CN110288709A - 野外地质三维综合信息平台及其数据集成与可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外地质三维综合信息平台及其数据集成与可视化方法，包括：浏览查询与查询结果输出模块：实现了二和三维综合可视化浏览与模型数据查询和显示。综合地质信息查询及结果输出模块：包括所有地层模型、构造模型、岩体模型与勘探线以及勘探线剖面的综合叠加显示；资源‑环境信息查询展示与分析模块：实现了对实习区的断层褶皱等进行信息查询展示与分析。野外路线选择模块：提供了每条线路和观察点的坐标信息。切剖面功能与地层剖面显示模块：获取地形数据，辅助学生完成灾害地质模块的研究。本发明操作简单、互动性强、同时又无需网络支持，集成实习资料，具有可视化功能。

Description

野外地质三维综合信息平台及其数据集成与可视化方法

技术领域

本发明涉及到虚拟现实技术领域、计算机技术、GIS遥感技术领域以及野外实习教学领域。具体包括一种天、空、地一体化立体式数据获取与处理、三维地质建模技术以及虚拟现实技术。

背景技术

近年来，为适应地质工作的综合化、现代化、可视化等的趋势，基于虚拟现实技术、计算机技术、网络技术和地理信息技术的蓬勃发展，如何有效利用计算机为野外地质教学提供辅助已经成为广大地质工作者的一个重要的研究方向，基于这些技术的发展，计算机虚拟教学系统应运而生，并已经成为野外地质教学的有力工具。与传统的实习相比，计算机虚拟教学系统凭借其特有的可以在计算机上虚拟构建野外地质教学场景的功能而受到地质工作者的热捧，因此有越来越多的高校及各大科研单位投入到计算机虚拟教学系统的研发上。

我国目前高校及科研单位中可进行野外地质实习虚拟辅助教学的软件系统并不多见，代表作主要有：(1)长江大学地球科学学院在的基于GIS的地学实习教学虚拟平台，它利用虚拟现实技术、三维技术实现了展示地质资料的功能；(2)天津大学计算机科学与技术学院采用面向对象的分析方法来剖析各个分析阶段的问题，探索出一条在Web3D中实现数据可视化的途径；(3)南京大学根据庐山地理学野外综合实习的特点和教学现状，基于WebGIS而开发的教辅平台，实现了坐标地图定位、沿途视频漫游和教学场景视频重现及专题内容管理等功能。此外，山东大学、中国石油大学(华东)、吉林大学、中国矿业大学(北京)、中国地质大学(武汉)、山东理工大学等团队也先后开展了多种地质教学辅助系统的设计与研发工作。

通过对比、分析并结合野外实际使用，纵观已有的平台虽已卓有成效，但他们依然有很多的缺点与不足，总结如下：1、受平台运行环境、基础数据等的限制，距离前述的野外实习空间观、分形观的构建仍有一定的差距；2、现有系统中的实习内容、成果表述仍为二维模式；即使采用三维浏览模式，也是基于DEM或TIN的面三维，野外地质体的真三维、实体化表征仍有一定差距；3、数据量与数据精度难以达到相应的要求，此外数据的可视化：如多数据源的叠加展示分析等效果不甚理想；4、系统的交互性较低，师生很难上手；此外还有采供成本高等其他问题。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种野外地质三维综合信息平台及其数据集成与可视化方法，解决现有传递系数法忽略土体的弹塑性本构特性、不考虑边坡几何形态、滑动面倾角变化对滑坡推力影响过大的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种野外地质三维综合信息平台，包括：浏览、查询和查询结果输出模块，综合地质信息查询及结果输出模块，资源-环境信息查询展示与分析模块，野外路线选择模块和切剖面功能与地层剖面显示模块。

浏览、查询与查询结果输出模块：

实现了二和三维综合可视化浏览与模型数据查询，包括地貌、地质图、剖面图、地层、工程布置图以及道路、地名的查询及透明显示。

综合地质信息查询及结果输出模块：

综合地质信息查询主要包括所有地层模型、构造模型、岩体模型与勘探线以及勘探线剖面的综合叠加显示；还包括地形地貌、气候与降水、河流水系和经济人口的综合信息查询与结果叠加显示。

