基于VTK的地质体三维可视化研究
|
摘要
地质体三维可视化是地质工程中急需解决的一个热点问题。它是指以适当的数据结构建立模拟地质体特征结构的数字模型,然后利用计算机可视化技术将数字模型以三维真实感图形的形式予以表现。利用三维可视化的结果可以将地质体的形态构造直观形象的展现在用户和相关的专家面前,最大限度地增强人们对地质分析的准确性和直观性,使之做出符合实际的地质现象分布和变化规律的施工方案和工程设计,从而减少人们对地质问题认识的滞后性、盲目性以及地下工程的施工设计所面临的巨大风险性。
本文通过对当前国内外地质体三维可视化的理论和方法的研究与总结,以国家863项目“城市浅层地质勘探及三维地质成像技术”为支撑,重点研究了以下内容：
1)通过分析VTK (Visualization Toolkit,可视化工具包)自身的数据结构及文件格式特点,在不影响可视化效果和空间分析的前提下,对现有采用以广义三棱柱(Generalized Tri-Prism,简称GTP)为体元的建模方法进行了简化,使之可以更加快速地建模和可视化操作。
2)对传统的基于钻井数据的三维地质建模方法做了一些改进,其中,在构建地表面主-TIN网时,添加了对三角网所有三角形的顶点进行排序的步骤,使GTP体元可以自动、快速地剖分成四面体。
3)结合本文提出的GTP模型结构和建模方法,采用面向对象的方法,设计数据结构,基于钻井数据对地质体进行三维建模,并生成VTK格式的数据。
最后,根据用户需求,按照软件工程的方法,在Qt的平台下,以VTK为图形开发工具包,开发了一个地质体三维可视化系统,实现了地质体的真三维显示和一些常用的空间分析和操作功能。同时,利用该系统,对本文建模方法的实际建模效果进行了展示和验证,取得了预期的效果。通过本文对地质体的三维建模与可视化方法的研究,为地学领域的三维地质建模及可视化系统软件的研发提供了一种新的思路和方法。
3D visualization of geological bodies is a hotspot issue to be solved urgently in engineering geology. Such visualization aims to construct a digital model with the structures of the features of geological bodies, with proper data structures and then demonstrating the model in a three dimensional graph with the application of visualization technology of computer. The result can exhibit the structural configuration of geological bodies to users and relevant experts visually, maximizing the accuracy and reliability of their analysis of the bodies. Therefore, they can work out construction schemes and engineering designs in conformity with distribution and change rules of geological phenomena, and reduce hysteresis and blindness in their recognition of related problems as well as risks in designing and construction of underground projects.
Through review and summary of theories and methods of 3D visualization of geological bodies both home and abroad, the paper mainly conducts research into the following areas with the support of the 863 program--"Geological Exploration at Shallow Depth in Urban Areas and 3D Imaging Techniques".
1) Through analyzing the features of the data structure and the file format of VTK without affecting visualization effects and spacial analysis, the paper simplifies the topological relationship needed to be maintained by the existing modeling method with the voxel of Generalized Tri-Prism (GTP), to accelerate the process of modeling and visual operation.
2) The paper improves the traditional 3D geological modeling methods based on drilling data. For example, the author added the sorting procedures of each vertice of triangulation while constructing main TIN net on surface to disect the GTP voxel into TEN automatically and rapidly.
3) Based on the GTP structure and modeling methods, the paper, in an object-oriented way, designs data structure, practices 3D modeling to geological bodies on the based of drilling data and generates data of VTK format.
Finally, according to users'demands and based on the software engineering method, the paper, with Qt as a platform and VTK as a graphics development toolkit, develops a 3D visualization system of geological bodies, realizing true 3D display of the bodies and some common spacial analysis and operation. Meanwhile, the author used the system to verify and demonstrate the proposed modeling method of the paper and get the expected result. Thus the paper provides a new thought and method for the research and development of 3D geological modeling and visualization system software.
