CN101515372A - 基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法 - Google Patents

基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法 Download PDF

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Abstract

一种依赖于交互式可视化工具完成的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，主要是从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，通过设置或调整相应参数、模型，布置或重置虚拟地质场景，对地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理，将可视化计算、分析、预测、检索查询的结果送入双显示缓存区，在可视化平台中对地质数据进行时空一体化显示。本发明满足地学应用的需要，增强了地质数据的表现力，改进对地质数据的理解和应用环境，把地质学者的逻辑思维转化成虚拟环境中具有时间、空间的形象思维的试验场，有助于加强对复杂地质现象的深刻认识，揭示地质资料中包含的深层信息和内在联系，挖掘并提取传统研究模式下获取不到的知识，提高信息的利用率和空间分析能力，为地质学者在三维空间中观察、解释、分析及模拟地质现象、通过已知数据预测和了解研究区域内地质构造的空间展布情况、以及获取矿藏位置及储量等重要信息提供崭新的手段，而且人机交互式工具简单、易学，同时，节约资金，减少实际应用中的盲目性，降低风险，对生产及环境分析发挥指导和决策作用，具有重大的经济与社会效益。

Description

基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法
技术领域
本发明涉及计算机技术、勘探地质技术领域，尤其是三维地质模拟系统中可视化分析预测方法。
背景技术
科学可视化是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，是当今工程科学应用中关键性的研究课题，其技术水平正在从后台处理向实时跟踪和交互控制发展，是将科学计算、分析、预测等过程中涉及到的数据及其变化和最终结果以图形图象方式直接表现出来并进行交互处理的理论、方法和技术。各种具体的或抽象的地质模型可以通过可视化技术，实时、形象、直观地展现出来。九十年代初，诞生了虚拟现实环境(VR)中的三维可视化理论和技术，其主要特征为：沉浸感、交互性与创造力。虚拟现实中的三维地质建模提供了一种沉浸式的交互环境，可将因时空限制人类无法直接看到的地下场景以三维的立体的方式呈现在地质学者的面前。它由计算机生成的人机交互的三维空间环境构成，是人类与计算机和复杂的地质数据进行想象、处理和交互作用的一种新的手段。该技术集计算机图形学、多媒体技术、计算机系统工程、计算机交互跟踪技术、人工智能、地质学、地质工程学等多种学科和多种技术于一体，其核心是由三维图形组成的虚拟空间及在这个虚拟空间人机交互界面的生成，三维地质数据建模生成复杂场景的算法研究至关重要，此外，还具有物理建模、动态仿真、交互性设计等功能。自九十年代以来，虚拟现实的进步和发展对科学进步和社会发展产生了深远的影响。
然而国内外关于三维虚拟地质模型的可视化分析与预测方面的研究还处于起步阶段，面临着许多理论与技术难题，其关键问题是：
1)三维地质可视化系统所提供的可视化空间分析及预测能力十分有限，不能满足地学应用的需要
地质现象中存在的复杂性、不连续性及不确定性等客观因素，以及三维地质建模的应用目的各异等主观因素，使得三维模型的建立缺乏统一而完备的理论和技术。由于矢量模型有良好的图形显示效果，但不利于空间分析；而栅格模型能够有效地进行空间分析和计算，但图形边界的精度难以保证，因此，矢栅集成或混合模型正在引起人们的重视。现有软件普遍重视空间对象的三维表示，可视化程度高，但对象之间的关系没有足够的描述，缺乏3D GIS需要的空间分析能力。Marcus(2001)设计了一个可视化的空间分析工具，然而仅仅能够分析和查询三维模型中地质对象之间简单的时空及结构关系，还有许多研究需要开展和继续。
2)虚拟场景中交互式分析、预测操作方法设计复杂，地质工作者不易掌握
虚拟环境中人与人、人与虚拟的自然界环境以及人与地质对象的时空领域等等之间存在相互作用，要求研究区域不仅具有高质量的数据和高精度、可靠的三维数据模型设计，还要求建立一个合理的高性能的交互式的体系构架，以提供一个快速、准确、真实的三维可视化环境及更加广阔的设计空间和灵活的设计方法，帮助地质学家直观、形象、准确地把握科学计算的局部和整体概念。通过虚拟环境中的三维数字化模拟，实现模型设计、模型重构、模型检测、模型分析及模型显示等地质空间信息处理与应用的全部过程。目前，国内外研发的地学模拟系统，如Mallet开发团队的GOCAD(2007)、北京大学屈红刚的地质建模系统(2008)，普遍提供一个复杂的交互式操作环境，只有经过相当一段时间专业培训的专门人员才能够掌握，一般用户(尤其是地矿部门基层的实际操作的端用户)基本上无法熟练使用这些地质模拟可视化系统。
3)大规模地质空间数据可视化分析的响应速度缓慢，无法满足实时绘制需要
