CN117745962A - 一种地质模型三维可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地质模型三维可视化方法，包括以下步骤：S101、将三维地质数据集转换为3D瓦片格式；S102、设置3D瓦片分块规则，对3D瓦片组织进行管理；S103、对3D瓦片的加载和显示进行调度；S104、对3D瓦片的纹理进行设置；S105、动态创建3D瓦片场景组件，对3D瓦片场景组件的默认位置进行设置，设置瓦片材质实例，并设置3D瓦片场景组件的碰撞属性；S106、基于3D瓦片数据生成相应的三维地质模型，对三维地质模型的显示效果进行优化，对优化后的三维地质模型进行可视化，所述方法具有高质量渲染、高效数据处理、交互性和可操作性、可视化范围广泛以及开源实现和开放性等优点，有助于提高地质建模的准确性和效率，为地质研究和应用提供更好的支持。
Description
技术领域
本发明涉及地质模型三维建模技术领域，尤其涉及一种地质模型三维可视化方法。
背景技术
随着虚拟现实技术的不断发展，数字孪生地质方面的应用也愈发得到重视，地质模型和城市实景模型的融合展示的需求不断增加，同时对模型可视化效果要求也越来越高。虚幻引擎作为游戏开发引擎，提供了卓越的图形渲染能力，支持高质量的真实感和视觉效果，采用了先进的渲染技术，包括实时全局光照、高动态范围(HDR)渲染、体积光和屏幕空间反射等，并且在虚拟现实领域有强大的支持，可以创造逼真、沉浸式的虚拟现实体验。3DTiles是一种用于管理、存储和传输大规模三维地理空间数据的开放标准，它是由Cesium团队开发的，旨在解决大规模三维空间数据可视化的挑战，特别是在虚拟地球应用中，3DTiles采用了瓦片化技术，将大型三维数据集分解成一系列小的3D瓦片，从而实现高效的数据加载和渲染。目前对于将虚幻引擎与3D Tiles相结合应用于地质模型建模的相关研究较少。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种地质模型三维可视化方法，通过虚幻引擎强大的渲染能力和3D Tiles瓦片化技术相结合实现海量地质模型的可视化。
为实现上述发明目的，本发明提供一种地质模型三维可视化方法，所述方法包括以下步骤：
S101、将三维地质数据集转换为3D瓦片格式；
S102、设置3D瓦片分块规则，对3D瓦片组织进行管理；
S103、对3D瓦片的加载和显示进行调度；
S104、对3D瓦片的纹理进行设置；
S105、动态创建3D瓦片场景组件，对3D瓦片场景组件的默认位置进行设置，设置瓦片材质实例，并设置3D瓦片场景组件的碰撞属性；
S106、基于3D瓦片数据生成相应的三维地质模型，对三维地质模型的显示效果进行优化，对优化后的三维地质模型进行可视化。
进一步的，步骤S102具体包括以下步骤：
S201、将三维地质模型细节划分为由低到高多个不同级别；
S202、将3D瓦片按照三维地质模型细节级别划分为多个层次。
进一步的，步骤S103具体包括以下步骤：
S301、进行视点和视野判断，从而决定哪些3D瓦片需要加载和显示；
S302、针对不同的视点和视野范围，对3D瓦片进行优先级排序；
S303、根据3D瓦片的优先级排序结果将3D瓦片设置为渐进式加载；
S304、设置实时三维地质数据的动态更新策略；
S305、设置3D瓦片的缓存和预加载策略；
S306、为3D瓦片添加异步加载策略。
进一步的，步骤S102中，还根据三维地质模型不同层次的精细程度计算几何误差值。
进一步的，步骤S103中，还包括步骤：设置三维地质模型的屏幕空间误差阈值，当三维地质模型的显示误差高于屏幕空间误差阈值时，加载更精细的三维地质模型，屏幕空间误差阈值以几何误差值为依据进行设置。
进一步的，设置3D瓦片的预加载策略，具体包括以下步骤：
S401、获取3D瓦片的多个备选预加载策略；
S402、将3D瓦片数据和备选预加载策略输入到遗传算法中，通过遗传算法以加载总成本最小为目标进行分析计算，输出最优预加载策略，所述加载总成本包括计算资源成本和响应速度成本；
S403、基于最优预加载策略对3D瓦片进行设置。
进一步的，步骤S402具体包括以下步骤：