资源-环境信息查询展示与分析模块：

该模块实现了对实习区的断层褶皱等进行信息查询展示与分析。

野外路线选择模块：

依托模型可视化、模型交互性、可显示位置属性及可外部链接功能，提供了每条线路的每个观察点的精确的GPS坐标信息、超高清的无人机航测影像来辅助观察点的定位，高精度抓拍系统中无人机影像叠加部分野外线路图。能够使用户根据地形等地质数据选择野外路线；为了方便及时的记录这些新认识，提供了实时野外教学笔记记录功能。

切剖面功能与地层剖面显示模块：

依托切制剖面及显示、隐藏、透明，支持实时距离、面积和体量的几何信息测量，高精度抓图。获取包括地形、地貌、滑坡坡度、滑坡面积、水体面积及地下剖面的数据，辅助学生完成灾害地质模块的研究，使学生学会认识分析地层构造的一般方法及地层的野外观察描述与地层架构。

进一步地，所述地形地貌包括：地形图、DEM三维图、地貌分区图；

气候与降水包括：气象站分布、降水分布的值线图；

河流水系包括：全区流域分布图、河流网图和DEM水系图；

经济和人口包括：主要村庄建筑3D图、景点分布图、资源开发分布图和土地利用现状图。

进一步地，所述一种野外地质三维综合信息平台还包括基础数据集成，基础数据集成包括：核心区基础数据集成、大区域基础数据集成、矢量图层集成及地质体三维模型的集成四部分。

核心区基础数据集成又分为核心区遥感影像数据集成、核心区数字高程集成、核心区地质图集成、核心区地形图集成和核心区行政区划集成。

大区域基础数据集成分为大区域遥感影像数据集成、大区域数字高程集成、大区域地质图集成、大区域地形图集成和大区域行政区划集成。

矢量图层集成包括：野外线路矢量图层集成、野外观察点矢量图层集成及大区域地质图矢量图层集成。实现了二维平面数据到三维立体数据的转化过程，并实现了数据的三维可视化集成表达。

地质体三维模型的集成包括：地层、断裂实体模型数据。

本发明还公开了一种野外地质三维综合信息平台的数据集成与可视化方法，其具体流程如下：

(1)建立包括：核心区遥感影像三维模型、核心区数字高程三维模型、核心区地质图三维模型、核心区地形图三维模型、核心区行政规划图三维模型、大区域遥感影像三维模型、大区域数字高程三维模型、大区域地质图三维模型、大区域地形图三维模型、大区域行政区划图三维模型及地层实体模型、断裂模型。

(2)将建立的模型统一转换为3ds数据格式作为输入格式，为接下来的集成做准备。

(3)运用虚拟现实技术最终完成了数据的集成与可视化表达，为接下来的系统研发做数据支撑。

进一步地，所述大区域基础数据包括：大区域遥感影像、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图和大区域行政区划图等；

矢量图层包括：野外线路矢量图层、野外观察点矢量图层和大区域地质图矢量图层；

地质体三维模型包括：地层、断裂实体模型。

教学辅助资料包括：图片、视频、动画格式的教学课件、规程规范、实习指导。

进一步地，教学辅助资料集成方法如下：

(1)根据数据形式分别设定本地教辅数据与网络教辅数据。分别对本地教辅数据与网络教辅数据进行分类，分类包括文档、图片和视频类型。

(2)针对不同类型，分别进行格式分类，文档格式包括：doc、pdf、ppt、xls和txt；图片格式包括：jpg、png、raw、gif和swf；图片格式包括：rm、avi、mp4、mkv和wmv。

