基于Skyline和IDL平臺的地質數據三維可視化研究

胡勤軍，姜 三，徐愛鋒

（天津市測繪院，天津300381）

隨著計算機可視化技術，地質信息建模理論的不斷發展和完善，地質數據的三維可視化與分析已經得到了重視，在石油勘探，巖土工程和三維GIS等領域成為研究熱點［1－5］。三維地質可視化建模就是利用計算機技術，在三維環境下實現地質信息的管理、解譯、空間分析與預測，以及圖形可視化。其中，地質建模是地質學領域的重點研究內容。三維地質模型對應于計算機環境中的空間數據模型，可以分為基于面的數據模型，基于體的數據模型以及兩者的混合模型［6］。

目前，基于已有的地質模型進行了廣泛的研究和開發［7－11］。這些研究都集中于地下地質數據的三維建模和可視化分析。但是，在實際的地質勘探過程中，地上的地形地貌信息對于地質勘探也具有重要的作用，如勘探任務規劃、影像信息解譯、地形分析等。近年來，以數字攝影測量技術、遙感技術、全球定位系統為核心的3S技術得到了長遠發展和廣泛應用。攝影測量與遙感技術提供了地形數據和地表覆蓋數據的快速獲取和更新手段，可以成為地質勘查中地上地形、地貌數據的主要數據源。因此，綜合利用這些技術和方法，以提高地質勘查工作的效率，信息解譯的多源性和完整性具有十分重要的意義［12－13］。

因此，本文在研究當前地質數據建模理論和方法的基礎上，結合攝影測量與遙感技術，設計和開發了地上地形信息和地下地質數據的三維可視化與分析系統。該系統能夠為地質勘查工作提供地上地形信息管理分析，地下地質數據的三維可視化。

1 技術背景

1．1 地質數據建模

三維地質建模是地質學領域的重點研究內容。總體上來看，三維地質模型可以分為基于面的數據模型、基于體的數據模型以及混合模型。基于面的數據模型側重于三維空間實體的表面展示，如地形表面、地質層面等。這類模型一般用于表達具有均質特性的地質體。其中，TIN模型（不規則三角網模型）是最常用的基于面的數據模型。TIN模型利用三角形面片來模擬地表起伏變化以及其他不規則對象的表面特征。另外，規則格網，不規則格網，參數模型等也是典型的基于面的數據模型。

基于體的數據模型利用大量足夠小的體元（不規則四面體，三棱柱體等）組合描述地質體。這些體元具有單一的屬性特征。因此，基于體的數據模型可以描述非均質特性的地質體。常用的基于體的數據模型有不規則四面體模型，三棱柱體模型，三維柵格模型等。由于現實世界中地形，地質結構的復雜多樣，不可能用單一的數據模型表達所有的地貌特征。混合模型是上述兩種模型的綜合利用，兼顧到不同數據模型的優缺點。本研究將基于三維柵格模型建立地質實體模型。

1．2 開發平臺

三維GIS系統開發模式可以分為底層開發和二次開發。考慮到這些因素，本文選擇成熟的商業平臺Skyline作為地上地形信息三維可視化平臺（核心接口見表1）。Skyline開發平臺利用航空攝影影像、數字高程模型和其它的2D或3D數據源，創建一個交互式的三維環境。該平臺的開發流程主要包括以下幾個方面的內容：①將航空影像、衛星影像、數字高程模型加入到TerraBuilder模塊中，制作成MPT格式的地形數據。②在Terra Explorer Pr o中加載生成的地形數據，實現對場景的漫游和分析功能。③根據需要加入矢量、柵格或者三維模型數據，構建目標系統。

地下地質數據的三維可視化分析涉及到地質數據的空間插值與建模、三維可視化等操作。Skyline的優勢在于三維場景的展示。但是，其在空間插值、數據建模與分析等方面功能較弱。作為面向矩陣、語法簡單的第四代可視化語言，IDL致力于科學數據的可視化和分析，是跨平臺應用開發的最佳選擇。由于其強大的功能和獨特的特點，IDL語言可以應用于任何領域的三維數據可視化、數值計算、三維圖形建模、科學數據讀取等功能中。因此，本文將利用IDL交互式數據語言interactive data language）進行地下地質數據的建模與可視化分析［13］。

表1 Skyline平臺的主要功能接口組成

2 系統設計

基于Skyline和IDL三維開發平臺，本系統的總體設計如圖1所示，主要分為地上地形信息可視化分析子系統和地質數據建模與分析子系統。

圖1 地質數據三維可視化系統總體架構

地上地形信息可視化分析子系統采用模塊化思路進行設計，由項目管理、導航模塊、查詢功能、分析模塊和地質建模等部分組成。每一個部分實現系統的特定功能集合，并且所有模塊的功能都在命令字典中注冊，進行統一的管理。地質建模模塊則啟動相應的地質建模程序。地質數據建模與分析子系統基于IDL平臺進行設計和實現，分為基于表面模型和基于實體模型的可視化分析系統。

