專利名稱：一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著地質(zhì)勘探的深入和各種地球物理探測技術(shù)不斷發(fā)展和完善，采用地球物理方法探測地質(zhì)體，從而取得地質(zhì)體結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)是比較普遍的手段。由此，地球物理數(shù)據(jù)的計(jì)算可視化需求也日益增多。如何把大量甚至海量的枯燥的地球物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化或模擬成為地質(zhì)科學(xué)家能夠看的到、摸得著的地質(zhì)體三維模型成為目前研究的熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的地球物理信息的表達(dá)主要有兩種，其一是采用平面圖和剖面圖進(jìn)行表達(dá)，例如電測深剖面圖、電測深平面圖等；其二是采用透視和軸測投影原理，將三維地球物理信息進(jìn)行透視制圖，或投影到兩個(gè)以上的平面上進(jìn)行組合表達(dá)，以增強(qiáng)三維視覺效果，提高人們的三維理解和認(rèn)知水平。
縱觀上述兩種方式，有如下缺點(diǎn)第一，平面圖和剖面圖以及他們的組合表達(dá)是二維信息，而地質(zhì)體結(jié)構(gòu)具有三維空間特征，這種傳統(tǒng)的表達(dá)方式必然導(dǎo)致地質(zhì)信息的不完整。
第二，通過二維的地球物理信息挖掘具有三維空間特征的地質(zhì)信息非常困難。
在過去幾十年里，研究提出了30余種地質(zhì)空間構(gòu)模方法，可以將其歸納為基于面模型(facial model)、基于體模型(volumetric model)和混合模型(mixed model)3大類構(gòu)模體系。其中，基于體模型的四面體建模被認(rèn)為是表達(dá)和重構(gòu)地質(zhì)體的最佳結(jié)構(gòu)。
國外，Lattuada(1997)等人對3DDT(3 Dimensional DelaunayTriangulation)在地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究工作表明四面體格網(wǎng)能很好地用于地質(zhì)體的3維建模但對具體的建模工作，特別是關(guān)于地質(zhì)體屬性的處理沒有作深入的探討。
另外，法國Nancy大學(xué)的J.L.Mallet教授推出了GOCAD軟件，在建模過程中采用了適應(yīng)能力很強(qiáng)的三角剖分和四面體剖分技術(shù)，達(dá)到了半智能化建模的世界最高水平(孫敏，2002)。
國內(nèi)，中國地質(zhì)大學(xué)的楊三女(2003)做過四面體網(wǎng)格剖分的研究，但未見其實(shí)際應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)趙勇(2005)研究了三維Delaunay四面體剖分方法并將它應(yīng)用到基于地震數(shù)據(jù)的地質(zhì)建模中。
北京大學(xué)孫敏(2002)等做過基于四面體格網(wǎng)的3維復(fù)雜地質(zhì)體重構(gòu)的基礎(chǔ)研究，指出四面體格網(wǎng)是目前表達(dá)和重構(gòu)地質(zhì)體的最佳結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出了以簡化的面約束條件重構(gòu)各類復(fù)雜地質(zhì)體的方法及表達(dá)具有屬性漸變和屬性突變特性的地質(zhì)體的方法。但是，他采用的原始數(shù)據(jù)是隨意生成空間任意點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較小，而且是單純的基于數(shù)學(xué)方法生成三維地質(zhì)模型，主要浪費(fèi)了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致模型的生成效率不高，實(shí)用性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化。
(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)讀取模塊，用于讀入由野外采集并整理好的數(shù)據(jù)文件，并將讀入的數(shù)據(jù)存為對象數(shù)組；數(shù)據(jù)分析模塊，用于對數(shù)據(jù)讀取模塊讀入的地質(zhì)空間點(diǎn)位的地球物理屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)分析，顯示地球物理屬性數(shù)據(jù)的非空間的分布規(guī)律和分布特征；建模模塊，用于按照數(shù)據(jù)點(diǎn)位的空間分布特征將數(shù)據(jù)讀取模塊讀入并存儲(chǔ)的對象數(shù)組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合構(gòu)建成具體的空間多面體模型；
模型繪制模塊，用于將建模模塊構(gòu)建的空間多面體模型繪制在計(jì)算機(jī)顯示屏上，為構(gòu)建的各種模型可視化的內(nèi)部引擎，負(fù)責(zé)模型的繪制顯示；模型渲染模塊，用于對模型進(jìn)行顯示、透明度、燈光、反走樣、消隱、著色、融合、紋理貼圖和邊界處理，為三維地質(zhì)模型的顯示增添逼真的效果；模型操作模塊，用于對構(gòu)建的空間多面體模型進(jìn)行切割、透明處理、顏色設(shè)置和屬性查詢操作，以多種可視化的形式展現(xiàn)三維地質(zhì)模型。