(3)将数据形式的本地教辅数据与网络教辅数据分别以相应的脚本语句链接到系统中，最终实现集成表达。

与现有技术相比本发明的优点在于：操作简单、互动性强、同时又无需网络支持，可以集地质图、地形图、DEM、航片等多源、多尺度、多形式、多类型、多维度的实习资料，并可以实现多尺度、多维度、多视角的可视化功能，完善教学方法与手段，起到更好的野外示范教学辅助和研究意义。

附图说明

图1为本发明实施例总体技术路线图；

图2为本发明实施例数据结构示意图；

图3为本发明实施例数据架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

本实施例的核心是结合周口店地区特定的地质野外实习教学目标与教学内容，提出了双三维数字地学的概念，并基于空天地一体化数据获取体系、虚拟现实技术、GIS遥感理论、多源数据集成技术等技术体系而开发出的智慧型“数字地学”周口店三维野外地质教学辅助系统。并提供了一套完整的具有广泛应用前景的方法体系和技术流程，为今后类似的教学辅助系统提供了范例，对后续类似系统的研发具有很好的指导意义。

野外地质三维综合信息平台主要包括以下功能：360度地上-地下双三维浏览、查询与查询结果输出；地上-地下交互式综合地质信息查询及结果输出；实习区资源-环境信息查询展示与分析；利用地形、地质数据选择野外路线；切剖面功能与地层剖面显示；

为了实现以上功能，本发明采取如下实施方式：

1、技术路线

在充分研究周口店野外地质实习特点与要求的基础上，本实施例提出了“数字周口店”野外地质实习综合信息平台建设的方法体系。该方法体系即综合利用天、空、地一体化立体式数据获取与处理手段、地质体建模技术、多源数据集成与双三维可视化理论打造周口店三维野外地质教学辅助系统。

天、空、地一体化立体式数据获取与处理体系主要指利用多平台、多传感器、多手段收集与获取得到周口店实习区的超高精度的遥感正射影像、数字高程、地质图、地形图及行政规划图等数据，保证了数据的多尺度、多精度及多源性满足了周口店三维野外地质教学辅助系统对数据的要求。本实施例利用地质三维建模技术，将提前获取的剖面图等基础数据资料，借助相应的计算机软件如Surpac等软件构建周口店实习区三维地质体模型。多源数据集成可视化技术即基于“3S”集成技术、虚拟现实技术，借助相关计算机软件对已经获取到的无人机超高精度的遥感正射影像、地面数字高程、区域地质图、区域地形图、区域行政规划图及三维地质体模型等进行数据处理并在VR-Platform软件中进行集成与野外地质实习信息管理平台二次开发，实现全维度数据集成与可视化，最终实现了周口店三维野外地质教学辅助系统的研发。

本实施例分析各种建模算法的适用性基础上，对不同漫游驱动软件功能进行剖析，在充分结合周口店野外地质实习特点与要求的基础上，选择了一套复杂的全维度模型的快速构建方法及地质教学辅助系统研发实现的方法。系统建设主要分为基础数据搜集与处理、三维场景建模及系统功能研发三部分，本实施例的技术路线如图1所示。

本实施例中，该教学辅助系统包含了观察点、地名、观察线路、超高精度的遥感正射影像、数字高程、地质图、地形图、行政规划图及各种地质体模型等，为实现这些模型的集成可视化，提高对这些数据的整合效率，需要对整个系统的数据结构进行全盘分析整理，并需要对真三维系统的各种三维立体模型的建模进行探究，其中一维点数据、二维面数据与“真三维”立体模型的管理分析一体化是本实施例的创新性研究成果。如图2为系统模型的数据结构。

2、系统数据集成

本实施例为了满足周口店野外地质教学的需求，为野外地质教学辅助提供更强大的数据支撑，基础数据的获取与预处理也是系统搭建的一项重要的前期工作。

基础资料收集与获取主要分为两阶段进行，即系统建设初期的周口店核心区基础资料收集与获取和系统建设后期的大区域的基础资料收集与获取。系统建设初期，由于周口店野外实习的需要，依据勘探线剖面等数据建立了相应的地质体模型，该地质体模型的范围与北京市房山区周口店地区地质图图幅范围一致，因此本研究以该图幅范围为基准，设定为工作的核心区，核心区的范围为经度：

