地质数据三维可视化的属性、分类和关键技术

【摘要】地质灾害勘查治理和国防工程建设领域，有着广泛的需求和应用前景。其发展趋势是实现地上、地下、地理、地质数据一体化三维可视化采集、存储、管理、处理和集成应用。复杂地质结构的表达和快速动态建模方法和技术，仍将是未来一段时间的研究重点，引进知识驱动和本体论思路、方法，可能是解决这些问题的有效途径。

【关键词】数据三维可视化；三维地质建模；表达可视化

1.地质数据可视化的概念和属性

地质数据三维可视化具有科学研究属性的原因在于，地质现象和地质过程都不同程度地存在着结构信息不完全、关系信息不完全、参数信息不完全和演化信息不完全的情况。通常，在地质现象、地质过程分析，地质矿产资源评价和开发利用决策时，对于大量的不确定因素，要依靠技术人员或者领导者本身进行定性理解、定量估算和关系描述，并结合时空数据模型和时空分析模型来进行分析、预测、评估和辅助决策。从数学逻辑的角度看，这是一种半结构化或不良结构化甚至非结构化问题。经验表明，数据可视化是描述、表达和理解各种半结构化甚至非结构化问题的关系和模型的最佳方法和手段。这也正是地矿研究与勘查成果总是用图件形式来表达的原因。而对多维的地质时空信息，仅仅有二维图件是不够的，需要实现三维建模与分析。地质数据可视化的第二个属性是空间决策支持。之所以如此，是因为地质调查、工程勘查、矿产资源勘探的数据处理和应用，最终要提交区域地质结构及其演化、工程地质条件和矿产资源可利用性评价成果，为资源的开发利用和重大工程建设提供多方案比较、选优的决策支持，而地质与资源信息普遍具有空间信息特征。其决策支持属于空间决策支持范畴。

2.空间决策支持认知过程可视化的分类

由于地质工作性质的特殊性，地质信息系统可视化的内容更为丰富，而形式也更为复杂。一般地说，在地理科技领域，人们主要关心诸如地形地貌、地物景观等表而现象；而在地质科技领域，人们最关心的是地质结构和成分的空间分布。因此，在地理信息科技领域，人们多关注“面三维”可视化技术的开发和应用；而在地质信息科技领域，人们多关注“体三维”可视化技术的开发和应用。从应用的角度看，地质空间决策支持认知过程可视化可分为表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化5类。表达可视化泛指原始数据和计算成果以图形或图像的形式在屏幕或其它介质上的显示。分析可视化泛指在可视化环境中进行的各种地质空间决策分析。过程可视化是指在体三维环境中开展各种可视化的地质过程动态模拟。设计可视化是指在体三维可视化环境中进行各种地质工程设计。决策可视化是指在体三维可视化环境中进行矿产资源潜力或工程地质条件评价，进行各类矿产资源开发和地质工程设计的多方案比较选优决策。

3.地质数据可视化的关键技术

3.1海量三维数据体的存储和快速调度

海量三维地质体数据的存储和快速调度是实现地质体、地质现象和地质过程的“5个可视化”的基础。为了实现分析、设计和决策可视化，地质信息系统必须能展现和管理非均质和非参数化的实体，单个地质体的几何数据量往往是地表普通建筑物的几何数据量的几十倍乃至几十万倍；外加上相关的属性数据和拓扑关系数据，对于大范围的海量三维地质体数据，其数据量已远远超出现有常规的三维空间数据管理和处理能力。多线程动态调度方法、自适应的三维空间数据多级缓存方法、基于可视化计算与调度任务关联信息的预调度机制，以及多级三维空间索引技术的提出，可能能够推进海量三维地质体数据有效存储和管理问题的解决。