所述數(shù)據(jù)讀取模塊讀入的數(shù)據(jù)文件包括高密度電法數(shù)據(jù)和大地電磁測深數(shù)據(jù)兩種類型，該數(shù)據(jù)文件字段包括三維坐標(biāo)x、y、z和數(shù)據(jù)測試空間點(diǎn)位的點(diǎn)號(hào)、線號(hào)、層號(hào)，該數(shù)據(jù)文件格式為Access、Excel或SQL Server中任意一種。
所述數(shù)據(jù)分析模塊統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的顯示方式包括折線圖、柱狀圖、曲線圖、點(diǎn)圖、餅圖、面積圖或散點(diǎn)圖，且所述圖形以二維或三維方式顯示。
所述建模模塊包括空間四面體構(gòu)建和空間五面體構(gòu)建兩部分，對于高密度電法數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體和空間五面體兩種空間多面體模型，對于大地電磁測深數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體一種空間多面體模型。
所述模型繪制模塊包括地質(zhì)模型繪制單元，用于對建立的三維地質(zhì)模型進(jìn)行繪制顯示，并對經(jīng)過切割、透明處理和顏色設(shè)置后的模型進(jìn)行顯示；輔助模型繪制單元，用于繪制顯示對整體地質(zhì)模型起到輔助顯示作用的信息。
所述模型渲染模塊包括顯示模式控制單元，用于控制模型的顯示方式，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)、線框與填充三種顯示模式，數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示模式顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中包括插值的數(shù)據(jù)點(diǎn)；線框顯示模式顯示模型數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)，即模型的骨架；填充顯示模式顯示經(jīng)過著色與平滑處理后顯示的模型；透明度控制單元，用于控制模型的透明性，顯示球物理參數(shù)的分布特征；
燈光控制單元，用于增強(qiáng)模型的真實(shí)感；反走樣控制單元，用于消除點(diǎn)、線、面顯示中的鋸齒線；消隱控制單元，用于使距離視點(diǎn)近的物體遮擋距離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體；著色模式控制單元，用于控制模型的著色方式，包括單一著色方式與光滑著色方式，單一著色方式利用一種顏色區(qū)填充一個(gè)多邊形，光滑著色方式根據(jù)不同頂點(diǎn)對多邊形顏色進(jìn)行填充。
所述模型操作模塊包括切割功能單元，用于對模型進(jìn)行剖切以展示模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；透明化處理功能單元，用于對任意地球物理參數(shù)范圍內(nèi)的區(qū)間進(jìn)行設(shè)置，顯示某一地球物理屬性值區(qū)間的地質(zhì)體；顏色設(shè)置功能單元，用于對模型按照地球物理屬性值進(jìn)行分段設(shè)色；屬性查詢功能單元，用于通過鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊地質(zhì)模型，顯示地質(zhì)模型的屬性信息。
該系統(tǒng)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)插值模塊，用于在建立空間多面體模型時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。
對于不同的數(shù)據(jù)類型，所述數(shù)據(jù)插值模塊采用不同的插值方式進(jìn)行插值。
該系統(tǒng)進(jìn)一步包括模型變換模塊，用于對繪制在屏幕上的地質(zhì)體模型進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)操作，實(shí)現(xiàn)以不同的角度、大小、方向、方式來展示地質(zhì)體模型。
所述放大、縮小以等倍率改變模型的大?。凰銎揭评檬髽?biāo)改變模型在屏幕上的位置；所述旋轉(zhuǎn)利用鼠標(biāo)直接控制模型的旋轉(zhuǎn)角度。
(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，將高密度電法數(shù)據(jù)、大地電磁測深數(shù)據(jù)兩種地球物體方法的勘探結(jié)果做成三維地質(zhì)體模型，為地質(zhì)人員提供形象、直觀、動(dòng)態(tài)的地球物理反演資料。同時(shí)，本發(fā)明也將推動(dòng)這兩種地球物理勘探方法的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
2、本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，首次利用Microsoft公司最新推出的C#語言，并且基于Microsoft.NET平臺(tái)開發(fā)了地質(zhì)體三維可視化應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了在快速開發(fā)的同時(shí)又可以調(diào)用底層平臺(tái)所有功能的完美結(jié)合。