本文通过对当前国内外地质体三维可视化的理论和方法的研究与总结,以国家863项目“城市浅层地质勘探及三维地质成像技术”为支撑,重点研究了以下内容：
1)通过分析VTK (Visualization Toolkit,可视化工具包)自身的数据结构及文件格式特点,在不影响可视化效果和空间分析的前提下,对现有采用以广义三棱柱(Generalized Tri-Prism,简称GTP)为体元的建模方法进行了简化,使之可以更加快速地建模和可视化操作。
2)对传统的基于钻井数据的三维地质建模方法做了一些改进,其中,在构建地表面主-TIN网时,添加了对三角网所有三角形的顶点进行排序的步骤,使GTP体元可以自动、快速地剖分成四面体。
3)结合本文提出的GTP模型结构和建模方法,采用面向对象的方法,设计数据结构,基于钻井数据对地质体进行三维建模,并生成VTK格式的数据。
最后,根据用户需求,按照软件工程的方法,在Qt的平台下,以VTK为图形开发工具包,开发了一个地质体三维可视化系统,实现了地质体的真三维显示和一些常用的空间分析和操作功能。同时,利用该系统,对本文建模方法的实际建模效果进行了展示和验证,取得了预期的效果。通过本文对地质体的三维建模与可视化方法的研究,为地学领域的三维地质建模及可视化系统软件的研发提供了一种新的思路和方法。
3D visualization of geological bodies is a hotspot issue to be solved urgently in engineering geology. Such visualization aims to construct a digital model with the structures of the features of geological bodies, with proper data structures and then demonstrating the model in a three dimensional graph with the application of visualization technology of computer. The result can exhibit the structural configuration of geological bodies to users and relevant experts visually, maximizing the accuracy and reliability of their analysis of the bodies. Therefore, they can work out construction schemes and engineering designs in conformity with distribution and change rules of geological phenomena, and reduce hysteresis and blindness in their recognition of related problems as well as risks in designing and construction of underground projects.
Through review and summary of theories and methods of 3D visualization of geological bodies both home and abroad, the paper mainly conducts research into the following areas with the support of the 863 program--"Geological Exploration at Shallow Depth in Urban Areas and 3D Imaging Techniques".
1) Through analyzing the features of the data structure and the file format of VTK without affecting visualization effects and spacial analysis, the paper simplifies the topological relationship needed to be maintained by the existing modeling method with the voxel of Generalized Tri-Prism (GTP), to accelerate the process of modeling and visual operation.
2) The paper improves the traditional 3D geological modeling methods based on drilling data. For example, the author added the sorting procedures of each vertice of triangulation while constructing main TIN net on surface to disect the GTP voxel into TEN automatically and rapidly.
3) Based on the GTP structure and modeling methods, the paper, in an object-oriented way, designs data structure, practices 3D modeling to geological bodies on the based of drilling data and generates data of VTK format.
Finally, according to users'demands and based on the software engineering method, the paper, with Qt as a platform and VTK as a graphics development toolkit, develops a 3D visualization system of geological bodies, realizing true 3D display of the bodies and some common spacial analysis and operation. Meanwhile, the author used the system to verify and demonstrate the proposed modeling method of the paper and get the expected result. Thus the paper provides a new thought and method for the research and development of 3D geological modeling and visualization system software.
引文
[1]刘唱晓,贺怀建,张柯军.基于三棱柱单元地层与桩基的可视化研究[J].岩土力学与工程学报,2005,24(2)：61-64.
[2]张渭军,王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究[J].大地构造与成矿学,2005,30(1)：108-113.
[3]吴立新,沙丛术.真三维地学模拟系统与水利工程应用[J].南水北调与水利科技,2003,1(2)：20-25.
[4]唐泽圣.三维数据可视化[M].北京：清华大学出版社,1999.
[5]Nahum D.Gershon,Stephen G. Eick.Information Visualization[J].IEEE Computer Graphics and Applications,1997,(7-8):29-31.
[6]颜辉武,祝国瑞.地下水的体视化研究[M].武汉：武汉大学出版社.2004.
[7]毕林,王李管,陈建宏,冯兴隆.基于VTK的矿体三维可视化研究与实现[J].计算机工程与应用,2008,44(10)：78-81.
[8]Houlding, S W.3D Geoscience Modeling:Computer Techniques for Geological Characterization[M]. Berlin:Springer-Verlag,1994.
[9]武强,徐华.三维地质建模与可视化方法研究[J].中国科学(D辑,地球科学)2004,34(1)：54-60.
[10]贺怀建,白世伟,赵新华,陈健.三维地质模型中地层划分的探讨[J].岩土力学,2002,23(5)：637-639.
[11]李仲学等.地矿工程三维可视化技术[M].北京：科学出版社,2007.
[12]史文中,吴立新,李清泉等.三维空间信息系统模型与算法[M].北京：电子工业出版社,2007.
