专利名称：基于gis与虚拟现实的实时三维地质建模的方法
技术领域：
本发明涉及三维地质建模的方法，尤其是一种基于GIS(地理信息系统)数据结合虚拟现实建模语言开发实时三维地质建模的简化方法，用于实现地质体的快速、实时的三维地质建模，运用该方法对某研究区域进行了三维地质建模。
背景技术：
由于地质体是经历长期、复杂的地质作用形成的，要完全真实的再现地质体是一个难题。目前对地质体的表达主要以地形图、地质图、剖面图以及柱状图等二维描述为主，但随着各种重大工程建设不断增多，对于地质体三维建模的需求逐渐增加，并且随着计算机技术的发展也使得三维地质建模成为可能。本发明涉及三维地质建模是了解地层分布与结构特征的重要手段，是近年来研究的热点问题。但目前的建模方法，包括一些商业软件，普遍存在专业知识要求高、建模周期长、数据前期处理复杂等一系列缺点。本技术提出了一种基于GIS数据结合虚拟现实建模语言开发实时三维地质建模的简化方法，可以实现地质体的快速、实时的三维地质建模，并运用该方法对某研究区域进行了三维地质建模。
近几年，地质体三维建模的相关研究成为热点，见[1]Simon W.Houlding，3DGeoscience Modeling[M]，Hong Kong，Springer，1994.1-3；[2]Simon W.Houlding，PracticalGeostatistic[M]，GermanySpringer，2000.27-114.，国内外一些成熟的商用软件也不断推出，如美国CogniSeis Development公司的TerraCube、加拿大Kirkham Geosystems公司的MicroLynx等，[3]方海东，刘义怀，施斌等，三维地质建模及其工程应用，水文地质工程地质，2002年第3期。然而这些软件存在数据前处理复杂、建模周期较长等缺点，并且建模过程都需要具备较高地质专业知识和软件操作水平的人员进行干预。在工程勘察中对建模的时效性要求比较高，往往需要在钻探取样完成之后很快的给出地质体的三维模型。这一要求对于数据处理复杂、建模周期较长的方法显然是无法满足的。
虚拟现实是利用计算机发展中的高科技手段构造出一个仿真的虚拟境界，使参观者获得与现实一样的感觉的一项新技术。虚拟现实是一个在当今国际上倍受关注的课题。虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，简称VRML)是实现虚拟现实的工具之一。VRML是用文档脚本来描述三维物体的语言，于1998年1月被正式比准为国际标准。它定义了当今3D应用中的绝大多数常见概念，诸如变换层级，视点，几何，动画，材质属性和纹理映射等。
VRML是解释性语言，也就是说在实现模型展示、旋转、缩放过程中需要一个解释器。由于VRML是基于国际标准的语言，因此解释器无需自行开发，大大降低了三维建模的成本、提高开发效率。本文借用VRML中对几何形体的建模、材质贴图以及动画控制功能实现三维地质建模，由于VRML是基于国际标准的建模语言，也有利于建模的标准化。
随着GIS在勘察行业中的应用不断深入，大量的数据都已经或者正在用GIS进行管理和维护。尤其是钻孔资料，它是揭示地质体信息的最直观的资料之一。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于现实的GIS技术和虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术协同工作进行实时三维地质建模的方法。尤其是一种简化的三维地质建模方法，用于实现地质体的快速、实时的三维地质建模。
本发明的目的是这样实现的一种基于GIS技术和虚拟现实技术协同工作进行实时三维地质建模的方法，利用VRML在一个六面体的表面上进行贴图，六面体的尺寸取决于用户在二维电子地图中绘制的矩形框的尺寸以及钻孔所及的最大深度，其中四个侧面的贴图用来表达岩性随深度的变化情况，构建模型的主体，贴图中的位置信息来自与基于GIS的空间数据库，并通过钻孔数据的分层信息由计算机动态创建岩层的剖面图；顶面贴图采用该六面体所在区域的二维地图，该地图来自二维GIS的电子地图；而略去对六面体的底面的图形处理。