3、本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，提出了多種地質(zhì)模型可視化處理方案，可以直接三維交互的方式對模型進(jìn)行平移、放縮、旋轉(zhuǎn)、切割；對地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、自定義顏色區(qū)間、實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的插值等功能。另外，還實(shí)現(xiàn)了透明、消隱、光照、多種顯示模式等可視化功能。
4、本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，將地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，綜合多學(xué)科優(yōu)勢，充分利用地質(zhì)原理、地球物理方法、鉆探技術(shù)、3S技術(shù)，建立了從數(shù)據(jù)采集、分析和處理到三維模型構(gòu)建的信息鏈。
5、本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，人工干預(yù)工作少，自動(dòng)化程度高，完全能夠適應(yīng)野外快速勘探測量需求，應(yīng)用前景非常好。


圖1為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的總體框架圖；圖2為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取模塊的示意圖；圖4為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析模塊的示意圖；圖5為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中建模模塊的示意圖；圖6為高密度電法數(shù)據(jù)點(diǎn)空間位置示意圖；圖7為空間六面體剖分示意圖；
圖8為空間五面體剖分示意圖；圖9為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型繪制模塊的示意圖；圖10為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型渲染模塊的示意圖；圖11為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型操作模塊的示意圖；圖12為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)插值模塊的示意圖；圖13為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型變換模塊的示意圖；圖14為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)第六區(qū)塊整體效果圖；圖15為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)第六區(qū)塊切割效果圖；圖16為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例透明效果圖；圖17為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)MT數(shù)據(jù)測量結(jié)果整體效果圖；圖18為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)MT數(shù)據(jù)測量結(jié)果切割效果圖；圖19為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析曲線圖與柱狀圖；圖20為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析餅圖與面積圖；圖21為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的正面透視圖；圖22為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的背面透視圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供的這種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，采用四面體建模方法，基于地球物理數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，同時(shí)也提供了多種對模型進(jìn)行觀測剖析的工具，使得用戶可以對模型進(jìn)行更深入的了解?；谶@些功能可以得知整個(gè)可視化的過程首先需要讀入原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理；然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的建立；將模型可視化顯示出來；運(yùn)用各種功能觀察模型；根據(jù)所需信息選擇具體功能進(jìn)行深層次信息挖掘。
根據(jù)系統(tǒng)的功能與流程分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的總體框架圖。首先在野外采集每一個(gè)點(diǎn)位的空間信息和地球物理數(shù)據(jù)；然后回到室內(nèi)整理為統(tǒng)一格式，建立數(shù)據(jù)庫(Access、Excel或SQL sever數(shù)據(jù)庫)；再經(jīng)過選擇數(shù)據(jù)插值次數(shù)，利用合適的建模方法建立三維地質(zhì)模型，得到可視化結(jié)果。針對可視化結(jié)果，可以通過三維交互直接操作模型實(shí)現(xiàn)對模型的一系列操作，包括重新生成地質(zhì)模型。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)至少包括數(shù)據(jù)讀取模塊20、數(shù)據(jù)分析模塊21、建模模塊22、模型繪制模塊23、模型渲染模塊24和模型操作模塊25。