八十年代到九十年代初期，由于计算机软件和硬件技术的限制，三维建模及其可视化的研制开发只能局限于图形工作站，因为100,000个三角形无法在当时的PC机上几秒钟内显示出来，可视化商用软件也是基于图形工作站的操作系统，如LYNX、EarthVision等三维建模可视化系统多是在UNIX操作系统支持下设计实现。这极大地制约了三维建模与可视化理论的发展和应用的推广，尤其制约了国内在该领域的研究和应用。随着计算机技术的迅速发展，基于PC系统的建模与可视化技术迅速发展起来，许多公司将软件开发的重点转移到WINDOWS平台上，以拓宽应用范围，占领市场份额。三维地质建模与可视化的应用行业不再仅限于拥有昂贵工作站的大公司和大企业，如石油公司，而已拓展到只要有一台PC机的任何单位，如矿区和学校。但是，由于PC机的软、硬件技术的局限性，对于大规模地质空间数据的可视化及其可视化分析的响应速度依然十分缓慢，无法满足实时绘制的需要。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于通过提供一种简单、易学、友好的人机交互式工具，完成三维地质模拟系统中地质数据的可视化空间分析、预测、检索查询等操作，从而实现时空一体化实时分析、显示功能的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种依赖于交互式可视化工具完成的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，包括以下步骤：
1、从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，并装载到MF树列表中；
2、通过设置或调整相应参数、模型，布置或重置虚拟地质场景；
3、设计转换工具，对MF树列表中用户感兴趣的地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理；
4、在可视化平台中，通过时空同步机制、SS策略以及绘制模型三种技术实现对地质数据进行时空一体化绘制；
5、设计空间捕获工具，捕获用户感兴趣的地质模型；
6、对选择捕获的地质数据模型进行计算、分析、预测以及检索查询等操作；
7、将可视化计算、分析、预测、检索查询的结果送入双显示缓存区，进行时空一体化显示。
所述的多维地质数据模型分为抽象数据、实体数据和属性数据三种类型，属性数据与实体数据具有多对多的关系；属性数据与抽象数据同样具有多对多的关系。
所述的抽象数据为点、线、面、体、块；点类对象包括：编号、3D坐标、标志；线类对象包括：编号、点列、标志，由一系列点组成；面类对象包括：编号、点列集、标志，由一系列点列集细成；体类对象包括：编号、面集、标志，由一系列面组成；块类对象包括：编号、体集、标志，由一系列体组成；所述的实体数据是抽象数据的属性化表现，包括地质界线、等高/值线、流线、钻井、2/3D剖面、褶皱、断层、水位、污染物、地层等；所述的属性数据表示数据的各种地质属性。
所述的检索为从数据库、文件系统中检索出符合用户指定条件的多维地质数据模型；所述的MF树列表指一个多叉树的多层次指针列表。
所述的参数包括可视化的视窗窗口的大小、X/Y/Z三维初始坐标的原点位置、坐标系、视点坐标、背景颜色、缩放比例、旋转角度、剥离层位、漫游方位，以及可视化分析、查询等操作的一系列参数的初始值设置；所述的模型包括光照模型、纹理模型、雾化模型、透明模型、以及各种缓冲区模型。
所述的转换工具是对于来自不同时期、不同地质部门、不同勘探手段和技术获得的原始地质数据，或者采用了不同的数据处理、加工和解释的数据模型，进行坐标、比例尺、数据格式等的规范化处理，即对坐标系不同的数据转换为统一坐标系；对不同比例尺的地质数据转换为统一比例尺；将不同的数据模型格式转换为多维地质数据模型；所述的地质数据包括来自数据库、文件系统的多维地质数据模型，以及可视化计算、分析、预测、查询等的结果数据。
所述的时空同步机制是在应用模拟类中，需更添加一个同步计时的成员变量，初值为零；还需要设计一个读取同步计时变量的操作，每当一个时钟周期到来的时候，就启动读取同步计时变量的操作，并将同步计时变量增加一个步长，如果大于给定阀值，则停止(单模拟)或将同步计时变量重置为零(循环模拟)，存储在缓存中的帧生成方法分为静态生成和动态插值生成两种，主要依据具体应用的模型和方法来定。
所述的SS(So1id-Surface)策略即融合处理策略，涉及切挖面-体模型的融合处理策略，为了保证虚拟地质体的空间分布在面-体模型的接口处具有较高的融合性和缝合性，面模型采用三角面片的非结构模型，而体模型采用四面体单单元的非结构模型。
所述的绘制模型包括点绘制-绘制点；线绘制-绘制曲线；面绘制-绘制三角形、四边形曲面；体绘制-绘制四面体、六面体、三棱柱。
所述的空间捕获工具是从当前虚拟场景中绘制的多维地质数据模型中，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并获取捕获模型的编号，将其存入捕获编号缓存队列中，等待下一步回调、或者计算、分析、预测、检索查询等操作服务。
所述的回调采用空间捕获工具，根据捕获的对象编号，返回调用步骤1，重新从数据库、文件系统中检索符合对象编号条件的地质数据相关信息，并装载到MF树列表中；通过空间捕获工具，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并允许对这些模型进行计算、分析、预测以及检索查询操作。
所述的计算为点间距离计算：在选定的地层、煤层、断层、水位、钻井、剖面等VR场景内的任何物体上，采用空间捕获工具任意选择一段感兴趣的路径，并通过捕获编号获得途径点的三维坐标，计算其点间2D或3D的空间距离；面积计算：对于用户选定的一个区域，地质模型如果不是三角形网格(如四边形网格)，则首先需要将其转换成三角形网格；之后，使用三角形是否在选定区域内的判定算法，逐个扫描三角形网格，并将所有在区域内的三角形求面积之和；体积计算：对于用户选定的一个地层范围(如一个煤层、一个含水层等)，地质模型如果不是四面体网格(如六面体网格、五面体网格等)，则首先需要将其转换成四面体网格；之后，使用四面体是否在选定范围内的判定算法，逐个扫描四面体网格，并将所有在范围内的四面体求体积之和；等值线计算：对选定的地层或断层进行等值线跟踪计算；所述的透明度设置是通过设置深度缓存、混合模式、深度掩码以及模型颜色的ALPHA值(0～1)设置模型的透明度模型；所述的分析：主要指立体剖分、开挖区域、栅状图；所述的预测包括虚拟开采井的模拟预测、地层/构造趋势面的拟合预测、以及储量测算。