[13]边馥苓.面向对象的栅格矢量一体化的3D数据模型[J].武汉测绘科学技术大学学报,2000,25(4)：295-297.
[14]文学东,卢秀山,李青元,魏占营.基于三棱柱的三维地质体建模及可视化研究[J].测绘科学,2005,30(5)：82-84.
[15]吴立新,陈学习,车德福,徐磊.一种基于GTP的地下真3D集成表达的实体模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2007,32(4)：331-334.
[16]陈朋跟,龚建雅.地勘工程三维空间数据模型及其数据结构设计[J].测绘学报2001,30(1)：74-83.
[17]杨东来,张永波,王新春.地质体三维建模方法与技术指南[M].北京：地质出版社,2007.
[18]李响.三维地质建模技术的研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文,2008.
[19]TITAN4.0地学综合资讯系统产品发布会资料汇编.北京东方泰坦科技有限公司,2001，5.
[20]陈昌彦,张菊明,杜永廉等.边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用[J].岩土工程学报,1998.20(4)：1-6.
[21]柴贺军,黄地龙,黄润秋.岩体结构面计算机三维扩展模型研究[J].地质灾害与环境保护,1999,6(2)：73-76.
[22]柴贺军.大型地质工程岩体结构三维可视化建模及其工程应用研究[D].成都：四川大学博士学位论文,2001.
[23]徐长青,许志闻,郭晓新.计算机图形学[M].北京：机械工业出版社,2004.
[24]胡事民,刘利刚等译.计算机图形学(OpenGL版)(第三版)[M].北京：清华大学出版社.2008.
[25]http://baike.baidu.com/view/1318206.htm.
[26]苏幸,黄临平,刘艳阳.三维地质实体模型研究进展[J].科技广场,2007,12(5)：23-25.
[27]陈建.三维地层信息系统的建模与分析研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所博士学位论文,2001.
[28]李清泉,李德仁.三维地理信息系统中的数据结构[J].武汉测绘科技大学学报1996,21(6)：128-133.
[29]Joe B.Construction of 3D Delaunay Triangulations Using Local Transformations-[J]. Computer Aided Geometric Design,1991,8:123-142.
[30]孟耀伟,舒国权,王山东.三维地学建模理论研究与实现[J].地理空间信息,2008,6(4)：74-77.
[31]Wu L X.A generalized tri-prism model for 3D geosciences modeling and top geol-logical description[A].In Advanced Workshop On Spatial Information Technology. Hongkong,PolyU,2002.
[32]车德福,吴立新,陈学习,徐磊.基于GTP修正的R3DGM建模与可视化方法[J].煤炭学报,2006,31(5)：576-560.
[33]http://baike.baidu.com/view/94625.htm.
[34]张永波,杨钦.地下水三维可视化系统开发与应用[M].北京：地质出版社,2008.
[35]Wu L X,Topological relations embodied in a generalized tri-prism(GTP) model for a 3D geosciences modeling system[J].Computer & Geosciences,2004,405-41 8.
[36]吴立新,陈学习,车德福,徐磊.一种基于GTP的地下真3D集成表达的实体模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2007,32(4)：331-334.
[37]Albertlli G,Grawfis R A.Efficient subdivision of finite element datasets into consistent tetrahedral[J].IEEE Visualization 1997,11:213-230.
[38]Dompierre J, Labbe P, Vallet M, et al.How to subdivide pyramids, prisms and hexahedra into tetrahedral[A].8th international meshing roundtable,California, 1990,1-8.
[39]陈学习,吴立新,史文中,王彦兵,李鲲杨.GTP模型中对角线引入的最小顶点标识(SVID)法[J].地理与地理信息科学,2004,20(3)：17-21.
[40]王彦兵,吴立新,史文中.GTP模型中四面体的引入及其空间模型的扩展[J].地理与地理信息科学,2003,19(5)：16-29.
[41]Kainz,W.M. Egenhofer and I. Greasley. Modelling spatial relations and operations with partially ordered sets[J]. International Journal of Geographical Information Science,1993,7(3):215-229.
[42]罗智勇,杨武年.基于钻孔数据的三维地质建模与可视化研究[J].测绘科学,2008,33(2)：130-132.
[43]杨东来,张永波,王新春.地质体三维建模方法与技术指南[M].北京：地质出版社,2007.
[44]武晓波,王世新,肖春生Delaunay三角网生成算法研究[J].测绘学报,1999,28(1)：28-35.