其中，數(shù)據(jù)讀取模塊20用于讀入由野外采集并整理好的數(shù)據(jù)文件，并將讀入的數(shù)據(jù)存為對象數(shù)組。如圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取模塊的示意圖。所述數(shù)據(jù)讀取模塊讀入的數(shù)據(jù)文件包括高密度電法數(shù)據(jù)和大地電磁測深數(shù)據(jù)兩種類型，該數(shù)據(jù)文件字段包括三維坐標(biāo)x、y、z和數(shù)據(jù)測試空間點(diǎn)位的點(diǎn)號(hào)、線號(hào)、層號(hào)，該數(shù)據(jù)文件格式為Access、Excel或SQL Server中任意一種。
數(shù)據(jù)分析模塊21用于對數(shù)據(jù)讀取模塊20讀入的地質(zhì)空間點(diǎn)位的地球物理屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)分析，顯示地球物理屬性數(shù)據(jù)的非空間的分布規(guī)律和分布特征。如圖4所示，圖4為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析模塊的示意圖。數(shù)據(jù)分析模塊對地質(zhì)空間點(diǎn)位的地球物理屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)分析，用以方便地質(zhì)工作者迅速直觀地看到地球物理屬性數(shù)據(jù)的非空間的分布規(guī)律、分布特征。所述數(shù)據(jù)分析模塊21統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的顯示方式包括折線圖、柱狀圖、曲線圖、點(diǎn)圖、餅圖、面積圖或散點(diǎn)圖，且所述圖形以二維或三維方式顯示。
建模模塊22用于按照數(shù)據(jù)點(diǎn)位的空間分布特征將數(shù)據(jù)讀取模塊20讀入并存儲(chǔ)的對象數(shù)組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合構(gòu)建成具體的空間多面體模型。如圖5所示，圖5為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中建模模塊的示意圖。
利用在數(shù)據(jù)讀取模塊存儲(chǔ)的對象數(shù)組，結(jié)合地球物理專業(yè)知識(shí)和已知的數(shù)據(jù)點(diǎn)位的空間分布特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模工作，建模模塊就是要把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)按照一定的方式組合起來，本軟件系統(tǒng)采用的是不規(guī)則四面體的建模方法，所以，建模結(jié)果就得到一系列不規(guī)則四面體。下面是具體解決方案建模模塊包括空間四面體構(gòu)建和空間五面體構(gòu)建兩部分，它主要負(fù)責(zé)通過原始數(shù)據(jù)構(gòu)建具體模型的過程，是建模算法的具體實(shí)現(xiàn)模塊。由于兩種地球物理數(shù)據(jù)的空間分布特征不同，對于高密度電法數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體和空間五面體兩種空間多面體模型，對于大地電磁測深數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體一種空間多面體模型。
本發(fā)明目前選取高密度電法數(shù)據(jù)和大地電磁測深數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。本實(shí)例采用的高密度電法測量數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律性第一，測線與測線基本平行。第二，測區(qū)中每條測線的測量點(diǎn)數(shù)一致。
根據(jù)高密度電法工作原理，隨著測量深度的增加，測量點(diǎn)數(shù)越來越少，每向下增加一層，減少3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。高密度電法的數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間位置示意如圖6所示，圖6為高密度電法數(shù)據(jù)點(diǎn)空間位置示意圖。假設(shè)測區(qū)內(nèi)只有兩條測線，其中，a，b，c，d，e是第一條測線的第一層的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，x，y是該線第二層的2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。1，2，3，4，5是第二條測線的第一層的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，11，12是第二條測線的第二層的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都有自己獨(dú)立的空間坐標(biāo)、空間屬性和物理屬性(物理參數(shù))。