由于六面体的底面反应的仅仅是一个切面，为简单起见，可以不进行贴图。
本发明的特点是目前三维地质建模方法非常多，国内外也已经有不少成熟的商业软件可以实现三维地质建模，与这些方法相比本发明方法具有以下特点和优势(1)实现了实时三维地质建模，有效利用了原始数据，减少人工干预。传统的三维地质建模方法一般需要进行针对性的数据处理、剖面生成以及体视化处理等多个步骤。尤其是数据处理的过程耗时普遍较长，且需要多个步骤的人工干预。因此其建模周期较长。本文所述方法是基于GIS管理系统下完成的，而在系统中，钻孔数据是管理系统的一部分，因此不会增加数据处理成本。使用中，只需绘制三维模型的顶面四边形即可实时创建三维模型，提高了建模效率。
(2)与GIS建立实质性的关联。本文所叙述的方法的最为突出的特点是与GIS建立了实质性的相关，也就是说与要了解的区域的空间位置建立相关，这大大提高了三维地质建模的实用性。通过二维电子地图可以很容易得知自己要了解的区域位置，然后绘制区域范围并生成地质图。
(3)可以作为数据资料的校核手段。在建模完成后，如果出现地层分布不合理等现象，可以及时发现问题，通过资料分析判断是地质问题还及时发现问题，通过资料分析判断是地质问题还是由于资料错误造成，决定是否需要补勘。以上处理的结果只需要对钻孔资料库进行修改后即可重新建模，重复以上工作直到找到问题所在。
本发明是基于GIS环境下，利用VRML作为建模工具实现三维地质建模的新方法。该方法有效利用了钻孔资料，无需经过复杂的数据处理工作，通过在电子地图上绘制模型来表达区域范围实现实时的三维地质建模。本发明在工程勘察领域中的应用前景非常大，并且将随着勘察信息管理的信息化和数字化不断深入，直接利用数据库中的钻孔信息实时建模，使三维建模不仅仅用来表达勘察成果，更可以对勘察资料进行分析和校核，对勘察工作起指导和辅助决策的作用。
图1为本发明VRML三维地质建模示意2为本发明搜索绘制剖面图所需钻孔的示意3为本发明绘制剖面图示意4为本发明方法创建的某大桥桥墩三维地质模型具体实施方式
如图1所示，进行三维地质建模的基本思路就是六面体的表面上进行贴图，尤其是四个侧面和顶面。
侧面贴图为了创建剖面图的效率，将顶面四边形的四条边进行等分(见图2)，具体的等分个数取决于钻孔数据的分布密度，以保证每一个等分点附近有一个钻孔，然后以等分点为中心在所有钻孔数据中进行空间查询，找到距离等分点距离最近的钻孔。然后将该钻孔的数据“平移”到等分点。在钻孔数量及分布许可得情况下也可以通过“插值”获得等分点处的值。如果在钻孔分层数据中有关于岩层的倾向和倾角信息的情况下可以通过“投影”的方式获得等分点的值。
所谓“平移”，就是以该等分点位置作为搜寻到的钻孔的平面位置，而钻孔的岩层分层及岩性信息不变。这种处理方法存在一定的误差，或用另一种处理方法是利用周围钻孔进行插值，但在实际操作过程中往往因钻孔数量、钻孔分布等原因带来误差。“插值”就是对周围钻孔岩层分层及岩性的数据进行多次样条平滑或其他方法，求出符合某曲线或直线关系的未知点数据。“投影”是通过岩层的倾向和倾角由已知钻孔点向未知点作投影获得未知点的数据。
其它等分点的做法依次类推，这样就可以绘制四个剖面线的剖面图。
图3给出绘制剖面图的示意图。剖面图的绘制的方法比较成熟，只要从搜寻到的钻孔的数据库中获得钻孔的岩层埋深数据以及岩性，并根据相邻钻孔的对应岩层分布情况进行连线和填充即可。该过程利用编程语言创建VRML脚本文件，在VRML中创建相应的多边形面来完成。
顶面贴图顶面贴图为电子地图中使用者绘制的四边形区域的地图部分。实现顶面贴图的方法有多种，其中比较方便和成熟的方法有两种，一种是通过调用Windows API来完成的；另一种是调用GIS的保存图象功能来完成。两种方法比较而言，API的方法不受GIS软件本身的功能限制，屏幕中的任意矩形区域均可以实现，其机理类似于屏幕拷贝。第二种方法的具体步骤应根据采用的GIS软件功能决定。无论采用何种方法，最后将该四边形区域的地图保存为硬盘文件，以备VRML中贴图的需要。关于顶面贴图的具体生成方法可以参阅相关Windows编程教材，这里不作赘述。
