三维可视化物探数据分析系统研究
2015-01-29钟红梅简兴祥彭玛丽薛勇
钟红梅+简兴祥+彭玛丽+薛勇
摘 要 以矿产勘探的物探数据为对象，研究物探三维数据体的构造方法和三维数据体空间可视化技术，采用Visual C+++OpenGL进行三维模块系统的开发设计。软件实现了三维数据处理、成像和三维图形的各种交互功能，包括图像显示、放大缩小、旋转、虚拟漫游、切片制作、异常提取等功能。
关键词 物探数据;三维可视化;模块;软件开发
中图分类号：TD163 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0041-02
地球物理勘探是具有一套复杂的技术方法和数据处理流程，涉及方法众多、仪器及数据复杂多样。需要针对性地分析、归纳其数据处理过程，设计一套合理的数据处理方法。并提供一个统一的、系统化软件集成环境，便于地球物理数据处理与解释人员从不同的方法和角度去对比分析资料数据，从而可以提高数据解释精度和可靠性。在系统分析各种方法的基础上，本系统采用模块化开发，以工区管理为基础的松散耦合集成的
方式。
1 系统开发
1）系统设计。软件设计采用的是三层体系构架模型，采用Visual C+++OpenGL进行开发。其中三层体系包括用户界面层、数据处理层和数据访问层。各个功能模块进行独立开发和测试。模块测试后生成动态库，然后在系统软件中集成。
用户界面层：包括系统中的人机交互输入/输出的窗口界面，如菜单栏、消息框等等。
数据处理层：包括系统中的数据输入、预处理、成像、交互、异常提取等内容。
数据访问层：包括系统中的各个数据管理模块，如数据库管理、成图文件管理等。
2）系统结构。
本软件系统由以下模块及子系统组成：
①数据预处理模块：在数据输入系统之前，将各种物探数据格式转换，通过坐标变换、归一化等方式进行，为后期的输入与处理作准备。
②数据导入模块：按照统一固定的输入格式载入数据，并对数据进行分类，便于存储及后期的成像与处理。
③网格化模块：提供二维与三维网格化方法，为三维成图与处理提供数据准备。
④三维成图模块：根据OpenGL三维成图要求，对输入的各种数据形式进行空间几何变换、空间投影、光照材质处理以及渲染等，生成三维图形。
⑤三维交互模块：设计各种交互工具，为用户提供三维图形的选择、选择、漫游、缩放、切割、切片制作等。
⑥异常提取模块：采用各种三维算子在三维数据体重进行梯度计算、边缘检测等，计算出物探数据体中的属性分界面及不连续界面，帮助地质人员识别各种断层及不连续地质界面。
主要模块结构图如下。
3）系统功能。系统功能主要包括工区管理、数据预处理及网格化、三维数据成像、三维图形切割、切片制作等功能。
工区管理是为了方便管理测线数据和坐标数据以及由此生成的三维数据文件而设置的配置程序。导入了数据后，需要对数据进行网格化。网格化之前需要进行坐标投影、旋转及归一化等。在三维数据体组织对话框中，点“网格化处理”按钮将进入网格化处理程序。将三维数据点在三维数据空间中设置成一个小的长方体，其中长宽高的大小与数据体相关。通过一系列的小长方体来表示三维图形。系统采用长方体切割，图形被切割后会重新计算，最后显示切割后的图形。
图1 主要模块结构图
2 OpenGL三维图形显示技术
1）几何变换处理技术。本文实现的算法处理过程中，定义了几个全局变量，可以通过键盘与鼠标进行交互动态修改，实现对三维地质对象的动态变换。其部分代码如下：
2）投影变换处理。投影变换的目的就是定义一个视景体，使得视景体外多余的部分裁剪掉，最终进入图像的只是视景体内的有关部分。投影包括透视投影（Perspective Projection）和正视投影（Orthographic Projection）两种。
本系统是基于地质空间三维可视化，着重体现地质空间中三维地质体的空间关系，采用透射投影具有较好的可视化效果。通过获取当前窗口尺寸，动态地将三维空间投影到当前窗口中。其投影部分代码如下：
3）颜色、光照与材质处理技术。本文根据三维地质模型数据的特点，采用RGBA颜色模式，即采用从0.0到1.0的颜色分量表示三维地质模型的颜色，同时采用一个Alpha值作为颜色融合分量，在颜色计算中，将根据Alpha值的大小计算合成场景中地质体空间点颜色所占比例，这样可以方便实现三维地质空间中的透明显示。