115°55′00″—115°58′00″；经度：39°41′00″—39°42′30″，约为4.2*3.4平方千米区域。该区域涵盖了周口店野外实习16条线路中的9条，即线路1：实习区踏勘；线路2：太平山南坡晚古生代地层观察；线路3：太平山南坡晚古生代地层实测；线路6：房山侵入岩体及其与围岩侵入接触关系观察；线路7：官地-羊屎沟的接触热变质岩观察；线路8：太平山北坡大砾岩山-294高地褶皱路线观察；线路9：164背斜构造的识别与填图；线路11：房山断裂带的观察；线路13：周口河-龙骨山洞穴堆积与岩溶地貌、环境地质及农业地质。这九条线路基本涵盖了周口店线路地质教学的核心内容。

系统建设后期，随着系统的不断完善，以及野外实习线路的补充的需要，之前的核心区基础数据已经不能满足系统建设以及野外实习的需要，本实施例开始了周口店区域大范围的资料收集与获取工作，大区域范围的确定：以涵盖周口店野外实习中的全部16条线路为基准，并作了些许扩大，范围为：经度：115°50′00″—116°01′00″；经度：39°38′00″—39°46′00″，约为15*17平方千米的区域。经过研究区域的扩大，涵盖了所有的实习线路，包括剩余的线路即：线路4：八角寨-栓马桩中、新元古代地层观察；线路5：黄院东山梁早古生代地层观察；线路10：黄院北沟(金子沟)断裂系及伴随小构造观察；线路12：房山岩体西北部车场韧性剪切带及脆性剪切带观察；线路14：南观变质核杂岩的观察；线路15：黄山店逆冲推覆构造及沉积岩原生构造观察及线路16：房山岩体相带特征观察。实现了对周口店野外实习线路的全覆盖。

基础数据资料的收集与预处理主要包含核心区基础数据的收集与预处理和大区域基础数据的收集与预处理两部分。其中核心区基础数据包括：核心区无人机航测遥感正射影像、核心区数字高程、核心区地质图、核心区地形图及核心区行政区划。相似的大区域基础数据集成也分为大区域遥感影像数据、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图及大区域行政区划。此外还包括野外线路点的实地观测以获取其准确的GPS坐标及相应的露头相关的图片或视频等资料。部分基础资料数据叠加显示见图3。工作量如表1所示。

表1本研究工作量概览表

该系统的基础数据集成主要包括核心区基础数据集成、大区域基础数据集成、矢量图层集成及地质体三维模型的集成四部分。其中核心区基础数据集成又分为核心区遥感影像数据集成、核心区数字高程集成、核心区地质图集成、核心区地形图集成和核心区行政区划集成。相似的大区域基础数据集成也分为大区域遥感影像数据集成、大区域数字高程集成、大区域地质图集成、大区域地形图集成和大区域行政区划集成。矢量图层集成又包括野外线路矢量图层集成、野外观察点矢量图层集成及大区域地质图矢量图层集成。实现了二维平面数据到三维立体数据的转化过程，并实现了数据的三维可视化集成表达。

其中核心区基础数据包括：无人机航测获取的超高精度的遥感正射影像数据、地面数字高程、核心区地质图、核心区地形图、核心区行政规划图等；大区域基础数据包括：大区域遥感影像、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图和大区域行政区划图等；矢量图层包括：野外线路矢量图层、野外观察点矢量图层及大区域地质图矢量图层等；地质体模型即：地层、断裂实体模型等数据。要实现对这些多源、多尺度、多形式、多类型的全维度数据进行集成与可视化表达，需要对这些多源数据进行格式转换，然后再将之集成到系统中，实现集成与可视化。全维度数据集成与可视化表达流程如下：