然后按照如圖6所示對測區(qū)地質(zhì)體進(jìn)行剖分，可以剖分為兩種類型，一種類型是空間六面體，也是在實(shí)際應(yīng)用中剖分出的最多的一種類型。另一種類型是空間五面體，這類模型在測區(qū)的邊緣出現(xiàn)。
由于空間中非共線的任意三個(gè)點(diǎn)共面，所以采用把形狀復(fù)雜空間六面體和空間五面體剖分為若干個(gè)由4個(gè)三角形組成的四面體是最科學(xué)、最客觀的表示方法。
其中，圖6中示意的空間六面體的剖分方法如圖7所示，圖7為空間六面體剖分示意圖。六面體的上面由頂點(diǎn)A、B、C、D組成，下面由頂點(diǎn)a、b、c、d組成?？臻g六面體剖分后成為五個(gè)四面體，分別是DBaA，DBcC，Dacd，DacB，acbB。
如圖8所示，圖8為空間五面體剖分示意圖。按照圖中示意的空間五面體的剖分方法，剖分為三個(gè)四面體，分別是BCFD，ACEB，ECFB。
至此，高密度電法數(shù)據(jù)可按上述兩種類型的剖分方法建立三維地球物理模型，實(shí)現(xiàn)了由數(shù)據(jù)點(diǎn)到三維模型的本質(zhì)變化。大地電磁測深數(shù)據(jù)具有每一層都有相同點(diǎn)數(shù)的特點(diǎn)，相對高密度電法來說，數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)模過程相對比較容易，采用圖7所示的空間六面體的剖分方法即可。
模型繪制模塊23用于將建模模塊22構(gòu)建的空間多面體模型繪制在計(jì)算機(jī)顯示屏上，為構(gòu)建的各種模型可視化的內(nèi)部引擎，負(fù)責(zé)模型的繪制顯示。如圖9所示，圖9為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型繪制模塊的示意圖。
模型繪制模塊是把這些不規(guī)則四面體繪制在計(jì)算機(jī)顯示屏上，同時(shí)也要繪制一些輔助信息。其中，四面體各個(gè)頂點(diǎn)的顏色由地球物理數(shù)值來決定，實(shí)質(zhì)就是地球物理數(shù)值色標(biāo)化。
模型繪制模塊包括地質(zhì)模型繪制單元與輔助模型繪制單元兩部分，它是各種模型可視化的內(nèi)部引擎，負(fù)責(zé)模型的繪制顯示。其中，地質(zhì)模型繪制單元用于對建立的三維地質(zhì)模型進(jìn)行繪制顯示，并對經(jīng)過切割、透明處理和顏色設(shè)置后的模型進(jìn)行顯示；輔助模型繪制單元用于繪制顯示對整體地質(zhì)模型起到輔助顯示作用的信息，如在地質(zhì)模型框架、輔助顯示的文字信息等。
模型渲染模塊24用于對模型進(jìn)行顯示、透明度、燈光、反走樣、消隱、著色、融合、紋理貼圖和邊界處理，為三維地質(zhì)模型的顯示增添逼真的效果。如圖10所示，圖10為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型渲染模塊的示意圖。
模型渲染模塊是為了是模型顯示更加逼真而進(jìn)行的一系列矩陣運(yùn)算。模型渲染模塊包括顯示模式、透明度、燈光、反走樣、消隱、著色模式、霧化、融合、紋理貼圖，邊界模式等功能，它能夠給三維地質(zhì)模型的顯示增添各種不同的效果，如增強(qiáng)三維立體感，給人真實(shí)的感覺等等。顯示模式控制模型的顯示方式，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)、線框(不填充)與填充三種模式，數(shù)據(jù)點(diǎn)模式只顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中包括插值的數(shù)據(jù)點(diǎn)，線框模式只顯示模型數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)，也就是只能看到模型的骨架，填充模式是經(jīng)過著色與平滑處理后顯示的模型，也是最直觀的顯示方式。
透明度控制模型的透明性，主要用于顯示球物理參數(shù)的分布特征；燈光可以增強(qiáng)模型的真實(shí)感；反走樣用以消除點(diǎn)、線、面顯示中的鋸齒線；消隱能夠使距離視點(diǎn)近的物體遮擋距離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體；著色模式包括單一著色與光滑著色，單一著色是用一種顏色區(qū)填充一個(gè)多邊形，光滑著色中多邊形顏色填充與其每個(gè)頂點(diǎn)有關(guān)。
模型操作模塊25用于對構(gòu)建的空間多面體模型進(jìn)行切割、透明處理、顏色設(shè)置和屬性查詢操作，以多種可視化的形式展現(xiàn)三維地質(zhì)模型。如圖11所示，圖11為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型操作模塊的示意圖。
模型操作模塊是針對本軟件系統(tǒng)建立的三維地質(zhì)模型特別開發(fā)的可以與用戶進(jìn)行交流的操作模塊。目的是達(dá)到挖掘模型內(nèi)部各種信息的目的，并將信息以可視化的形式進(jìn)行展現(xiàn)，滿足客戶的需求。