S501、基于3D瓦片数据和备选预加载策略生成多个个体，形成初始种群；
S502、通过轮盘赌算法对初始种群中的个体进行随机选择；
S503、对被选择的个体进行交叉、变异操作中的一种或多种；
S504、重复步骤S502～S503，直至算法收敛，输出种群；
S505、从输出种群的所有个体中选择适应度最高的个体并将其对应的预加载策略作为最优预加载策略。
进一步的，对3D瓦片的纹理进行设置，具体为：将二维纹理图片和三维地质模型顶点坐标之间进行UV映射，在渲染过程中，对每个三角形或像素，根据UV坐标在纹理贴图上采样对应的颜色，通过插值或过滤算法得到对应纹理贴图像素的颜色值。
进一步的，步骤S105通过在虚幻引擎中引入Cesium For Unreal插件实现。
进一步的，对三维地质模型的显示效果进行优化，具体包括：对三维地质模型表面颜色、对比度、明暗度进行调整；使用法线贴图和置换贴图调整三维地质模型表面凹凸效果；设置瓦片材质的反射参数和折射参数；对3D瓦片进行不透明蒙版设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种地质模型三维可视化方法，基于虚幻引擎和3D Tiles技术实现三维地质模型的可视化，借助虚幻引擎强大的渲染能力，提供逼真的三维场景和模型，结合3D Tiles可以将大规模地质数据集进行流式传输和海量渲染，提高三维地质模型的精细度和真实度；同时基于虚幻引擎和3D Tiles实现的三维地质模型具有较好的交互性和可操作性，以便更好地观察和分析地质构造和特征，所述方法具有高质量渲染、高效数据处理、交互性和可操作性、可视化范围广泛以及开源实现和开放性等优点，有助于提高地质建模的准确性和效率，为地质研究和应用提供更好的支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种地质模型三维可视化方法整体流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参照图1，本实施例提供一种地质模型三维可视化方法，所述方法包括以下步骤：
S101、将三维地质数据集转换为3D瓦片格式。
S102、设置3D瓦片分块规则，对3D瓦片组织进行管理。
S103、对3D瓦片的加载和显示进行调度。
S104、对3D瓦片的纹理进行设置。
S105、动态创建3D瓦片场景组件，对3D瓦片场景组件的默认位置进行设置，设置瓦片材质实例，并设置3D瓦片场景组件的碰撞属性。
S106、基于3D瓦片数据生成相应的三维地质模型，对三维地质模型的显示效果进行优化，对优化后的三维地质模型进行可视化。
具体的，本实施例根据地质模型四至范围，设置瓦片分块规则，按照模型不同细节级别进行划分，从粗略的数据开始，逐步细化，直到显示最详细的数据。运用层次结构使得数据的加载和显示可以逐步进行，提高了整体性能。步骤S102具体包括以下步骤：
S201、将三维地质模型细节划分为由低到高多个不同级别。
S202、将3D瓦片按照三维地质模型细节级别划分为多个层次。
作为一种优选的示例，步骤S102中还根据三维地质模型不同层次的精细程度计算几何误差值，以应用于后续的3D瓦片调度。
3D瓦片调度是为了在满足资源限制的情况下，尽可能地提供最高质量的可视化效果。本实施例中对3D瓦片的加载和显示进行调度具体包括以下6个步骤：
S301、进行视点和视野判断，在虚拟地球或三维场景中，通过判断当前视点和视野范围从而决定哪些3D瓦片需要加载和显示。
S302、针对不同的视点和视野范围，对3D瓦片进行优先级排序。确保优先加载和显示与当前视点和视野相关的瓦片。例如，优先加载视线方向上的瓦片，或者优先加载离用户当前位置较近的瓦片。
S303、根据3D瓦片的优先级排序结果将3D瓦片设置为渐进式加载。为了提高用户体验，采用渐进式加载策略，先显示低分辨率的瓦片，然后逐渐细化，直到显示高分辨率的瓦片，这样用户在等待数据加载的过程中也能够获得初步的可视化效果。
S304、设置实时三维地质数据的动态更新策略。对于支持动态数据更新的场景，需要实时检测数据的变化，并相应地调整加载策略，确保实时数据能够在合适的时候被更新和显示。
S305、设置3D瓦片的缓存和预加载策略。为了减少重复加载和提高响应速度，对已加载的瓦片进行缓存，并预加载可能需要的瓦片，提前将其加载到本地缓存中。