所述的立体剖分：生成任意切面的正/负区块，对VR环境中的体模型进行切割面剖分计算，而对于曲面、曲线、点等模型采用裁剪面技术，仅仅保留切面正或负方向的图形；所述的开挖区域：对用户选择的任意区域(如行政区域、地理环境区域、地质构造区域、溶洞、人工巷道、规划设计区域等)或任意地层进行内/外开挖，对体、面模型同时进行内/外后台开挖处理，仅对VR场景中的面模型以及切割面进行绘制，而体模型开挖结果隐藏于缓存区中，用于属性分析、储量测算等操作；所述的栅状图：完成任意系列纵横交错切面的切割工作，仅对体模型进行切割面处理，并对切割面进行实时绘制。
所述的虚拟开采井的模拟预测：首先选定用户感兴趣的任意一层或N个连续/间断地层；之后，在用户预模拟、规划的位置，采用空间捕获工具捕获位置编号，并获得对应的三维坐标，生成钻井途径曲线及其相应方程式；与地层的网格模型求交，并将交点排序放入队列中；从数据库中检索对应的地层属性，并加入到交点队列的标志位中；最后，将队列中的数据压入虚拟钻井的矢量列表中并显示，完成模拟打钻的情景；所述的地层、构造趋势面的拟合预测：从数据库中检索地层或构造的离散点集，采用三角剖分算法，拟合地层或构造的曲面，并计算坡度、曲率、曲度等；所述的储量测算：首先对于整个区域的地质体模型或开挖的内/外区域进行体积计算，得到整个区域内或开挖内/外区域的体积V；在此基础上，实现储量分析测算(如富含油、矿产、水等)为：V*计算对象的含量百分比，如水就是给水度。
所述的检索查询方法包括四种：属性检索查询：对于存储在数据库、文件系统等中的各种属性信息进行检索查询；形态及其相关性检索查询：对点、线、面、体、块的空间具体展布形态直接实行检索，或自下而上或自上而下检索包含关系、相交关系等各种各样的检索组合模式；属-形检索查询：输入关键词，在属性数据中定位到相应的记录，然后，在抽象数据或实体数据中检索满足条件约束的相应一条或多条属性列表，并将查询出的这些数据在VR场景中展布其空间形态，实现可视化分析；形-属检索查询：在VR场景中，通过空间捕获操作，锁定感兴趣的地质实体数据或抽象数据，之后，在属性数据中检索符合要求的记录，进行统计分析操作。
所述的交互式可视化工具利用可视界面中左侧的树型对象管理器或可视捕获技术，选定交互对象；进行可视编辑，通过可视响应反馈，不断地接近交互式操作的目标；将结果实施可视化。
所述的可视界面为完成可视化分析预测的人机交互界面，可视捕获是对空间捕获工具实现可视化，可视编辑包括对多维地质数据模型的增加、删除、修改、维护、管理，可视响应反馈是建立一个指针反馈队列，初始状态为空NULL，指向当前正在处理的所有对象信息，一旦某操作结束，即可启动响应绘制函数，可视化指针反馈队列中指向的对象。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和效果：
1)本发明提供的这种基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，增强了三维地质模拟系统中可视化空间分析、预测、检索查询等能力，可以有效地满足地学应用的需要，适合于城市地质调查、海岸带地质调查、石油、地质、水利和矿山等领域的不同比例尺三维可视化分析预测。
2)本发明构建了三维地质模拟的可视化场景，为地质工作者提供一个观察、分析、预测地质体模型的可视化平台。实现了地学领域科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使地学领域的科学研究工作的面貌发生根本性的变化；同时，节约资金，减少实际应用中的盲目性，降低风险，对生产及环境分析发挥指导和辅助决策作用，具有重大的经济与社会效益。
3)本发明针对研究地质结构传统的方法主要是利用钻井或地震剖面图这一特点，设计了三种切挖分析方法，能够快速、准确地完成对地质体任意感兴趣的诸如行政区域、地理环境区域、地质构造区域、溶洞、人工巷道、规划设计区域等进行切割、开挖分析，以便地质工作者对地质体内部进行多细节、多层次的观察与研究。
4)本发明提供的SS融合处理策略，主要针对大数据量的地质体模型，在切挖分析时需要花费较长的处理时间以及显示时间这一难题设计，将切割面和切割体技术有效地融合为一体，有利于快速完成大数据量的立体剖分，能够较快地实现切挖分析与实时显示。这种面体融合策略既不影响基于栅格体单元的计算分析，又不影响基于矢量模型的绘制速度与显示质量。
5)本发明提供了快速检索查询多维地质信息的方法。针对大量地质部门积累了几十年的勘探信息、以及三维重构的地质体模型中包含的大量空间数据和属性数据，本发明通过揭示地质数据及其地质体模型的复杂性和多样性、及其相互之间复杂的关系，为地质工作者提供一个便利、快捷的多维一体的查询通道，实现多维地质信息的检索查询，并在可视化环境中一体化显示各种查询结果。为地质工作者充分了解、掌握各种资料，进而挖掘传统方式下无法发现或解释的地质问题和现象，提供先进的科学手段和方法。
6)本发明提供了一种快速实现对于整个区域的地质体模型或者任意感兴趣的内/外开挖区域进行体积计算的方法，并在此基础上，可以对六面体、五面体、四面体、立方体、三棱柱体等各种结构或非结构虚拟地质模型进行储量分析，实现富含油、矿产、富水性等测算，为地质工作者在进行找矿、开采地下水等资源开发与利用方面的研究、规划设计时提供辅助决策的依据。
7)本发明针对钻井在实际工程中的费用十分昂贵，提供了一种快速、准确的虚拟开采井的模拟预测方法，允许在选定的任意一层或N个连续/间断地层上模拟打