六面体制作与贴图由于VRML是脚本语言，三维模型是根据脚本语言的描述和解释器的共同工作来实现的。从脚本语言的撰写来讲是非常简单的，只需要按照规范的格式将六面体的若干要素(包括六面体的长、宽和高以及六面体中心点等)进行赋值即可。这些要素的值需要利用GIS技术从空间数据中获取。四个侧面和表面的贴图由上述方法给出。在写VRML文件时需要注意以下几个问题(1)GIS获取的空间坐标及长度值往往非常大，如(123124.33，321471.33，223312.12)，这些数据如果直接写入VRML文件中将导致模型过大，模型的绘制和移动效率都将大大降低，因此应按相应比例缩小。缩小到1％-1/10000。
(2)六面体的高度应当取所有被选中的钻孔的最大深度或大于钻孔最大深度的某一个值，以便保证三维模型可以充分反应所有钻孔的信息。
(3)为保证创建的六面体位于视图的中心，在VRML文件中应当设置视点位置为六面体的质心位置向X轴平移一定距离。
创建六面体后，利用VRML提供的定义材质语句实现表面和顶面的贴图，图4给出了利用上述方法创建的某大桥桥墩处的三维地质模型，整个区域范围内有钻孔113个，桥址区面积约1.2平方公里。图4所示模型范围内共有钻孔13个，区域面积约1000平方米。具体操作是在桥址区的电子地图中绘制一个矩形框，然后执行按照上面所叙述的算法开发的程序模块立即在弹出的窗口中显示图4所示的三维地质图。
权利要求
1.一种基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是利用VRML在一个六面体的表面上进行贴图，其中四个侧面的贴图用来表达岩性随深度的变化情况，构建模型的主体；顶面贴图采用该六面体所在区域的二维地图，该地图来自二维GIS的电子地图；而略去对六面体的底面的图形处理。
2.由权利要求1所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是进行三维地质建模的基本思路就是六面体的表面上进行贴图时，将顶面四边形的四条边进行等分，然后以任意等分点为中心在所有钻孔数据中进行空间查询，找到距离等分点距离最近的钻孔，然后将该钻孔的数据“平移”到等分点。
3.由权利要求2所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是所述平移时，以该等分点位置作为搜寻到的钻孔的平面位置，而钻孔的岩层分层及岩性信息不变。
4.由权利要求2所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是所述平移的方法是利用周围钻孔的岩层分层及岩性信息进行插值。
5.由权利要求2所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是GIS获取的空间坐标及长度值按比例缩小。
6.由权利要求1或2所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是六面体的高度应当取所有被选中的钻孔的最大深度或大于钻孔最大深度的某一个值，以便保证三维模型可以充分反应所有钻孔的信息。
7.由权利要求1或2所述的基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，其特征是在VRML文件中设置视点位置为六面体的质心位置，向X轴平移一定距离。
全文摘要
一种基于GIS技术和虚拟现实的实时三维地质建模的方法，利用VRML在一个六面体的表面上进行贴图，其中四个侧面的贴图用来表达岩性随深度的变化情况，构建模型的主体；顶面贴图采用该六面体所在区域的二维地图，该地图来自二维GIS的电子地图；而略去对六面体的底面的图形处理。本发明是基于GIS环境下，利用VRML作为建模工具实现三维地质建模的新方法。该方法有效利用了钻孔资料，无需经过复杂的数据处理工作，通过在电子地图上绘制模型来表达区域范围实现实时的三维地质建模。本发明在工程勘察领域中的应用前景非常大。
文档编号G06T17/05GK1595455SQ20041004112
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者王宝军, 施斌, 蔡奕, 周汇光, 索文斌 申请人:南京大学