這個(gè)模塊包括切割、透明處理、屬性查詢等功能。切割是對模型進(jìn)行剖切以展示模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；透明化處理可以對任意地球物理參數(shù)范圍內(nèi)的區(qū)間進(jìn)行設(shè)置，從而只顯示這一地球物理屬性值區(qū)間的地質(zhì)體，極大方便了地質(zhì)學(xué)家觀察他們關(guān)心的地質(zhì)體；顏色設(shè)置可以對模型按照地球物理屬性值進(jìn)行分段設(shè)色；屬性查詢是通過鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊地質(zhì)模型，而模型則反饋相應(yīng)的屬性信息，在本系統(tǒng)中提供了關(guān)于地層的屬性信息由于野外采集的儀器、數(shù)據(jù)采集方法、采集成本等諸多客觀原因，造成采樣密度不夠、采樣分布不合理、采樣存在空白區(qū)等。為使三維地質(zhì)模型顯示細(xì)膩，并且為了兼顧模型顯示效率問題，基于上述圖2所示包括數(shù)據(jù)讀取模塊20、數(shù)據(jù)分析模塊21、建模模塊22、模型繪制模塊23、模型渲染模塊24和模型操作模塊25的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，本發(fā)明還特意設(shè)置了數(shù)據(jù)插值模塊26，以供用戶選擇更多的插值次數(shù)。
如圖12所示，圖12為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)插值模塊的示意圖。數(shù)據(jù)插值模塊26用于在建立空間多面體模型時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。對于不同的數(shù)據(jù)類型，所述數(shù)據(jù)插值模塊采用不同的插值方式進(jìn)行插值。
另外，本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，還可以進(jìn)一步包括模型變換模塊27，用于對繪制在屏幕上的地質(zhì)體模型進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)操作，實(shí)現(xiàn)以不同的角度、大小、方向、方式來展示地質(zhì)體模型。
如圖13所示，圖13為本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)中模型變換模塊的示意圖。模型變換模塊是對繪制在屏幕上的地質(zhì)體模型進(jìn)行的常規(guī)操作，以便更好的觀察地質(zhì)體模型。該模塊主要功能包括放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、等功能，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以不同的角度、大小、方向、方式來展示模型，使用戶可以更詳細(xì)、更清楚地獲取所需的模型信息。放大、縮小是以等倍率改變模型的大?。黄揭剖抢檬髽?biāo)改變模型在屏幕上的位置；旋轉(zhuǎn)是利用鼠標(biāo)直接控制模型的旋轉(zhuǎn)角度；這些功能均可以由用戶自己選擇控制改變的方向。
基于圖2所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，以下結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明提供的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例一本實(shí)施例為高密度電法實(shí)例。在本實(shí)施例的野外測量中使用了重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2型高密度電法儀測量系統(tǒng)，該儀器由多路電極轉(zhuǎn)換器DUK-2和多功能直流電法儀DZD-6共同組成，觀測參數(shù)為視電阻率ρs，野外測量時(shí)將剖面電極一次性布好，設(shè)置好儀器的采集參數(shù)和裝置參數(shù)，則可自動(dòng)進(jìn)行斷面視電阻率值的測量和存儲(chǔ)記錄工作；然后將儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)回收至筆記本電腦。
本次野外布線方式采用的是經(jīng)典的溫納AMNB裝置(即對稱四極裝置方式，WN)。如圖14和15所示，圖14為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)第六區(qū)塊整體效果圖，圖15為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)第六區(qū)塊切割效果圖。布置側(cè)線19條，每條側(cè)線63個(gè)電極，共測11799個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，是該工作去中獲取數(shù)據(jù)量最大的區(qū)塊，建立三維模型后，明顯看出表達(dá)的地質(zhì)體非常細(xì)膩、逼真。
如圖16所示，圖16為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例透明效果圖。該透明效果圖，可以任意設(shè)置透明區(qū)間，便于全方位、多角度觀察地質(zhì)體。實(shí)踐表明，透明效果的使用，非常方便用戶觀察異常體分布特征，比任意切割方法更能表現(xiàn)地質(zhì)體形態(tài)，尤其對于復(fù)雜的地質(zhì)體。
經(jīng)實(shí)際鉆孔驗(yàn)證，成功勘查了該復(fù)雜采空區(qū)的多期古采硐。