S306、为3D瓦片添加异步加载策略。为了避免阻塞主线程，3D瓦片调度采用异步加载的方式，确保在加载数据的同时不会影响用户的交互体验。
本实施例所提供的方法针对大规模地质三维空间数据集的加载和显示，采用上述的调度策略，以确保数据在需要时高效地加载，并优化用户体验。
屏幕空间误差是判断瓦片是否满足精度要求的依据。在前述实施例的基础上，步骤S103中还包括步骤：设置三维地质模型的屏幕空间误差阈值，当三维地质模型的显示误差高于屏幕空间误差阈值时，加载更精细的三维地质模型，保证模型精度和场景渲染速度为最合理的一个平衡点，屏幕空间误差阈值以几何误差值为依据进行设置。
作为一种优选的示例，设置3D瓦片的预加载策略，具体包括以下步骤：
S401、获取3D瓦片的多个备选预加载策略。
S402、将3D瓦片数据和备选预加载策略输入到遗传算法中，通过遗传算法以加载总成本最小为目标进行分析计算，输出最优预加载策略，所述加载总成本包括计算资源成本和响应速度成本。
S403、基于最优预加载策略对3D瓦片进行设置。
其中，步骤S402具体包括以下步骤：
S501、基于3D瓦片数据和备选预加载策略生成多个个体，形成初始种群。
示例性的，初始种群的每一个个体均包括瓦片数据集合和备选策略集合，瓦片数据集合中包括多项3D瓦片数据，而备选策略集合中包括多项备选预加载策略，在生成个体时，首先根据输入遗传算法的每项3D瓦片数据随机绑定一项备选预加载策略，再将已经互相绑定的3D瓦片数据和备选预加载策略按绑定顺序分别录入瓦片数据集合和备选策略集合中，使得瓦片数据集合中3D瓦片数据的排列次序与其绑定的备选预加载策略在备选策略集合中的排列次序相同。
S502、通过轮盘赌算法对初始种群中的个体进行随机选择。
在其他实施方式中，也可以采用粒子群算法、模拟退火算法或其他优化搜索算法对初始种群中的个体进行选择。
S503、对被选择的个体进行交叉、变异操作中的一种或多种。
示例性的，所述交叉操作可以是：从种群中随机选择个体A和个体B，将个体A的瓦片数据集合在指定位置进行切分，得到子集i和j，将个体B的瓦片数据集合在相同的位置进行切分，得到子集q和k，将i和k相结合，将q和j相结合，得到新的瓦片数据集合。对个体A和个体B的备选策略集合进行相同的切分和结合操作，得到新的备选策略集合，基于新的瓦片数据集合和新的备选策略集合组成新的个体。
所述变异操作可以是：在个体的瓦片数据集合中随机选择一个位置的3D瓦片数据，变更其绑定的备选预加载策略；或者从个体的瓦片数据集合中随机选择两个位置的3D瓦片数据，对两者各自绑定的备选预加载策略进行调换；或者本领域技术人员根据实际需求可以做出的其他变异操作。
S504、重复步骤S502～S503，直至算法收敛，输出种群。
S505、从输出种群的所有个体中选择适应度最高的个体并将其对应的预加载策略作为最优预加载策略。
本实施例中，对3D瓦片的纹理进行设置，具体为：将二维纹理图片和三维地质模型顶点坐标之间进行UV映射，在渲染过程中，对每个三角形或像素，根据UV坐标在纹理贴图上采样对应的颜色，通过插值或过滤算法得到对应纹理贴图像素的颜色值。
步骤S105具体可以通过以下方式实现：在虚幻引擎中首先引入Cesium ForUnreal插件并激活插件，动态创建3D瓦片场景组件，通过参数设置3D瓦片场景组件的位置、旋转、缩放属性值来修改3D瓦片场景组件的默认位置，通过标签属性为3D瓦片添加相关附件信息，方便在运行时对3D瓦片进行操作，设置3D瓦片材质实例，设置3D瓦片场景组件的碰撞属性，包括碰撞的形状、响应规则等，用于处理物体之间的碰撞和交互。
作为一种优选的示例，步骤S106中，对三维地质模型的显示效果进行优化，具体包括：对三维地质模型表面颜色、对比度、明暗度进行调整；使用法线贴图和置换贴图调整三维地质模型表面凹凸效果，增加细节和真实感；设置瓦片材质的反射参数，可以让物体表面显示周围环境的反射效果，增加逼真感设置瓦片材质的折射参数，可以模拟光线经过透明物体时的折射效果；对3D瓦片进行不透明蒙版设置，可以实现模型部分遮挡、过渡等效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101、将三维地质数据集转换为3D瓦片格式；