本文表现的是三维地质模型，为了提高处理速度，可以忽略材质的质感。光照设置为正上方为一点光源，设置环境灯光亮度为0.5，材质漫反射光强度为0.6，材质镜面反射强度为0.8，代码如下。
//定义光源数据
GLfloat pos[4]={0，30，0，Alpha};
GLfloat diff[4]={0.6，0.6，0.6，Alpha};
GLfloat ambient[4]={0.5，0.5，0.5，Alpha};
GLfloat specular[4]={0.8，0.8，0.8，1.0};
//设置光照
glLightfv（GL_LIGHT0，GL_POSITION，pos）;
glLightfv（GL_LIGHT0，GL_DIFFUSE，diff）;
glLightfv（GL_LIGHT0，GL_AMBIENT，ambient）;
glLightfv（GL_LIGHT0，GL_SPECULAR，specular）;endprint
glEnable（GL_LIGHT0）;
glEnable（GL_LIGHTING）;
3 三维图形交互技术
1）平移、缩放、旋转技术。三维地质模型可视化与交互技术的实现，需要建立屏幕上的二维坐标与三维空间坐标的对应，同时将二维屏幕上鼠标变化映射成三维空间关系的变化。要将两个变化参数映射成三维空间的三个变化参数（X，Y，Z），需要进行几何变换方法。本文采取空间象限划分的方法，对二维空间进行象限划分，将二维屏幕划分成七个区域，分别对应着七种空间模型变换的方向。
2）三维切片技术。切片是将数据场以平面的方式来表达，可以展示物探属性在二维平面内的分布。将广义三棱柱体看做是由三条棱边组成，每条棱边由一个端点对组成。若三棱柱体被切割面切割，则棱边必然与切割体相交。将切割体简化为平面，则对于组成地质体的每一个广义三棱柱体，可以利用平面方程求交的方式判断三棱柱的各条边是否被切割面切割。切片制作实现过程如下：
①首先用指定切割平面与体元三棱柱求交，并记录交点。
②然后将交点坐标点按一定的顺序连接成三角面片加入到切片集合中。
③最后从三角形集合中按顺序提取出三角形面进行绘制得到结果显示。
通过添加直立、水平或者任意倾斜角度的平面切割，可以实现任意方位和角度对矿体进行切割显示。
图2 三维切片图
3）虚拟漫游技术。通过虚拟漫游的方式，以模拟人行进的实境方式，研究人员可以在三维场景中对三维地质对象进行多角度的细节查看。虚拟漫游的过程是由视点指向参考点的视线不断变换的过程，每一次视点与参考点坐标的变换都会产生新的三维场景。其实现的关键技术包括有：视点与参考点变换、场景实时绘制、鼠标键盘控制和碰撞检测等。
图3是三维矿体模型到VRML虚拟场景的转化结果，将三维数据场模型转换成VRML的三维模型文件（*.wrl）后，可以在本地或者通过Web发布的方式，利用Web浏览器打开该模型进行三维浏览与交互。在虚拟现实浏览器中可以利用多种虚拟漫游与交互工具对该模型进行全方位观察。
图3 三维地质模型转换成VRML场景
4 结束语
本文研究了三维数据体进行空间信息提取和数据挖掘技术，软件可把离散的测点和测线之间的数据信息关联起来，便于地质人员作出准确的解释推断，并能发现一些隐藏的深层次信息，为物探资料的解释提供可靠的辅助手段。软件采用计算机计算技术，克服了人工计算误差较大的缺点，软件的应用，可以提高物探资料的解释精度和速度，降低资料的解释难度。
基金项目
四川省科学技术厅科技支撑计划项目资助（2012FZ0052）。
参考文献
[1]王明华，白云.三维地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础，2006，20（4）.
[2]吴立新，史文中.Christopher Gold.3D GIs与3D GMS中的空间构模技术[J].地理与地理信息科学，2003，19（1）：5-11.
[3]方燕，李梅，胡友健.层状地质体的三维可视化研究[J].焦作工学院学报（自然科学版），2003，22（6）：441-444.
[4]李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现[J].地质通报，2005，24（5）：470-475.
[5]郝海森.含断层的煤层底板TIN构模中数据组织[J].河北工程技术高等专科学校学报，2003（3）：15-19.