實(shí)施例二本實(shí)施例為大地電磁測深實(shí)例。在本實(shí)施例的野外工作中使用了既可實(shí)時(shí)處理，又可記錄、存儲(chǔ)原始時(shí)間序列的最先進(jìn)的德國Metronix公司生產(chǎn)的大地電磁測深儀GMS-06進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀器共計(jì)六臺(tái)，包括二臺(tái)五分量及4臺(tái)二分量系統(tǒng)，工作中，六臺(tái)儀器同時(shí)使用，依靠儀器自帶的精密的GPS系統(tǒng)進(jìn)行同步記錄。
如圖17和18所示，圖17為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)MT數(shù)據(jù)測量結(jié)果整體效果圖，圖18為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例某工作區(qū)MT數(shù)據(jù)測量結(jié)果切割效果圖。
如圖19和20所示，圖19為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析曲線圖與柱狀圖；圖20為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析餅圖與面積圖。
由上述圖17、18、19和20可見，無論從哪種形式看，該地?cái)?shù)據(jù)都有如下特點(diǎn)分布比較均勻，極大、極小值出現(xiàn)的概率?。粩?shù)據(jù)分布比較對稱，大部分?jǐn)?shù)據(jù)分布于中間值3.0附近。
在測量點(diǎn)325進(jìn)行鉆探工程驗(yàn)證，鉆至172m時(shí)，已有熱水噴出地表，地溫測量在500m已達(dá)到85℃，現(xiàn)在鉆探孔已于655m終孔。在測量點(diǎn)325下方，有一個(gè)封閉的低阻地質(zhì)體，兩側(cè)是逐漸增高的高阻地質(zhì)體，再往下方也是大范圍的低阻區(qū)塊。同時(shí)，透明圖也證明了這一點(diǎn)，圖21為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的正面透視圖，即用戶由南向北觀察地質(zhì)體，左側(cè)是西，右側(cè)是東。圖22為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例大地電磁測深數(shù)據(jù)的背面透視圖，與圖21正好相反，用戶由北向南觀察地質(zhì)體，左側(cè)是東，右側(cè)是西。通過設(shè)置電阻率在區(qū)間[2，3]，可以清楚地看到綠色低阻體的形態(tài)、規(guī)模，并且推測這一大范圍的低阻體是一個(gè)大的高溫?zé)崽?，大致分布?.5-4km的深度范圍內(nèi)，鉆探也證明了這一點(diǎn)。通過地球物理數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維地質(zhì)模型，比較真實(shí)的勾畫出了整個(gè)熱儲(chǔ)構(gòu)造的形態(tài)，這是二維資料圖無法做到的。
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)讀取模塊，用于讀入由野外采集并整理好的數(shù)據(jù)文件，并將讀入的數(shù)據(jù)存為對象數(shù)組；數(shù)據(jù)分析模塊，用于對數(shù)據(jù)讀取模塊讀入的地質(zhì)空間點(diǎn)位的地球物理屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)分析，顯示地球物理屬性數(shù)據(jù)的非空間的分布規(guī)律和分布特征；建模模塊，用于按照數(shù)據(jù)點(diǎn)位的空間分布特征將數(shù)據(jù)讀取模塊讀入并存儲(chǔ)的對象數(shù)組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合構(gòu)建成具體的空間多面體模型；模型繪制模塊，用于將建模模塊構(gòu)建的空間多面體模型繪制在計(jì)算機(jī)顯示屏上，為構(gòu)建的各種模型可視化的內(nèi)部引擎，負(fù)責(zé)模型的繪制顯示；模型渲染模塊，用于對模型進(jìn)行顯示、透明度、燈光、反走樣、消隱、著色、融合、紋理貼圖和邊界處理，為三維地質(zhì)模型的顯示增添逼真的效果；模型操作模塊，用于對構(gòu)建的空間多面體模型進(jìn)行切割、透明處理、顏色設(shè)置和屬性查詢操作，以多種可視化的形式展現(xiàn)三維地質(zhì)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)讀取模塊讀入的數(shù)據(jù)文件包括高密度電法數(shù)據(jù)和大地電磁測深數(shù)據(jù)兩種類型，該數(shù)據(jù)文件字段包括三維坐標(biāo)x、y、z和數(shù)據(jù)測試空間點(diǎn)位的點(diǎn)號(hào)、線號(hào)、層號(hào)，該數(shù)據(jù)文件格式為Access、Excel或SQL