專利名稱：基于gis與虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維地質(zhì)建模的方法，尤其是一種基于GIS(地理信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言開發(fā)實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的簡(jiǎn)化方法，用于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的快速、實(shí)時(shí)的三維地質(zhì)建模，運(yùn)用該方法對(duì)某研究區(qū)域進(jìn)行了三維地質(zhì)建模。
背景技術(shù)：
由于地質(zhì)體是經(jīng)歷長(zhǎng)期、復(fù)雜的地質(zhì)作用形成的，要完全真實(shí)的再現(xiàn)地質(zhì)體是一個(gè)難題。目前對(duì)地質(zhì)體的表達(dá)主要以地形圖、地質(zhì)圖、剖面圖以及柱狀圖等二維描述為主，但隨著各種重大工程建設(shè)不斷增多，對(duì)于地質(zhì)體三維建模的需求逐漸增加，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使得三維地質(zhì)建模成為可能。本發(fā)明涉及三維地質(zhì)建模是了解地層分布與結(jié)構(gòu)特征的重要手段，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問題。但目前的建模方法，包括一些商業(yè)軟件，普遍存在專業(yè)知識(shí)要求高、建模周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)前期處理復(fù)雜等一系列缺點(diǎn)。本技術(shù)提出了一種基于GIS數(shù)據(jù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言開發(fā)實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的簡(jiǎn)化方法，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的快速、實(shí)時(shí)的三維地質(zhì)建模，并運(yùn)用該方法對(duì)某研究區(qū)域進(jìn)行了三維地質(zhì)建模。
近幾年，地質(zhì)體三維建模的相關(guān)研究成為熱點(diǎn)，見[1]Simon W.Houlding，3DGeoscience Modeling[M]，Hong Kong，Springer，1994.1-3；[2]Simon W.Houlding，PracticalGeostatistic[M]，GermanySpringer，2000.27-114.，國(guó)內(nèi)外一些成熟的商用軟件也不斷推出，如美國(guó)CogniSeis Development公司的TerraCube、加拿大Kirkham Geosystems公司的MicroLynx等，[3]方海東，劉義懷，施斌等，三維地質(zhì)建模及其工程應(yīng)用，水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002年第3期。然而這些軟件存在數(shù)據(jù)前處理復(fù)雜、建模周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，并且建模過(guò)程都需要具備較高地質(zhì)專業(yè)知識(shí)和軟件操作水平的人員進(jìn)行干預(yù)。在工程勘察中對(duì)建模的時(shí)效性要求比較高，往往需要在鉆探取樣完成之后很快的給出地質(zhì)體的三維模型。這一要求對(duì)于數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、建模周期較長(zhǎng)的方法顯然是無(wú)法滿足的。
虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個(gè)仿真的虛擬境界，使參觀者獲得與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺的一項(xiàng)新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)在當(dāng)今國(guó)際上倍受關(guān)注的課題。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(Virtual Reality Modeling Language，簡(jiǎn)稱VRML)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的工具之一。VRML是用文檔腳本來(lái)描述三維物體的語(yǔ)言，于1998年1月被正式比準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它定義了當(dāng)今3D應(yīng)用中的絕大多數(shù)常見概念，諸如變換層級(jí)，視點(diǎn)，幾何，動(dòng)畫，材質(zhì)屬性和紋理映射等。