钻的情景，解决了地质工作者迫切需要模拟在地层上打钻获取岩芯信息的问题，节约资金和成本，并为地质部门进行设计规划提供辅助决策信息服务。
8)本发明提供了简单、易学、友好的人机交互式可视化工具。考虑到使用工具的用户多数来自地质领域的非软件专业人员，本发明遵循面向用户的单一性设计原则，即窗口、视窗、对象管理器、菜单、工具等采用单一图形界面，尽可能简化界面和操作方法，不主张多环境切换。相对于所谓的“多视窗”、“多菜单”面向编程的设计工具，本发明提供面向应用的工具采用“三步”操作流程，更容易被普通的地质工作者掌握、接受和喜欢。他们可方便地完成从数据的导入、输出，到可视化空间数据分析，继而实现对整体或局部地质环境的研究分析、规划设计、辅助预测等工作流程。这种具有沉浸感的可视化交互环境能够帮助地质工作者更好地理解、解释三维地质体及其内在物体之间的复杂关系、动态本质及其相互作用。
9)本发明使用Microsoft Visual Studio 2005开发工具，构建一个面向地学应用的跨平台、可移植性、可扩展性的可视化软件支撑环境；并采用支持OpenGL的图形硬件加速技术、仿真立体投影幕、单通道/多通道立体投影系统、立体眼镜等，构建一个满足不同层次用户需求的硬件支撑环境，既可以满足针对中等复杂程度的大比例尺区域的可视化分析预测需要，又可以加快复杂区域大数据量地质体模型的绘制速度，实现时空一体化实时显示功能，使基于虚拟地质模型的可视化分析预测能够完全真实感地展现在地质工作者的面前。
附图说明
图1总体框架示意图
图2流程图示意图
图3空间分析体系架构示意图
图4交互式图形界面示意图
图5可视响应反馈操作实例流程示意图
图6为依照本发明第一个实施例的地层模型效果图
图7为依照本发明第一个实施例的调用空间捕获工具效果图
图8为依照本发明第一个实施例的开挖分析结果效果图
图9为依照本发明第二个实施例的地下虚拟漫游效果图
图10为依照本发明第二个实施例的可视编辑与查询结果效果图
图11为依照本发明第二个实施例的钻孔检索查询结果效果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明，为了实现上述目的，本发明技术方案的总体框架设计如图1，包括：
■实现地质数据可视化分析、预测、检索查询的空间分析体系架构；
■存储地质数据的数据库及文件系统；
■提供时空一体化分析及显示的软件、硬件可视化支撑平台；
■交互式工具，用来提供给地质工作者顺利完成上述操作的人机界面和先进的科学手段。
其中，虚线表示地质数据流，箭头方向为地质数据的流向。
本发明技术方案的实现流程如图2，包括以下步骤：
1、从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，并装载到MK树列表中。
所述的多维地质数据模型分为抽象数据、实体数据和属性数据三种类型。
抽象数据(点、线、面、体、块)是通过分析地质现象特征，抽象出来的五类对象，并定义或暗含了相应的拓扑关系。如图3所示，点类对象包括：编号、3D坐标、标志；线类对象包括：编号、点列、标志，由一系列点组成；面类对象包括：编号、点列集、标志，由一系列点列集组成；体类对象包括：编号、面集、标志，由一系列面组成；块类对象包括：编号、体集、标志，由一系列体组成。它们均以文本方式存储在文件系统中。
实体数据主要是抽象数据的属性化表现，包括地质界线、等高/值线、流线、钻井、2/3D剖面、褶皱、断层、水位、污染物、地层等等。例如，地质界线是由线类抽象数据属性化得到的。另外，依赖于三维地质模型可视化分析与显示的需要，同一个实体数据也可以由多个不同的抽象数据属性化得到。例如，面和体两类抽象数据都可以属性化为地层，即分别构造成面地层模型和体地层模型，只要对面或体类抽象数据的记录中相应的标志位进行设置即可，当数据导入内存时，就会将这些数据放入面或体的指针列表中。这种设计模式有利于可视化应用的进一步延伸和扩展。实体数据也是以文本方式存储在文件系统中。
属性数据表示数据的各种地质属性。属性数据通常存储在Excel、Access、SQLServer、ORACLE等数据库系统中。
属性数据与实体数据具有多对多的关系；而属性数据与抽象数据同样具有多对多的关系。
所述的检索方法为：从数据库、文件系统中检索出符合用户指定条件的多维地质数据模型。
所述的MF树列表指一个多叉树的多层次指针列表。
具体格式见表1。这种格式用来组织、管理、维护多维地质数据模型在内存中的存放方式，并用指针相互链接，便于存取、访问地质数据。根据多维地质数据模型的不同类型加入MF树的叶子节点位置，如地层模型，就加入到：树根-＞地下-＞地层这一层次的叶子节点位置。
表1
Figure A20091007792100131
Figure A20091007792100141
2、通过设置或调整相应参数、模型，布置或重置虚拟地质场景。
所述的主要参数包括：可视化的视窗窗口的大小、X/Y/Z三维初始坐标的原点位置、坐标系、视点坐标、背景颜色、缩放比例、旋转角度、剥离层位、漫游方位，以及可视化分析、查询等操作的一系列参数的初始值设置。
所述的主要模型包括：光照模型、纹理模型、雾化模型、透明模型、以及各种缓冲区模型的设置。
首次进入系统时，需要通过设置上述参数或模型，建立一个虚拟地质场景，为显示地质数据模型提供一个可视化平台。
当执行到步骤5或步骤6进行回调时，如果重载的多维地质数据模型的类型与现场的模型不同，可能需要调整现有的相应参数、模型，重置虚拟地质场景，以便更好地提供给所有地质数据可视化分析、显示的环境。
3、设计转换工具，对MF树列表中用户感兴趣的地质模型进行坐标、比例尺、数
据格式等规范化处理。
所述的转换工具：对于来自不同时期、不同地质部门、不同勘探手段和技术获得的原始地质数据，或者采用了不同的数据处理、加工和解释的数据模型，进行坐标、比例尺、数据格式等的规范化处理。