Server中任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)分析模塊統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的顯示方式包括折線圖、柱狀圖、曲線圖、點(diǎn)圖、餅圖、面積圖或散點(diǎn)圖，且所述圖形以二維或三維方式顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述建模模塊包括空間四面體構(gòu)建和空間五面體構(gòu)建兩部分，對于高密度電法數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體和空間五面體兩種空間多面體模型，對于大地電磁測深數(shù)據(jù)所述建模模塊構(gòu)建空間四面體一種空間多面體模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述模型繪制模塊包括地質(zhì)模型繪制單元，用于對建立的三維地質(zhì)模型進(jìn)行繪制顯示，并對經(jīng)過切割、透明處理和顏色設(shè)置后的模型進(jìn)行顯示；輔助模型繪制單元，用于繪制顯示對整體地質(zhì)模型起到輔助顯示作用的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述模型渲染模塊包括顯示模式控制單元，用于控制模型的顯示方式，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)、線框與填充三種顯示模式，數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示模式顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中包括插值的數(shù)據(jù)點(diǎn)；線框顯示模式顯示模型數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)，即模型的骨架；填充顯示模式顯示經(jīng)過著色與平滑處理后顯示的模型；透明度控制單元，用于控制模型的透明性，顯示球物理參數(shù)的分布特征；燈光控制單元，用于增強(qiáng)模型的真實(shí)感；反走樣控制單元，用于消除點(diǎn)、線、面顯示中的鋸齒線；消隱控制單元，用于使距離視點(diǎn)近的物體遮擋距離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體；著色模式控制單元，用于控制模型的著色方式，包括單一著色方式與光滑著色方式，單一著色方式利用一種顏色區(qū)填充一個(gè)多邊形，光滑著色方式根據(jù)不同頂點(diǎn)對多邊形顏色進(jìn)行填充。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述模型操作模塊包括切割功能單元，用于對模型進(jìn)行剖切以展示模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；透明化處理功能單元，用于對任意地球物理參數(shù)范圍內(nèi)的區(qū)間進(jìn)行設(shè)置，顯示某一地球物理屬性值區(qū)間的地質(zhì)體；顏色設(shè)置功能單元，用于對模型按照地球物理屬性值進(jìn)行分段設(shè)色；屬性查詢功能單元，用于通過鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊地質(zhì)模型，顯示地質(zhì)模型的屬性信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)插值模塊，用于在建立空間多面體模型時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，對于不同的數(shù)據(jù)類型，所述數(shù)據(jù)插值模塊采用不同的插值方式進(jìn)行插值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括模型變換模塊，用于對繪制在屏幕上的地質(zhì)體模型進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)操作，實(shí)現(xiàn)以不同的角度、大小、方向、方式來展示地質(zhì)體模型。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，其特征在于，所述放大、縮小以等倍率改變模型的大?。凰銎揭评檬髽?biāo)改變模型在屏幕上的位置；所述旋轉(zhuǎn)利用鼠標(biāo)直接控制模型的旋轉(zhuǎn)角度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于地球物理場數(shù)據(jù)的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、建模模塊、模型繪制模塊、模型渲染模塊和模型操作模塊。利用本發(fā)明，將高密度電法數(shù)據(jù)、大地電磁測深數(shù)據(jù)兩種地球物體方法的勘探結(jié)果做成三維地質(zhì)體模型，為地質(zhì)人員提供形象、直觀、動(dòng)態(tài)的地球物理反演資料。同時(shí)，本發(fā)明也將推動(dòng)這兩種地球物理勘探方法的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。另外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在快速開發(fā)的同時(shí)又可以調(diào)用底層平臺(tái)所有功能的完美結(jié)合，還實(shí)現(xiàn)了透明、消隱、光照、多種顯示模式等可視化功能。本發(fā)明提供的這種地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，人工干預(yù)工作少，自動(dòng)化程度高，完全能夠適應(yīng)野外快速勘探測量需求，應(yīng)用前景非常好。
文檔編號(hào)G06T15/00GK101051394SQ20071006533
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者祁民, 張寶林 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所