VRML是解釋性語(yǔ)言，也就是說(shuō)在實(shí)現(xiàn)模型展示、旋轉(zhuǎn)、縮放過(guò)程中需要一個(gè)解釋器。由于VRML是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言，因此解釋器無(wú)需自行開發(fā)，大大降低了三維建模的成本、提高開發(fā)效率。本文借用VRML中對(duì)幾何形體的建模、材質(zhì)貼圖以及動(dòng)畫控制功能實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模，由于VRML是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的建模語(yǔ)言，也有利于建模的標(biāo)準(zhǔn)化。
隨著GIS在勘察行業(yè)中的應(yīng)用不斷深入，大量的數(shù)據(jù)都已經(jīng)或者正在用GIS進(jìn)行管理和維護(hù)。尤其是鉆孔資料，它是揭示地質(zhì)體信息的最直觀的資料之一。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于現(xiàn)實(shí)的GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)協(xié)同工作進(jìn)行實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法。尤其是一種簡(jiǎn)化的三維地質(zhì)建模方法，用于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的快速、實(shí)時(shí)的三維地質(zhì)建模。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)協(xié)同工作進(jìn)行實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，利用VRML在一個(gè)六面體的表面上進(jìn)行貼圖，六面體的尺寸取決于用戶在二維電子地圖中繪制的矩形框的尺寸以及鉆孔所及的最大深度，其中四個(gè)側(cè)面的貼圖用來(lái)表達(dá)巖性隨深度的變化情況，構(gòu)建模型的主體，貼圖中的位置信息來(lái)自與基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)的分層信息由計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建巖層的剖面圖；頂面貼圖采用該六面體所在區(qū)域的二維地圖，該地圖來(lái)自二維GIS的電子地圖；而略去對(duì)六面體的底面的圖形處理。
由于六面體的底面反應(yīng)的僅僅是一個(gè)切面，為簡(jiǎn)單起見，可以不進(jìn)行貼圖。
本發(fā)明的特點(diǎn)是目前三維地質(zhì)建模方法非常多，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)有不少成熟的商業(yè)軟件可以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模，與這些方法相比本發(fā)明方法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)(1)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模，有效利用了原始數(shù)據(jù)，減少人工干預(yù)。傳統(tǒng)的三維地質(zhì)建模方法一般需要進(jìn)行針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理、剖面生成以及體視化處理等多個(gè)步驟。尤其是數(shù)據(jù)處理的過(guò)程耗時(shí)普遍較長(zhǎng)，且需要多個(gè)步驟的人工干預(yù)。因此其建模周期較長(zhǎng)。本文所述方法是基于GIS管理系統(tǒng)下完成的，而在系統(tǒng)中，鉆孔數(shù)據(jù)是管理系統(tǒng)的一部分，因此不會(huì)增加數(shù)據(jù)處理成本。使用中，只需繪制三維模型的頂面四邊形即可實(shí)時(shí)創(chuàng)建三維模型，提高了建模效率。
(2)與GIS建立實(shí)質(zhì)性的關(guān)聯(lián)。本文所敘述的方法的最為突出的特點(diǎn)是與GIS建立了實(shí)質(zhì)性的相關(guān)，也就是說(shuō)與要了解的區(qū)域的空間位置建立相關(guān)，這大大提高了三維地質(zhì)建模的實(shí)用性。通過(guò)二維電子地圖可以很容易得知自己要了解的區(qū)域位置，然后繪制區(qū)域范圍并生成地質(zhì)圖。
(3)可以作為數(shù)據(jù)資料的校核手段。在建模完成后，如果出現(xiàn)地層分布不合理等現(xiàn)象，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，通過(guò)資料分析判斷是地質(zhì)問題還及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，通過(guò)資料分析判斷是地質(zhì)問題還是由于資料錯(cuò)誤造成，決定是否需要補(bǔ)勘。以上處理的結(jié)果只需要對(duì)鉆孔資料庫(kù)進(jìn)行修改后即可重新建模，重復(fù)以上工作直到找到問題所在。