(1)针对不同的数据源，采取不同的建模手段，选择不同的数据模型，分别建立了核心区遥感影像三维模型、核心区数字高程三维模型、核心区地质图三维模型、核心区地形图三维模型、核心区行政规划图三维模型、大区域遥感影像三维模型、大区域数字高程三维模型、大区域地质图三维模型、大区域地形图三维模型、大区域行政区划图三维模型及地层实体模型、断裂模型等地上、地下多种空间对象。

(2)由于3ds格式的文件数据结构清晰，易于解析和重构，并且已被诸多软件兼容，因此本研究将这些不同格式的多源数据统一转换为3ds数据格式作为输入格式，为接下来的集成做准备。

(3)运用虚拟现实技术最终完成了多源数据的集成与可视化表达。这样就打通了多维度、多尺度、多类型的数据集成与可视化表达流程，为接下来的系统研发做数据支撑。

此外，该系统除了集成了无人机航测获取的超高精度的遥感正射影像数据、地面数字高程、核心区地质图、核心区地形图、核心区行政规划图等；大区域基础数据包括：大区域遥感影像、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图和大区域行政区划图等；矢量图层包括：野外线路矢量图层、野外观察点矢量图层及大区域地质图矢量图层等；地质体模型即：地层、断裂实体模型等基础数据之外还将包括图片、视频、动画格式的教学课件、规程规范、实习指导、相关文献及相关工作成果等教学辅助资料集成其中。教学辅助资料集成表达技术流程：

(1)针对不同的教辅数据，进行分类，根据数据形式分别设定本地教辅数据与网络教辅数据。分别对本地教辅数据与网络教辅数据进行二级分类，如本地教辅数据又可分为文档、图片、视频等类型。

(2)针对这些本地教辅数据的不同类型，又分别进行格式分类，如文档格式：doc、pdf、ppt、xls、txt等；图片格式：jpg、png、raw、gif、swf等；图片格式：rm、avi、mp4、mkv、wmv等。

(3)将这些不同数据形式的本地教辅数据与网络教辅数据分别以相应的脚本语句链接到系统中，最终实现集成表达。

(4)通过运用全维度数据集成表达与可视化与教学辅助资料集成表达技术体系，最终实现了全维度基础数据与教学辅助资料的统一集成表达，为系统的建设提供强大的数据支撑。

3、系统功能实现

周口店三维野外地质辅助系统主要通过虚拟现实软件VR-Platform实现系统的集成和开发，切制剖面等部分功能在Visual Studio 2008环境下用C++语言结合DirectX图形库开发实现。该系统实现了系统信息查询、区域信息查询、线路地质查询、三维模型研究、剖面切制、参考资料查询及系统更新等功能，图形用户界面整洁友好。本实施例按照周口店野外地质实习基本要求将系统设计为：实习辅助系统、实习查询系统及系统安全等模块。各模块的具体内容及说明见表2。

表2系统主要模块设定

本实施例所集成到VR-Platform中的核心区遥感影像、核心区数字高程、核心区地质图、核心区地形图和核心区行政区划；大区域遥感影像、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图、大区域行政区划；野外线路矢量图层、野外观察点矢量图层、大区域地质图矢量图层和地质体三维模型等基础数据都是具备坐标属性信息的，并且通过借助VRP脚本编辑器实现坐标实时显示功能。本实施例通过编写Lua脚本语言实现了各种模型的实时坐标显示功能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种野外地质三维综合信息平台，其特征在于，包括：浏览查询和查询结果输出模块，综合地质信息查询及结果输出模块，资源-环境信息查询展示与分析模块和野外路线选择模块和切剖面功能与地层剖面显示模块；

浏览查询与查询结果输出模块：

实现了二和三维综合可视化浏览与模型数据查询，包括地貌图、地质图、剖面图、地层、工程布置图以及道路、地名的查询及透明显示；

综合地质信息查询及结果输出模块：

综合地质信息查询主要包括所有地层模型、构造模型、岩体模型与勘探线以及勘探线剖面的综合叠加显示；还包括地形地貌、气候与降水、河流水系和经济人口的综合信息查询与结果叠加显示；