S102、设置3D瓦片分块规则，对3D瓦片组织进行管理；
S103、对3D瓦片的加载和显示进行调度；
S104、对3D瓦片的纹理进行设置；
S105、动态创建3D瓦片场景组件，对3D瓦片场景组件的默认位置进行设置，设置瓦片材质实例，并设置3D瓦片场景组件的碰撞属性；
S106、基于3D瓦片数据生成相应的三维地质模型，对三维地质模型的显示效果进行优化，对优化后的三维地质模型进行可视化。
2.根据权利要求1所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S102具体包括以下步骤：
S201、将三维地质模型细节划分为由低到高多个不同级别；
S202、将3D瓦片按照三维地质模型细节级别划分为多个层次。
3.根据权利要求1所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S103具体包括以下步骤：
S301、进行视点和视野判断，从而决定哪些3D瓦片需要加载和显示；
S302、针对不同的视点和视野范围，对3D瓦片进行优先级排序；
S303、根据3D瓦片的优先级排序结果将3D瓦片设置为渐进式加载；
S304、设置实时三维地质数据的动态更新策略；
S305、设置3D瓦片的缓存和预加载策略；
S306、为3D瓦片添加异步加载策略。
4.根据权利要求3所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S102中，还根据三维地质模型不同层次的精细程度计算几何误差值。
5.根据权利要求4所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S103中，还包括步骤：设置三维地质模型的屏幕空间误差阈值，当三维地质模型的显示误差高于屏幕空间误差阈值时，加载更精细的三维地质模型，屏幕空间误差阈值以几何误差值为依据进行设置。
6.根据权利要求3所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，设置3D瓦片的预加载策略，具体包括以下步骤：
S401、获取3D瓦片的多个备选预加载策略；
S402、将3D瓦片数据和备选预加载策略输入到遗传算法中，通过遗传算法以加载总成本最小为目标进行分析计算，输出最优预加载策略，所述加载总成本包括计算资源成本和响应速度成本；
S403、基于最优预加载策略对3D瓦片进行设置。
7.根据权利要求6所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S402具体包括以下步骤：
S501、基于3D瓦片数据和备选预加载策略生成多个个体，形成初始种群；
S502、通过轮盘赌算法对初始种群中的个体进行随机选择；
S503、对被选择的个体进行交叉、变异操作中的一种或多种；
S504、重复步骤S502～S503，直至算法收敛，输出种群；
S505、从输出种群的所有个体中选择适应度最高的个体并将其对应的预加载策略作为最优预加载策略。
8.根据权利要求1所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，对3D瓦片的纹理进行设置，具体为：将二维纹理图片和三维地质模型顶点坐标之间进行UV映射，在渲染过程中，对每个三角形或像素，根据UV坐标在纹理贴图上采样对应的颜色，通过插值或过滤算法得到对应纹理贴图像素的颜色值。
9.根据权利要求1所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，步骤S105通过在虚幻引擎中引入Cesium For Unreal插件实现。
10.根据权利要求1所述的一种地质模型三维可视化方法，其特征在于，对三维地质模型的显示效果进行优化，具体包括：对三维地质模型表面颜色、对比度、明暗度进行调整；使用法线贴图和置换贴图调整三维地质模型表面凹凸效果；设置瓦片材质的反射参数和折射参数；对3D瓦片进行不透明蒙版设置。
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