所述的规范化处理为：对坐标系不同的数据转换为统一坐标系；对不同比例尺的地质数据转换为统一比例尺；将不同的数据模型格式(如来自GOCAD的数据模型格式)转换为步骤1所述的多维地质数据模型，便于时空一体化显示、分析预测。
4、在可视化平台中，对地质数据进行时空一体化绘制。
所述的可视化平台：在步骤2构建的虚拟地质场景中，将地质数据送入双显示缓存区，进行时空一体化绘制。
双显示缓存区是采用了openg 1支持的一个双缓存技术，在显示缓冲区之外，再建立一个不显示的缓冲区，以解决绘制过程中闪烁现象的出现，并加快大规模数据的绘制速度。
所述的地质数据包括：来自数据库、文件系统的多维地质数据模型，以及可视化计算、分析、预测、查询等的结果数据。
所述的时空一体化绘制：通过时空同步机制、SS策略以及绘制模型三种技术实现(图3)。
时空同步机制：是为了实现三维地质动态模拟而设计的，例如，进行地下水动态模拟、地面沉降动态模拟、溶质运移动态模拟以及地质体的三维动态切片等。在应用模拟类中，需要添加一个同步计时的成员变量，初值为零；还需要设计一个读取同步计时变量的操作。每当一个时钟周期到来的时候，就启动读取同步计时变量的操作，并将同步计时变量增加一个步长，如果大于给定阀值，则停止(单模拟)或将同步计时变量重置为零(循环模拟)。存储在缓存中的帧生成方法分为静态生成和动态插值生成两种，主要依据具体应用的模型和方法来定。
SS策略：即SS(Solid-Surface)融合处理策略，涉及切挖面-体模型的融合处理策略。为了保证虚拟地质体的空间分布在面-体模型的接口处具有较高的融合性和缝合性，面模型采用三角面片的非结构模型，而体模型采用四面体单元的非结构模型。具体方法见步骤6所述。
绘制模型包括：点绘制-绘制点；线绘制-绘制曲线；面绘制-绘制三角形、四边形曲面；体绘制-绘制四面体、六面体、三棱柱。
5、设计空间捕获工具，捕获用户感兴趣的地质模型。
所述的空间捕获工具：从当前虚拟场景中绘制的多维地质数据模型中，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并获取捕获模型的编号，将其存入捕获编号缓存队列中，等待下一步为各种操作服务，如回调、计算、分析、预测等操作。
所述的回调：采用空间捕获工具，根据捕获的对象编号，返回调用步骤1，重新从数据库、文件系统中检索符合对象编号条件的地质数据相关信息，并装载到MF树列表中。
6、对选择捕获的地质数据模型进行计算、分析、预测以及检索查询等操作。
通过空间捕获工具，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并允许对这些模型进行计算、分析、预测(图3中数据分析预测部分)、以及检索查询(图3中多维信息检索)操作。
所述的计算：
点间距离计算：在选定的地层、煤层、断层、水位、钻井、剖面等VR场景内的任何物体上，采用空间捕获工具任意选择一段感兴趣的路径，并通过捕获编号获得途径点的三维坐标，计算其点间2D或3D的空间距离。
面积计算：对于用户选定的一个区域(如一个行政区域、一个矿区、一个沉降区等)，地质模型如果不是三角形网格(如四边形网格)，则首先需要将其转换成三角形网格；之后，使用三角形是否在选定区域内的判定算法，逐个扫描三角形网格，并将所有在区域内的三角形求面积之和。
体积计算：对于用户选定的一个地层范围(如一个煤层、一个含水层等)，地质模型如果不是四面体网格(如六面体网格、五面体网格等)，则首先需要将其转换成四面体网格；之后，使用四面体是否在选定范围内的判定算法，逐个扫描四面体网格，并将所有在范围内的四面体求体积之和。
等值线计算：对选定的地层或断层进行等值线跟踪计算。
透明度设置：通过设置深度缓存、混合模式、深度掩码以及模型颜色的ALPHA值(0～1)设置模型的透明度模型。
所述的分析：主要指立体剖分、开挖区域、栅状图。
立体剖分：生成任意切面的正/负区块。SS策略：对VR环境中的体模型进行切割面剖分计算，而对于曲面、曲线、点等模型采用裁剪面技术，仅仅保留切面正或负方向的图形，这种处理方法有利于快速完成大数据量的立体剖分。
开挖区域：可以对用户选择的任意区域(如行政区域、地理环境区域、地质构造区域、溶洞、人工巷道、规划设计区域等)或任意地层进行内/外开挖。SS策略：对体、面模型同时进行内/外后台开挖处理，仅对VR场景中的面模型以及切割面进行绘制，而体模型开挖结果隐藏于缓存区中，用于属性分析、储量测算等操作。
栅状图：完成任意系列纵横交错切面的切割工作。SS策略：仅对体模型进行切割面处理，并对切割面进行实时绘制。
所述的预测：包括虚拟开采井的模拟预测、地层/构造趋势面的拟合预测、以及储量测算。
虚拟开采井的模拟预测：首先选定用户感兴趣的任意一层或N个连续/间断地层；之后，在用户预模拟、规划的位置，采用空间捕获工具捕获位置编号，并获得对应的三维坐标，生成钻井途径曲线及其相应方程式；与地层的网格模型求交，并将交点排序放入队列中；从数据库中检索对应的地层属性，并加入到交点队列的标志位中；最后，将队列中的数据压入虚拟钻井的矢量列表中并显示，完成模拟打钻的情景。
地层、构造趋势面的拟合预测：从数据库中检索地层或构造的离散点集，采用三角剖分算法，拟合地层或构造的曲面，并计算坡度、曲率、曲度等。
储量测算：首先对于整个区域的地质体模型或开挖的内/外区域进行体积计算，得到整个区域内或开挖内/外区域的体积V；在此基础上，实现储理分析测算(如富含油、矿产、水等)为：V*计算对象的含量百分比，如水就是给水度。
所述的检索查询方法包括四种：
■属性检索查询：对于存储在数据库、文件系统等中的各种属性信息进行检索查询。