本發(fā)明是基于GIS環(huán)境下，利用VRML作為建模工具實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模的新方法。該方法有效利用了鉆孔資料，無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作，通過(guò)在電子地圖上繪制模型來(lái)表達(dá)區(qū)域范圍實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維地質(zhì)建模。本發(fā)明在工程勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常大，并且將隨著勘察信息管理的信息化和數(shù)字化不斷深入，直接利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔信息實(shí)時(shí)建模，使三維建模不僅僅用來(lái)表達(dá)勘察成果，更可以對(duì)勘察資料進(jìn)行分析和校核，對(duì)勘察工作起指導(dǎo)和輔助決策的作用。
圖1為本發(fā)明VRML三維地質(zhì)建模示意2為本發(fā)明搜索繪制剖面圖所需鉆孔的示意3為本發(fā)明繪制剖面圖示意4為本發(fā)明方法創(chuàng)建的某大橋橋墩三維地質(zhì)模型具體實(shí)施方式
如圖1所示，進(jìn)行三維地質(zhì)建模的基本思路就是六面體的表面上進(jìn)行貼圖，尤其是四個(gè)側(cè)面和頂面。
側(cè)面貼圖為了創(chuàng)建剖面圖的效率，將頂面四邊形的四條邊進(jìn)行等分(見圖2)，具體的等分個(gè)數(shù)取決于鉆孔數(shù)據(jù)的分布密度，以保證每一個(gè)等分點(diǎn)附近有一個(gè)鉆孔，然后以等分點(diǎn)為中心在所有鉆孔數(shù)據(jù)中進(jìn)行空間查詢，找到距離等分點(diǎn)距離最近的鉆孔。然后將該鉆孔的數(shù)據(jù)“平移”到等分點(diǎn)。在鉆孔數(shù)量及分布許可得情況下也可以通過(guò)“插值”獲得等分點(diǎn)處的值。如果在鉆孔分層數(shù)據(jù)中有關(guān)于巖層的傾向和傾角信息的情況下可以通過(guò)“投影”的方式獲得等分點(diǎn)的值。
所謂“平移”，就是以該等分點(diǎn)位置作為搜尋到的鉆孔的平面位置，而鉆孔的巖層分層及巖性信息不變。這種處理方法存在一定的誤差，或用另一種處理方法是利用周圍鉆孔進(jìn)行插值，但在實(shí)際操作過(guò)程中往往因鉆孔數(shù)量、鉆孔分布等原因帶來(lái)誤差?！安逯怠本褪菍?duì)周圍鉆孔巖層分層及巖性的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次樣條平滑或其他方法，求出符合某曲線或直線關(guān)系的未知點(diǎn)數(shù)據(jù)。“投影”是通過(guò)巖層的傾向和傾角由已知鉆孔點(diǎn)向未知點(diǎn)作投影獲得未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
其它等分點(diǎn)的做法依次類推，這樣就可以繪制四個(gè)剖面線的剖面圖。
圖3給出繪制剖面圖的示意圖。剖面圖的繪制的方法比較成熟，只要從搜尋到的鉆孔的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得鉆孔的巖層埋深數(shù)據(jù)以及巖性，并根據(jù)相鄰鉆孔的對(duì)應(yīng)巖層分布情況進(jìn)行連線和填充即可。該過(guò)程利用編程語(yǔ)言創(chuàng)建VRML腳本文件，在VRML中創(chuàng)建相應(yīng)的多邊形面來(lái)完成。
頂面貼圖頂面貼圖為電子地圖中使用者繪制的四邊形區(qū)域的地圖部分。實(shí)現(xiàn)頂面貼圖的方法有多種，其中比較方便和成熟的方法有兩種，一種是通過(guò)調(diào)用Windows API來(lái)完成的；另一種是調(diào)用GIS的保存圖象功能來(lái)完成。兩種方法比較而言，API的方法不受GIS軟件本身的功能限制，屏幕中的任意矩形區(qū)域均可以實(shí)現(xiàn)，其機(jī)理類似于屏幕拷貝。第二種方法的具體步驟應(yīng)根據(jù)采用的GIS軟件功能決定。無(wú)論采用何種方法，最后將該四邊形區(qū)域的地圖保存為硬盤文件，以備VRML中貼圖的需要。關(guān)于頂面貼圖的具體生成方法可以參閱相關(guān)Windows編程教材，這里不作贅述。
六面體制作與貼圖由于VRML是腳本語(yǔ)言，三維模型是根據(jù)腳本語(yǔ)言的描述和解釋器的共同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從腳本語(yǔ)言的撰寫來(lái)講是非常簡(jiǎn)單的，只需要按照規(guī)范的格式將六面體的若干要素(包括六面體的長(zhǎng)、寬和高以及六面體中心點(diǎn)等)進(jìn)行賦值即可。這些要素的值需要利用GIS技術(shù)從空間數(shù)據(jù)中獲取。四個(gè)側(cè)面和表面的貼圖由上述方法給出。在寫VRML文件時(shí)需要注意以下幾個(gè)問題(1)GIS獲取的空間坐標(biāo)及長(zhǎng)度值往往非常大，如(123124.33，321471.33，223312.12)，這些數(shù)據(jù)如果直接寫入VRML文件中將導(dǎo)致模型過(guò)大，模型的繪制和移動(dòng)效率都將大大降低，因此應(yīng)按相應(yīng)比例縮小?？s小到1％-1/10000。
