探可視化軟件、南京大學(xué)開發(fā)的SLGRAPH三維石油勘探可視化軟件.

近年來，雖然國內(nèi)在理論和工程實(shí)踐應(yīng)用等方面都有了不少成績，并且已經(jīng)涌現(xiàn)出了一些諸如Super-Map、MapGIS、GeoExpl和GeoStar等一批較為成熟的商業(yè)軟件，但所開發(fā)的軟件系統(tǒng)大多還僅僅局限于科研院所的研究之用，諸如國外的GoCAD、EarthVision、SurPac Vision等成功的商業(yè)三維可視化建模軟件還沒有問世，我國在地學(xué)領(lǐng)域的三維可視化研究還有很長的路要走.

我國的企業(yè)也引進(jìn)或自主開發(fā)了一些獨(dú)立的繪圖系統(tǒng)，并取得一些效益.總體來看，作為繪圖工具，還缺乏合理的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)，在三維系統(tǒng)的開發(fā)上還很落后，隨著三維反演的迅猛發(fā)展，三維可視化建模的應(yīng)用會逐漸加大，并且物探成果的實(shí)際材料圖展示也越來越趨于三維空間的顯示.例如工作區(qū)的地表結(jié)構(gòu)圖、地下礦帶的走向顯示等，這些都涉及三維空間內(nèi)的矢量化的面和實(shí)體顯示.目前，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)圖形三維可視化，已經(jīng)成為國內(nèi)地質(zhì)軟件開發(fā)研究的熱點(diǎn).

盡管近年來計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展很快，CPU的頻率越來越高、內(nèi)存的價格不再是高不可攀、圖形硬件加速器也在不斷發(fā)展，但同時也應(yīng)該看到實(shí)際應(yīng)用中所需要的數(shù)據(jù)往往比硬件可以顯示的數(shù)據(jù)量大一個或多個數(shù)量級，而且應(yīng)用模型的復(fù)雜程度往往超過當(dāng)前圖形工作站的實(shí)際處理能力，更不用說普通的計(jì)算機(jī).在計(jì)算機(jī)硬件水平有限的情況下，軟件中最為核心的就是算法和優(yōu)化策略(如大規(guī)模三維地形數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度策略)，通過人為因素對軟件執(zhí)行過程進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)可以彌補(bǔ)硬件存在的不足，因此建模算法和優(yōu)化策略的研究也是可視化建模中的熱門技術(shù).

2 國內(nèi)外發(fā)展前沿

三維可視化建模的發(fā)展有很大空間，由于其在地學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，對該技術(shù)的研究和探索不斷延續(xù)發(fā)展，并且有著很廣闊的研究前景［4－6］，其大體發(fā)展有如下趨勢:①并行與分布式科學(xué)可視化;②三維體可視化趨勢;③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn);④計(jì)算機(jī)自動處理結(jié)合過程中的人工干預(yù)體系;⑤計(jì)算機(jī)軟硬件高速發(fā)展，帶來的計(jì)算和處理能力以及算法發(fā)展.

地學(xué)三維可視化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是緊密相關(guān)的.未來地學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理、可視化建模的發(fā)展、勘探理論的發(fā)展，其核心之一就是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和程序算法的研究及成熟.而伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也將促進(jìn)地學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展.今后的地學(xué)數(shù)據(jù)處理和可視化建模將更成熟、更高效、更準(zhǔn)確.

世界各國的學(xué)者們通過不斷的探索和研究，促使該學(xué)科的細(xì)節(jié)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步.其技術(shù)領(lǐng)域逐漸細(xì)化，并與很多先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合促使其發(fā)展逐漸趨于多樣性，其技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①四維化:引入時間，展示地質(zhì)體變化趨勢;②網(wǎng)絡(luò)化、移動化:與各種網(wǎng)絡(luò)的搭接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，全球一體化;③智能化:引入專家系統(tǒng)，解決實(shí)際問題;④集成化:地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)各個學(xué)科相互滲透，綜合發(fā)展;⑤組件化:模塊開發(fā)加劇，各模塊提供通用接口，實(shí)現(xiàn)組件式應(yīng)用.

3 總結(jié)

多年來，國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了豐碩成果，涌現(xiàn)了大量的相關(guān)行業(yè)軟件.國外在該領(lǐng)域的理論研究、軟件平臺開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用等方面都取得了豐碩的成果，已經(jīng)形成了一個綜合的學(xué)科體系.同時，近30年來我國在該領(lǐng)域也做了大量有益的理論探索和工程應(yīng)用嘗試，但由于我國在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用起步較晚，因此在理論研究和軟件開發(fā)等方面和發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，理論積累和可用軟件系統(tǒng)的欠缺使得在我國地學(xué)工程實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題和困難也很多.

三維可視化建模技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢決定了該技術(shù)將繼續(xù)作為未來地學(xué)領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)問題.未來地學(xué)三維可視化建模的研究領(lǐng)域?qū)⒅饾u細(xì)化，并更多地結(jié)合先進(jìn)技術(shù)使其發(fā)展逐漸趨于多樣化和智能化，諸如時間等多維空間因素將被整合到地學(xué)三維可視化建模平臺中，為地學(xué)工作提供更加形象、便利和高效的技術(shù)支撐.

［1］王明華，白云.三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.土工基礎(chǔ)，2006，20(4):68－70.

［2］吳立新，張瑞新，戚宜欣，等.三維地學(xué)模擬與虛擬礦山系統(tǒng)［J］.測繪學(xué)報，2002，31(1):28－33.

［3］劉軍旗，毛小平，孫秀萍.基于GeoView三維地質(zhì)建模的一般過程［J］.工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006(4):1－3.

［4］黎華.地形與地質(zhì)體三維可視化的研究與應(yīng)用［D］.廣州:中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，2006.

［5］狄超.大規(guī)模三維地形數(shù)據(jù)組織和調(diào)度方法研究［D］.長春:長春理工大學(xué)，2007.

［6］姜衛(wèi)東.基于OpenGL的三維函數(shù)圖像繪制［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.