■形态及其相关性检索查询：可以对点、线、面、体、块的空间具体展布形态直接实行检索；也可以自下而上或自上而下检索包含关系、相交关系等，有各种各样的检索组合模式，这里不再一一列举，仅提供几个示例。例如，可以检索出空间中选取的某个块有哪些体构成、又涉及到哪些面；又如，可以检索出选取的一条线被哪些面共享；等等。对于实体数据的查询更加有意义。例如，检索一条暗河流经哪几条断层、哪几个巷道，等等。
■属-形检索查询：输入关键词，在属性数据中定位到相应的记录，然后，在抽象数据或实体数据中检索满足条件约束的相应一条或多条属性列表，并将查询出的这些数据在VR场景中展布其空间形态，实现可视化分析。
■形-属检索查询：在VR场景中，通过空间捕获操作，锁定感兴趣的地质实体数据或抽象数据，之后，在属性数据中检索符合要求的记录，进行统计分析等操作。
最后，将可视化计算、分析、预测、检索查询等的结果送入双显示缓存区，进行时空一体化显示。
上述步骤中涉及到的所有操作都依赖于本发明提供的交互式可视化工具完成。
所述的交互式可视化工具采用“三步”操作流程：1)利用可视界面中左侧的树型对象管理器或可视捕获技术，选定交互对象；2)进行可视编辑，通过可视响应反馈，不断地接近交互式操作的目标；3)将结果实施可视化。
可视界面-完成可视化分析预测的人机交互界面，设计的界面如图4。
可视捕获-对空间捕获工具实现可视化，例如当用户需要进行空间点捕获时，鼠标由箭头形状转变为十字或其它形状，捕获结束后，再将鼠标形状恢复为箭头形状，并将捕获的对象可视化显示出来。
可视编辑-包括对多维地质数据模型的增加、删除、修改、维护、管理等。
可视响应反馈-建立一个指针反馈队列，初始状态为空NULL，指向当前正在处理的所有对象信息，一旦某操作结束，即可启动响应绘制函数，可视化指针反馈队列中指向的对象。例如(图5)，当前正在执行检索查询操作，指针反馈队列中已经压入指向当前用户选定的某些地层网格模型的指针信息，启动响应绘制函数；当用户捕获到一个空间点的时候，指向该点的指针被压入队列中，启动响应绘制函数；之后，执行点的相关性查询，并将查询结果的指针信息(如指向与该点相关的三角形、边等信息)压入指针反馈队列，启动响应绘制函数。
所述的本发明的可视化分析预测方法依据的软件、硬件支撑环境为：
软件支撑环境为：在Windows XP及以上操作系统环境下，使用Microsoft VisualStudio 2005开放式、跨平台的开发工具。
硬件支撑环境为：
本发明组织了以下硬件设备，其中包括可选项设备，以满足不同层次用户的需求。
■专业图形工作站或高性能PC机
■支持OpenGL配备有8MB RAM的2D/3D加速卡(可选)
■仿真立体投影幕、单通道/多通道立体投影系统、立体眼镜(可选)
基本配置：对于中等复杂程度的大比例尺区域三维地质建模与可视化，在高性能PC机上运行，结合本发明设计的相关技术和方法，可视化绘制速度基本上能够满足应用需要，这也为本发明提供的方法能够广泛应用于地矿等基础地质部门奠定了基础。
中等配置：采用支持OpenGL的图形硬件加速技术，可以加快复杂区域大数据量地质体模型的绘制速度。如果再配置图形工作站，增强后台处理能力，则大区域的三维地质建模与动态可视化可以实时显示处理，其效果能够满足应用需要。
高端配置：对于城市地质调查、石油勘探等应用，如果配置了仿真立体投影幕、单通道/多通道立体投影系统、立体眼镜等VR场景的设备，那么，三维地质模型就完全真实感地展现在地质工作者面前了。
实施例1：
以开滦矿业集团某矿的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法为例。
首先从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，主要包括：27个地层面/体模型、49条断层模型、13条地层边界模型、10条等值线模型、一组钻孔模型、7条剖面模型、2条褶皱模型、以及一系列相关的属性数据，如地层属性数据、断层要素数据、褶皱要素数据等。将这些数据模型分别装载到MF树列表中的相应指针列表的叶子节点位置。
布置虚拟地质场景，主要参数设置为：可视化的视窗窗口的大小(树型对象管理器视窗＝(229，440)；显示视窗＝(500，440))、X/Y/Z三维初始坐标的原点位置(6250.789，9637.06，-1228)、坐标系(XYZ，取模型正数部分的4位相对坐标)、视点坐标(0，784，517)、背景颜色(0，0，0，0)、缩放比例(1，1，1)、旋转角度(45°)、剥离层位(1)、漫游方位(30°)，以及可视化分析、查询等操作的一系列参数的初始值设置；主要模型设置包括：光照模型、纹理模型、雾化模型、透明模型、以及各种缓冲区模型的设置。通过设置上述参数或模型，建立一个虚拟地质场景，为显示地质数据模型提供一个可视化平台。
通过转换工具，对MF树列表中用户感兴趣的地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理，之后，在可视化平台中，对这些地质数据进行时空一体化绘制。如图6为用户感兴趣地层的可视化效果图。
以开挖区域分析为例，说明本发明如何基于虚拟地质模型进行可视化分析预测：
■首先从可视界面的左侧对象管理器中选定地层为开挖对象，于是选定的地层就会在右侧视窗中显示(图6)。
■从菜单中选择空间分析，点击其中的开挖区域项，调用空间捕获工具(图7)，此时，鼠标会变成“+”十字形状，表示可以开始选择用户感兴趣的任意欲开挖的区域了。选择区域之后，点击鼠标右键，鼠标立刻变成等待状态，告诉用户现在开始后台开挖计算。
■开挖计算结束后，开挖的结果会立刻显示在视窗中，同时，叠加钻孔信息，便于在整体或切面上进行地层与钻孔信息的比对分析。如果需要体积计算，便会在输出窗口输出其开挖内或外的体积信息(图8)。如果地层单元已经附加属性信息(如富水性、矿产等)，则输入计算对象的含量百分比后，可以继续进行储量分析测算。
实施例2：