[6]何满潮，李学元，刘斌，等.侵入型岩体三维可视化构模技术研究[J].煤田地质与勘探，2004（4）：30-33.
[7]刘少华，程朋根，罗小龙.地矿三维建模及可视化的研究[J].中国矿业，2005，14（10）：49-51.
[8]陈学习，吴立新.三维地学模拟研究现状及发展趋势[J].华北科技学院学报，2003，5（2）：28-32.
[9]姜彦南.三维非地震数据体技术研究[D].成都理工大学，2005.
作者简介
钟红梅（1983-）女，贵州贵阳人，四川省核工业地质调查院，工程师，硕士，研究方向：地球物理勘查专业。endprint
glEnable（GL_LIGHT0）;
glEnable（GL_LIGHTING）;
3 三维图形交互技术
1）平移、缩放、旋转技术。三维地质模型可视化与交互技术的实现，需要建立屏幕上的二维坐标与三维空间坐标的对应，同时将二维屏幕上鼠标变化映射成三维空间关系的变化。要将两个变化参数映射成三维空间的三个变化参数（X，Y，Z），需要进行几何变换方法。本文采取空间象限划分的方法，对二维空间进行象限划分，将二维屏幕划分成七个区域，分别对应着七种空间模型变换的方向。
2）三维切片技术。切片是将数据场以平面的方式来表达，可以展示物探属性在二维平面内的分布。将广义三棱柱体看做是由三条棱边组成，每条棱边由一个端点对组成。若三棱柱体被切割面切割，则棱边必然与切割体相交。将切割体简化为平面，则对于组成地质体的每一个广义三棱柱体，可以利用平面方程求交的方式判断三棱柱的各条边是否被切割面切割。切片制作实现过程如下：
①首先用指定切割平面与体元三棱柱求交，并记录交点。
②然后将交点坐标点按一定的顺序连接成三角面片加入到切片集合中。
③最后从三角形集合中按顺序提取出三角形面进行绘制得到结果显示。
通过添加直立、水平或者任意倾斜角度的平面切割，可以实现任意方位和角度对矿体进行切割显示。
图2 三维切片图
3）虚拟漫游技术。通过虚拟漫游的方式，以模拟人行进的实境方式，研究人员可以在三维场景中对三维地质对象进行多角度的细节查看。虚拟漫游的过程是由视点指向参考点的视线不断变换的过程，每一次视点与参考点坐标的变换都会产生新的三维场景。其实现的关键技术包括有：视点与参考点变换、场景实时绘制、鼠标键盘控制和碰撞检测等。
图3是三维矿体模型到VRML虚拟场景的转化结果，将三维数据场模型转换成VRML的三维模型文件（*.wrl）后，可以在本地或者通过Web发布的方式，利用Web浏览器打开该模型进行三维浏览与交互。在虚拟现实浏览器中可以利用多种虚拟漫游与交互工具对该模型进行全方位观察。
图3 三维地质模型转换成VRML场景
4 结束语
本文研究了三维数据体进行空间信息提取和数据挖掘技术，软件可把离散的测点和测线之间的数据信息关联起来，便于地质人员作出准确的解释推断，并能发现一些隐藏的深层次信息，为物探资料的解释提供可靠的辅助手段。软件采用计算机计算技术，克服了人工计算误差较大的缺点，软件的应用，可以提高物探资料的解释精度和速度，降低资料的解释难度。
基金项目
四川省科学技术厅科技支撑计划项目资助（2012FZ0052）。
参考文献
[1]王明华，白云.三维地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础，2006，20（4）.
[2]吴立新，史文中.Christopher Gold.3D GIs与3D GMS中的空间构模技术[J].地理与地理信息科学，2003，19（1）：5-11.
[3]方燕，李梅，胡友健.层状地质体的三维可视化研究[J].焦作工学院学报（自然科学版），2003，22（6）：441-444.
[4]李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现[J].地质通报，2005，24（5）：470-475.
[5]郝海森.含断层的煤层底板TIN构模中数据组织[J].河北工程技术高等专科学校学报，2003（3）：15-19.
[6]何满潮，李学元，刘斌，等.侵入型岩体三维可视化构模技术研究[J].煤田地质与勘探，2004（4）：30-33.
[7]刘少华，程朋根，罗小龙.地矿三维建模及可视化的研究[J].中国矿业，2005，14（10）：49-51.