资源-环境信息查询展示与分析模块：

该模块实现了对实习区的断层褶皱等进行信息查询展示与分析；

野外路线选择模块：

依托模型可视化、模型交互性、可显示位置属性及可外部链接功能，提供了每条线路的每个观察点的精确的GPS坐标信息、超高清的无人机航测影像来辅助观察点的定位，高精度抓拍系统中无人机影像叠加部分野外线路图；能够使用户根据地形等地质数据选择野外路线；为了方便及时的记录这些新认识，提供了实时野外教学笔记记录功能；

切剖面功能与地层剖面显示模块：

依托切制剖面及显示、隐藏、透明，支持实时距离、面积和体量的几何信息测量，高精度抓图；获取包括地形、地貌、滑坡坡度、滑坡面积、水体面积及地下剖面的数据，辅助学生完成灾害地质模块的研究，使学生学会认识分析地层构造的一般方法及地层的野外观察描述与地层架构。

2.根据权利要求1所述的一种野外地质三维综合信息平台，其特征在于：所述地形地貌包括：地形图、DEM三维图、地貌分区图；

气候与降水包括：气象站分布、降水分布的值线图；

河流水系包括：全区流域分布图、河流网图和DEM水系图；

经济和人口包括：主要村庄建筑3D图、景点分布图、资源开发分布图和土地利用现状图。

3.根据权利要求2所述的一种野外地质三维综合信息平台，其特征在于：所述基础数据集成包括：核心区基础数据集成、大区域基础数据集成、矢量图层集成及地质体三维模型的集成四部分；

核心区基础数据集成又分为核心区遥感影像数据集成、核心区数字高程集成、核心区地质图集成、核心区地形图集成和核心区行政区划集成；

大区域基础数据集成分为大区域遥感影像数据集成、大区域数字高程集成、大区域地质图集成、大区域地形图集成和大区域行政区划集成；

矢量图层集成包括：野外线路矢量图层集成、野外观察点矢量图层集成及大区域地质图矢量图层集成；实现了二维平面数据到三维立体数据的转化过程，并实现了数据的三维可视化集成表达；

地质体三维模型的集成包括：地层、断裂实体模型等数据。

4.根据权利要求1至3的其中一项所述的一种野外地质三维综合信息平台的数据集成与可视化方法，其特征在于具体流程如下：

(1)建立包括：核心区遥感影像三维模型、核心区数字高程三维模型、核心区地质图三维模型、核心区地形图三维模型、核心区行政规划图三维模型、大区域遥感影像三维模型、大区域数字高程三维模型、大区域地质图三维模型、大区域地形图三维模型、大区域行政区划图三维模型及地层实体模型、断裂模型；

(2)将建立的模型统一转换为3ds数据格式作为输入格式，为接下来的集成做准备；

(3)运用虚拟现实技术最终完成了数据的集成与可视化表达，为接下来的系统研发做数据支撑。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述大区域基础数据包括：大区域遥感影像、大区域数字高程、大区域地质图、大区域地形图和大区域行政区划图等；

矢量图层包括：野外线路矢量图层、野外观察点矢量图层和大区域地质图矢量图层；

地质体三维模型包括：地层、断裂实体模型；

教学辅助资料包括：图片、视频、动画格式的教学课件、规程规范、实习指导。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：教学辅助资料集成方法如下：

(1)根据数据形式分别设定本地教辅数据与网络教辅数据；分别对本地教辅数据与网络教辅数据进行分类，分类包括文档、图片和视频类型；

(2)针对不同类型，分别进行格式分类，文档格式包括：doc、pdf、ppt、xls和txt；图片格式包括：jpg、png、raw、gif和swf；图片格式包括：rm、avi、mp4、mkv和wmv；

(3)将数据形式的本地教辅数据与网络教辅数据分别以相应的脚本语句链接到系统中，最终实现集成表达。