以邢台矿业集团某矿的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法为例。
首先从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，主要包括：16个地层面/体模型、21条断层模型、3条地层边界模型、4条等值线模型、二组钻孔模型、41条剖面模型、以及一系列相关的属性数据，如地层属性数据、断层要素数据等。将这些数据模型分别装载到MF树列表中的相应指针列表的叶子节点位置。
布置虚拟地质场景，主要参数设置为：可视化的视窗窗口的大小(树型对象管理器视窗＝(229，440)；显示视窗＝(500，440))、X/Y/Z三维初始坐标的原点位置(38521496.0，4080949.5，-566.00012)、坐标系(XYZ，取模型的绝对坐标)、视点坐标(0，0，-9)、背景颜色(0，0，0，0)、缩放比例(1，1，0.01)、旋转角度(-44°)、剥离层位(1)、漫游方位(-28°)，以及可视化分析、查询等操作的一系列参数的初始值设置；主要模型设置包括：光照模型、纹理模型、雾化模型、透明模型、以及各种缓冲区模型的设置。通过设置上述参数或模型，建立一个虚拟地质场景，为显示地质数据模型提供一个可视化平台。
通过转换工具，对MF树列表中用户感兴趣的地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理，之后，在可视化平台中，对这些地质数据进行时空一体化绘制。如图9表示大洪煤层与进行了等值线计算和填充的某地层之间的虚拟漫游效果图，同时叠加了该区域的二组钻孔模型。图10左图表示用户可以通过可视编辑，修改用户感兴趣的点的三维空间坐标后的可视化结果；而图10右图表示用户交互选择某一点之后，通过可视响应反馈，检索输出相关性的三角形及其边的检索信息效果图。
以钻孔检索查询为例，说明本发明如何基于虚拟地质模型进行可视化检索查询：
■用户从可视界面的左侧对象管理器中选择钻孔对象(图4)，此时钻孔队列中的该区域所有钻孔信息就会被绘制到视窗中。
■从菜单中选择信息查询，点击其中的钻孔结构(图4)，调用空间捕获工具，此时，鼠标会变成“+”十字形状，表示可以开始选择用户感兴趣的钻孔了。
■选定某一个钻孔之后，根据捕获的钻孔编号，执行回调，重新从数据库、文件系统中检索符合该钻孔编号条件的地质数据属性及结构信息，最终将其属性和结构图显示在窗口上(图11)。

Claims (10)

1、一种依赖于交互式可视化工具完成的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，包括以下步骤：
1)从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，并装载到MF树列表中；
2)通过设置或调整相应参数、模型，布置或重置虚拟地质场景；
3)设计转换工具，对MF树列表中用户感兴趣的地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理；
4)在可视化平台中，通过时空同步机制、SS策略以及绘制模型三种技术实现对地质数据进行时空一体化绘制；
5)设计空间捕获工具，捕获用户感兴趣的地质模型；
6)对选择捕获的地质数据模型进行计算、分析、预测以及检索查询等操作；
7)将可视化计算、分析、预测、检索查询的结果送入双显示缓存区，进行时空一体化显示。
2、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的多维地质数据模型分为抽象数据、实体数据和属性数据三种类型，属性数据与实体数据具有多对多的关系；属性数据与抽象数据同样具有多对多的关系。
3、根据权利要求2所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的抽象数据为点、线、面、体、块；点类对象包括：编号、3D坐标、标志；线类对象包括：编号、点列、标志，由一系列点组成；面类对象包括：编号、点列集、标志，由一系列点列集组成；体类对象包括：编号、面集、标志，由一系列面组成；块类对象包括：编号、体集、标志，由一系列体组成；所述的实体数据是抽象数据的属性化表现，包括地质界线、等高/值线、流线、钻井、2/3D剖面、褶皱、断层、水位、污染物、地层等；所述的属性数据表示数据的各种地质属性。
4、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的检索为从数据库、文件系统中检索出符合用户指定条件的多维地质数据模型；所述的MF树列表指一个多叉树的多层次指针列表；所述的参数包括可视化的视窗窗口的大小、X/Y/Z三维初始坐标的原点位置、坐标系、视点坐标、背景颜色、缩放比例、旋转角度、剥离层位、漫游方位，以及可视化分析、查询等操作的一系列参数的初始值设置；所述的模型包括光照模型、纹理模型、雾化模型、透明模型、以及各种缓冲区模型。
5、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的转换工具是对于来自不同时期、不同地质部门、不同勘探手段和技术获得的原始地质数据，或者采用了不同的数据处理、加工和解释的数据模型，进行坐标、比例尺、数据格式等的规范化处理，即对坐标系不同的数据转换为统一坐标系；对不同比例尺的地质数据转换为统一比例尺；将不同的数据模型格式转换为多维地质数据模型；所述的地质数据包括来自数据库、文件系统的多维地质数据模型，以及可视化计算、分析、预测、查询等的结果数据；所述的时空同步机制是在应用模拟类中，需要添加一个同步计时的成员变量，初值为零；还需要设计一个读取同步计时变量的操作，每当一个时钟周期到来的时候，就启动读取同步计时变量的操作，并将同步计时变量增加一个步长，如果大于给定阀值，则停止(单模拟)或将同步计时变量重置为零(循环模拟)，存储在缓存中的帧生成方法分为静态生成和动态插值生成两种，主要依据具体应用的模型和方法来定；所述的SS(Solid-Surface)策略即融合处理策略，涉及切挖面-体模型的融合处理策略，为了保征虚拟地质体的空间分布在面-体模型的接口处具有较高的融合性和缝合性，面模型采用三角面片的非结构模型，而体模型采用四面体单元的非结构模型。所述的绘制模型包括点绘制-绘制点；线绘制-绘制曲线；面绘制-绘制三角形、四边形曲面；体绘制-绘制四面体、六面体、三棱柱。