[8]陈学习，吴立新.三维地学模拟研究现状及发展趋势[J].华北科技学院学报，2003，5（2）：28-32.
[9]姜彦南.三维非地震数据体技术研究[D].成都理工大学，2005.
作者简介
钟红梅（1983-）女，贵州贵阳人，四川省核工业地质调查院，工程师，硕士，研究方向：地球物理勘查专业。endprint
glEnable（GL_LIGHT0）;
glEnable（GL_LIGHTING）;
3 三维图形交互技术
1）平移、缩放、旋转技术。三维地质模型可视化与交互技术的实现，需要建立屏幕上的二维坐标与三维空间坐标的对应，同时将二维屏幕上鼠标变化映射成三维空间关系的变化。要将两个变化参数映射成三维空间的三个变化参数（X，Y，Z），需要进行几何变换方法。本文采取空间象限划分的方法，对二维空间进行象限划分，将二维屏幕划分成七个区域，分别对应着七种空间模型变换的方向。
2）三维切片技术。切片是将数据场以平面的方式来表达，可以展示物探属性在二维平面内的分布。将广义三棱柱体看做是由三条棱边组成，每条棱边由一个端点对组成。若三棱柱体被切割面切割，则棱边必然与切割体相交。将切割体简化为平面，则对于组成地质体的每一个广义三棱柱体，可以利用平面方程求交的方式判断三棱柱的各条边是否被切割面切割。切片制作实现过程如下：
①首先用指定切割平面与体元三棱柱求交，并记录交点。
②然后将交点坐标点按一定的顺序连接成三角面片加入到切片集合中。
③最后从三角形集合中按顺序提取出三角形面进行绘制得到结果显示。
通过添加直立、水平或者任意倾斜角度的平面切割，可以实现任意方位和角度对矿体进行切割显示。
图2 三维切片图
3）虚拟漫游技术。通过虚拟漫游的方式，以模拟人行进的实境方式，研究人员可以在三维场景中对三维地质对象进行多角度的细节查看。虚拟漫游的过程是由视点指向参考点的视线不断变换的过程，每一次视点与参考点坐标的变换都会产生新的三维场景。其实现的关键技术包括有：视点与参考点变换、场景实时绘制、鼠标键盘控制和碰撞检测等。
图3是三维矿体模型到VRML虚拟场景的转化结果，将三维数据场模型转换成VRML的三维模型文件（*.wrl）后，可以在本地或者通过Web发布的方式，利用Web浏览器打开该模型进行三维浏览与交互。在虚拟现实浏览器中可以利用多种虚拟漫游与交互工具对该模型进行全方位观察。
图3 三维地质模型转换成VRML场景
4 结束语
本文研究了三维数据体进行空间信息提取和数据挖掘技术，软件可把离散的测点和测线之间的数据信息关联起来，便于地质人员作出准确的解释推断，并能发现一些隐藏的深层次信息，为物探资料的解释提供可靠的辅助手段。软件采用计算机计算技术，克服了人工计算误差较大的缺点，软件的应用，可以提高物探资料的解释精度和速度，降低资料的解释难度。
基金项目
四川省科学技术厅科技支撑计划项目资助（2012FZ0052）。
参考文献
[1]王明华，白云.三维地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础，2006，20（4）.
[2]吴立新，史文中.Christopher Gold.3D GIs与3D GMS中的空间构模技术[J].地理与地理信息科学，2003，19（1）：5-11.
[3]方燕，李梅，胡友健.层状地质体的三维可视化研究[J].焦作工学院学报（自然科学版），2003，22（6）：441-444.
[4]李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现[J].地质通报，2005，24（5）：470-475.
[5]郝海森.含断层的煤层底板TIN构模中数据组织[J].河北工程技术高等专科学校学报，2003（3）：15-19.
[6]何满潮，李学元，刘斌，等.侵入型岩体三维可视化构模技术研究[J].煤田地质与勘探，2004（4）：30-33.
[7]刘少华，程朋根，罗小龙.地矿三维建模及可视化的研究[J].中国矿业，2005，14（10）：49-51.
[8]陈学习，吴立新.三维地学模拟研究现状及发展趋势[J].华北科技学院学报，2003，5（2）：28-32.
[9]姜彦南.三维非地震数据体技术研究[D].成都理工大学，2005.
作者简介
钟红梅（1983-）女，贵州贵阳人，四川省核工业地质调查院，工程师，硕士，研究方向：地球物理勘查专业。endprint