3.2三维地质体的数字化的快速建模技术

三维地质体的数字化的快速建模技术是三维地质信息系统大规模推广使用的前提条件。三维地质体的建模速度决定了三维地质信息系统的实用性能。最理想的情况是软件系统能够实现足够复杂地质体和地质过程的全自动建模，但迄今为止并未完全实现。为了提高三维地质信息系统的实用性，必须对三维地质体的快速建模方法进行研究，主要包括研究如何提供方便快捷的交互建模工具、研究限定条件下三维地质体模型的自动或半自动建模问题等

关键技术问题。

3.3三维数字地质体的局部快速动态更新技术

三维数字地质体的局部快速动态更新技术，是目前地质空间建模研究热点与难点问题之一。地质空间建模按照技术层次分为5个阶段，即模型可视化阶段、模型度量阶段、模型分析阶段、模型更新阶段和时态建模阶段。前3个阶段属于静态建模，后2个阶段属于动态建模阶段。三维静态建模方法与动态建模方法的本质区别在于建立的三维地质模型是否可以进行模型的快速更新与重构，地质体、地质现象和地质过程的勘探研究都是一个渐进的过程，这就要求三维地质体模型的建模也是一个增量建模的完善过程，能实现三维地质模型的局部快速动态更新。基于钻孔的连续地层序列匹配、基于非共面剖面拓扑推理和基于凸包剪切、限定散点集剖分的动态重构算法是该领域近期的新研究成果。该方法对于研究区域地质背景有假定前提，还不能适应任意复杂的地质环境。

3.4三维数字地质体的快速矢量剪切技术

在建立了三维数字地质体模型的基础上，可进行各种挖刻和剪切分析，进而可统计开挖量或分析地质结构，为地质条件研究、地下工程建设、采矿生产安排提供分析、设计工具。根据所采用的空间数据模型，矢量剪切分析有体剪切技术、空间分区二叉树技术、而剪切技术等。它包括规则的空间线、面、体等之间的矢量剪切，也包括不规则的空间线、面、体等之间的矢量剪切。例如，复杂的地表面与工程实体之间的矢量剪切分析复杂的地质体与工程实体之间的矢量剪切分析。对于具有三维复杂结构的大规模数字地质体矢量剪切分析，可采用三维空间索引、多级缓存技术和基于BSP的快速面片裁剪算法，对三维索引边界进行并行快速布尔运算判定，再通过后台裁剪运算快速重构裁剪后的三维空间实体关系，并提高其准确性、可靠性和效率。

3.5三维数字地质体的多样化空间分析技术

基于三维数字地质体的真三维空间分析功能，既是地质数据三维可视化软件区别于二维软件和计算机图形学的主要特征之一，也是评价一个三维地质勘察信息系统功能的主要指标之一。三维空间分析涉及到大量空间数据的运算和复杂空间关系的判断，如何保证针对异构的三维数字地质体空间分析的准确性、效率和可靠性，适应地质勘查工作的多主题要求，是地质信息技术的共性难点问题。目前，建立有效的、多样的空间分析方法模型，为地质勘察信息系统提供更多更强大的功能，已成为当前地质信息科学领域研究和应用中十分重要的任务。三维数字地质体的空间分析技术通过分析三维地质勘察信息系统空间分析的基木内容，抽象出三维空间分析的原子分析算法，如三维相交检测、布尔运算、点集区域查询等，具有普适性、多样化特征。

4.结论与展望

地质空间决策是各级政府和勘探、矿业、油气田等管理机构领导的重要工作内容，为决策提供技术支持是地质数据三维可视化的重要服务领域。实现地质数据三维可视化，不是为了好看而是为了好用。一个优秀的地质数据三维可视化软件，应当能够实现“表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化”5个方面的功能。

参考文献：

[1]吴冲龙，张洪午，周江羽.盆地模拟的系统观与方法论[J].地球科学―中国地质人学学报，1993，18（6）；741-7473

[2]李裕伟.空间信息技术的发展及其在地球科学中的应用[J].地学前缘，1998，5（1/2）；335-341