3 實現與分析

3．1 數據處理

對于地上地形信息可視化分析系統，本文在Terra Buil der模塊中，將1∶2 000航空攝影正射影像、DEM數據制作成MPT地形數據集。介于原始地質數據的保密性，本文模擬了一套地質鉆孔數據（空間分布見圖2）。每一個點要素代表一個鉆井，包括鉆井的平面位置以及鉆井與各個地層交點的深度信息（見圖3）。

圖2 鉆井的空間分布圖

圖3 鉆井數據的詳細結構信息

原始鉆井數據表現出空間離散分布的特征。本文將基于立方體結構建立地質層的三維實體模型 因此 離散的鉆井數據首先將被插值為規則分布的格網數據。利用IDL的反向距離加權（Inverse Distance）插值方法處理原始鉆井數據（關鍵代碼見圖4）。本文采用50 m采樣間隔進行插值。

圖4 各個地質層反向距離加權插值

3．2 系統實現

對應于目標系統的不同功能組成，本文采用模塊化的方式進行功能組合。各個組成模塊之間的依賴關系如圖5所示。其中，GeologyInsight代表頂層的應用程序；geo Base模塊是整個系統的基礎模塊，定義了系統初始化類，創建命令字典以及多個關鍵接口類；其他的模塊用于實現對應的功能，如geo Project庫用于實現項目管理，geo Navigator用于場景漫游操作。最終，地上地形信息可視化分析系統的總體界面如圖6所示，包括了項目管理、地圖導航、屬性查詢和空間分析等模塊。

圖5 系統模塊依賴關系

圖6 系統總體界面

由于道路阻塞或者地形結構復雜等因素的影響，野外地質勘探工作常常具有較大的困難和危險性。基于本系統的瀏覽和分析功能，工作人員可以將興趣數據導入系統進行瀏覽和分析。本研究導入了目標區域的構造線、構造面數據進行地質結構的分析。為了便于瀏覽和查看，將研究區域的構造線、構造面向地下偏移100 m。圖7是用于查看地表起伏程度的地形剖面分析。為了研究某一個區域的地下地質構造信息，利用本系統的地表開挖功能能夠直觀地查看（見圖8）。由此可知，本系統提供的功能可以很好地滿足地質勘探中地表屬性、結構的分析。

圖7 地形剖面分析

圖8 興趣區域地表開挖分析

對于地下地質數據的可視化分析，本研究建立了地質表面模型和地質實體模型的IDL對象層次結構圖。圖9是地質表面模型層次結構圖。Viewer對象代表整個視圖窗口；Trackball對象實現整個場景的旋轉操作；Rot Model包含了整個場景的目標圖形，將響應用戶的交互操作。其中，Layer Gr oup包含所有的地質層，SideFace Gr oup包含地質層的側面多邊形，Borehole Gr oup代表地質鉆井模型。在此層次模型的基礎上，用戶的所有操作將會直接影響模型的狀態。地質表面模型基于IDL的“IDLgr Surf ace”對象表達（見圖10）。同樣，地質實體模型的層次結構見圖11。實體模型基于IDL的IDLgr Volu me對象創建。

圖9 地質表面模型的IDL對象層次結構

圖10 創建地質表面模型對象

圖11 地質實體模型的IDL對象層次結構

最終，地下地質數據的三維可視化分析系統的主界面如圖12所示。對于原始表格形式的地質數據，本系統通過數據讀取、插值和建模流程實現地質數據的三維可視化。系統提供了基本的漫游功能和圖層控制功能，以便于對特定的地質層進行分析。其中，地質表面模型由地質層和側面多邊形組成；實體模型則基于立方體格網構建（見圖13）。除了基本的可視化功能，系統中加入了目標地質層的統計分析功能，如最大最小值、均值統計等（見圖14 在添加了坐標軸 配置地質層顏色等信息后可以將窗口圖形導出制圖。對于實體模型的地質數據可視化分析 提供了任意方向的切割面分析制作興趣方向的地層剖面圖（見圖15）。

圖12 地質表面模型分析系統主界面

圖13 基于實體模型的地質數據分析

圖14 特定地質層的統計分析

圖15 地質數據的任意切割面分析

4 結束語

在研究了地質數據建模方法和特點的基礎上，本文選擇Skyline和IDL作為地質勘探中地上地形信息和地下地質數據三維可視化分析平臺。然后，設計了目標系統的總體結構圖和基于IDL對象圖形系統的層次結構圖。最終實現地質數據分析系統。實驗結果表明，本文的研究思路能夠很好將地面地形地貌分析與地下地質數據分析進行集成，實現地上地下信息的一體化分析。

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