(2)六面體的高度應(yīng)當(dāng)取所有被選中的鉆孔的最大深度或大于鉆孔最大深度的某一個(gè)值，以便保證三維模型可以充分反應(yīng)所有鉆孔的信息。
(3)為保證創(chuàng)建的六面體位于視圖的中心，在VRML文件中應(yīng)當(dāng)設(shè)置視點(diǎn)位置為六面體的質(zhì)心位置向X軸平移一定距離。
創(chuàng)建六面體后，利用VRML提供的定義材質(zhì)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)表面和頂面的貼圖，圖4給出了利用上述方法創(chuàng)建的某大橋橋墩處的三維地質(zhì)模型，整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)有鉆孔113個(gè)，橋址區(qū)面積約1.2平方公里。圖4所示模型范圍內(nèi)共有鉆孔13個(gè)，區(qū)域面積約1000平方米。具體操作是在橋址區(qū)的電子地圖中繪制一個(gè)矩形框，然后執(zhí)行按照上面所敘述的算法開發(fā)的程序模塊立即在彈出的窗口中顯示圖4所示的三維地質(zhì)圖。
權(quán)利要求
1.一種基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是利用VRML在一個(gè)六面體的表面上進(jìn)行貼圖，其中四個(gè)側(cè)面的貼圖用來(lái)表達(dá)巖性隨深度的變化情況，構(gòu)建模型的主體；頂面貼圖采用該六面體所在區(qū)域的二維地圖，該地圖來(lái)自二維GIS的電子地圖；而略去對(duì)六面體的底面的圖形處理。
2.由權(quán)利要求1所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是進(jìn)行三維地質(zhì)建模的基本思路就是六面體的表面上進(jìn)行貼圖時(shí)，將頂面四邊形的四條邊進(jìn)行等分，然后以任意等分點(diǎn)為中心在所有鉆孔數(shù)據(jù)中進(jìn)行空間查詢，找到距離等分點(diǎn)距離最近的鉆孔，然后將該鉆孔的數(shù)據(jù)“平移”到等分點(diǎn)。
3.由權(quán)利要求2所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是所述平移時(shí)，以該等分點(diǎn)位置作為搜尋到的鉆孔的平面位置，而鉆孔的巖層分層及巖性信息不變。
4.由權(quán)利要求2所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是所述平移的方法是利用周圍鉆孔的巖層分層及巖性信息進(jìn)行插值。
5.由權(quán)利要求2所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是GIS獲取的空間坐標(biāo)及長(zhǎng)度值按比例縮小。
6.由權(quán)利要求1或2所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是六面體的高度應(yīng)當(dāng)取所有被選中的鉆孔的最大深度或大于鉆孔最大深度的某一個(gè)值，以便保證三維模型可以充分反應(yīng)所有鉆孔的信息。
7.由權(quán)利要求1或2所述的基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，其特征是在VRML文件中設(shè)置視點(diǎn)位置為六面體的質(zhì)心位置，向X軸平移一定距離。
全文摘要
一種基于GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)三維地質(zhì)建模的方法，利用VRML在一個(gè)六面體的表面上進(jìn)行貼圖，其中四個(gè)側(cè)面的貼圖用來(lái)表達(dá)巖性隨深度的變化情況，構(gòu)建模型的主體；頂面貼圖采用該六面體所在區(qū)域的二維地圖，該地圖來(lái)自二維GIS的電子地圖；而略去對(duì)六面體的底面的圖形處理。本發(fā)明是基于GIS環(huán)境下，利用VRML作為建模工具實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模的新方法。該方法有效利用了鉆孔資料，無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作，通過(guò)在電子地圖上繪制模型來(lái)表達(dá)區(qū)域范圍實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維地質(zhì)建模。本發(fā)明在工程勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常大。
文檔編號(hào)G06T17/05GK1595455SQ20041004112
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者王寶軍, 施斌, 蔡奕, 周匯光, 索文斌 申請(qǐng)人:南京大學(xué)