6、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的空间捕获工具是从当前虚拟场景中绘制的多维地质数据模型中，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并获取捕获模型的编号，将其存入捕获编号缓存队列中，等待下一步回调、或者计算、分析、预测、检索查询等操作服务；所述的回调采用空间捕获工具，根据捕获的对象编号，返回调用步骤1)，重新从数据库、文件系统中检索符合对象编号条件的地质数据相关信息，并装载到MF树列表中；通过空间捕获工具，捕获一个或多个用户感兴趣的模型，并允许对这些模型进行计算、分析、预测以及检索查询操作。
7、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的计算为点间距离计算：在选定的地层、煤层、断层、水位、钻井、剖面等VR场景内的任何物体上，采用空间捕获工具任意选择一段感兴趣的路径，并通过捕获编号获得途径点的三维坐标，计算其点间2D或3D的空间距离；面积计算：对于用户选定的一个区域，地质模型如果不是三角形网格(如四边形网格)，则首先需要将其转换成三角形网格；之后，使用三角形是否在选定区域内的判定算法，逐个扫描三角形网格，并将所有在区域内的三角形求面积之和；体积计算：对于用户选定的一个地层范围(如一个煤层、一个含水层等)，地质模型如果不是四面体网格(如六面体网格、五面体网格等)，则首先需要将其转换成四面体网格；之后，使用四面体是否在选定范围内的判定算法，逐个扫描四面体网格，并将所有在范围内的四面体求体积之和；等值线计算：对选定的地层或断层进行等值线跟踪计算；所述的透明度设置是通过设置深度缓存、混合模式、深度掩码以及模型颜色的ALPHA值(0～1)设置模型的透明度模型；所述的分析：主要指立体剖分、开挖区域、棚状图；所述的预测包括虚拟开采井的模拟预测、地层/构造趋势面的拟合预测、以及储量测算。
8、根据权利要求7所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的立体剖分：生成任意切面的正/负区块，对VR环境中的体模型进行切割面剖分计算，而对于曲面、曲线、点等模型采用裁剪面技术，仅仅保留切面正或负方向的图形；所述的开挖区域：对用户选择的任意区域(如行政区域、地理环境区域、地质构造区域、溶洞、人工巷道、规划设计区域等)或任意地层进行内/外开挖，对体、面模型同时进行内/外后台开挖处理，仅对VR场景中的面模型以及切割面进行绘制，而体模型开挖结果隐藏于缓存区中，用于属性分析、储量测算等操作；所述的栅状图：完成任意系列纵横交错切面的切割工作，仅对体模型进行切割面处理，并对切割面进行实时绘制；所述的虚拟开采井的模拟预测：首先选定用户感兴趣的任意一层或N个连续/间断地层；之后，在用户预模拟、规划的位置，采用空间捕获工具捕获位置编号，并获得对应的三维坐标，生成钻井途径曲线及其相应方程式；与地层的网格模型求交，并将交点排序放入队列中；从数据库中检索对应的地层属性，并加入到交点队列的标志位中；最后，将队列中的数据压入虚拟钻井的矢量列表中并显示，完成模拟打钻的情景；所述的地层、构造趋势面的拟合预测：从数据库中检索地层或构造的离散点集，采用三角剖分算法，拟合地层或构造的曲面，并计算坡度、曲率、曲度等；所述的储量测算：首先对于整个区域的地质体模型或开挖的内/外区域进行体积计算，得到整个区域内或开挖内/外区域的体积V；在此基础上，实现储量分析测算(如富含油、矿产、水等)为：V*计算对象的含量百分比，如水就是给水度。
9、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的检索查询方法包括四种：属性检索查询：对于存储在数据库、文件系统等中的各种属性信息进行检索查询；形态及其相关性检索查询：对点、线、面、体、块的空间具体展布形态直接实行检索，或自下而上或自上而下检索包含关系、相交关系等各种各样的检索组合模式；属-形检索查询：输入关键词，在属性数据中定位到相应的记录，然后，在抽象数据或实体数据中检索满足条件约束的相应一条或多条属性列表，并将查询出的这些数据在VR场景中展布其空间形态，实现可视化分析；形-属检索查询：在VR场景中，通过空间捕获操作，锁定感兴趣的地质实体数据或抽象数据，之后，在属性数据中检索符合要求的记录，进行统计分析操作。
10、根据权利要求1所述的基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，其特征在于：所述的交互式可视化工具利用可视界面中左侧的树型对象管理器或可视捕获技术，选定交互对象；进行可视编辑，通过可视响应反馈，不断地接近交互式操作的目标；将结果实施可视化。所述的可视界面为完成可视化分析预测的人机交互界面。可视捕获是对空间捕获工具实现可视化。可视编辑包括对多维地质数据模型的增加、删除、修改、维护、管理。可视响应反馈是建立一个指针反馈队列，初始状态为空NULL，指向当前正在处理的所有对象信息，一旦某操作结束，即可启动响应绘制函数，可视化指针反馈队列中指向的对象。
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