[45]车德福,陈学习,吴立新,徐磊.基于广义三棱柱体元的三维地层建模方法[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(1)：36-38.
[46]董志.GeoEngine中基于多数据源三维地层半自动建模技术的研究[D].北京：中国地质大学硕士学位论文,2008.
[47]William JS, Kenneth MM, Lisa SA, et al. The VTK users guider[M]. New York: Kitware,2000.
[48]胡雅俊,智明,肖文生.基于VTK散乱点集三角网重建算法研究[J].计算机工程与科学,2008,30(1)：69-72.
[49]W.J Schroeder, Kenneth Martin, William Lorensen, et al. The Visualization Tool-Kit:An Object-oriented Approach to 3D Graphics[M].2nd Edition.PrenticeHall-Old Tappan.1998.
[50]王燕红.基于VTK的地质体真三维可视化原理和方法初探[D].长沙：中南大学硕士学位论文,2009.
[51]洪振刚.三维地质体建模可视化计算及并行化的研究与应用[D].成都：成都理工大学硕士学位论文,2010.
[52]周振环,伍云智,赵明.医学图像编程技术[M].北京：电子工程出版社,2010，112.
[53]File Formats for VTK Version 4.2. www.kitware.com.
[54]张辉,杨文强,张向阳.VTK技术在地震勘探三维可视化中的研究及应用[J].能源技术与管理,2008,12(5)：123-125.
[55]罗智勇.面向地质勘查的三维可视化系统的研制与开发[D].成都：成都理工大学博士学位论文,2008.
[56]郑人杰,马素霞,麻志毅.软件工程[M].北京：人民邮电出版社,2009.
[57]袁旻,叶峰,杨玲,谢明元.基于VTK的医学图像交互式三维测量技术的研究[J].计算机工程与设计,2008,29(13)：3549-3551.
[58]饶家声,彭承琳,张绍祥等.基于VTK的医学图像交互式定位技术研究[J].科技通报,2010,26(3)：426-430.
[59]袁旻,杨玲Observer和Command模式在VTK类库设计中的应用研究[J].西南名族大学学报(自然科学版),2007,33(4)：972-975.
[60]董攀,吴自兴.一种改进的自适应蝶形细分算法及其在地质三维建模中的应用[J].地理与地理信息科学,2008,24(6)：34-38.
[61]闫锋欣,曾泉人,张志强译.C++GUI Qt 4编程[M].北京：电子工业出版社2008.
[62]文学东.基于三棱柱的三维地质体建模与可视化研究[D].泰安：山东科技大学硕士学位论文,2005.
[2]张渭军,王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究[J].大地构造与成矿学,2005,30(1)：108-113.
[3]吴立新,沙丛术.真三维地学模拟系统与水利工程应用[J].南水北调与水利科技,2003,1(2)：20-25.
[4]唐泽圣.三维数据可视化[M].北京：清华大学出版社,1999.
[5]Nahum D.Gershon,Stephen G. Eick.Information Visualization[J].IEEE Computer Graphics and Applications,1997,(7-8):29-31.
[6]颜辉武,祝国瑞.地下水的体视化研究[M].武汉：武汉大学出版社.2004.
[7]毕林,王李管,陈建宏,冯兴隆.基于VTK的矿体三维可视化研究与实现[J].计算机工程与应用,2008,44(10)：78-81.
[8]Houlding, S W.3D Geoscience Modeling:Computer Techniques for Geological Characterization[M]. Berlin:Springer-Verlag,1994.
[9]武强,徐华.三维地质建模与可视化方法研究[J].中国科学(D辑,地球科学)2004,34(1)：54-60.
[10]贺怀建,白世伟,赵新华,陈健.三维地质模型中地层划分的探讨[J].岩土力学,2002,23(5)：637-639.
[11]李仲学等.地矿工程三维可视化技术[M].北京：科学出版社,2007.
[12]史文中,吴立新,李清泉等.三维空间信息系统模型与算法[M].北京：电子工业出版社,2007.
[13]边馥苓.面向对象的栅格矢量一体化的3D数据模型[J].武汉测绘科学技术大学学报,2000,25(4)：295-297.
[14]文学东,卢秀山,李青元,魏占营.基于三棱柱的三维地质体建模及可视化研究[J].测绘科学,2005,30(5)：82-84.
[15]吴立新,陈学习,车德福,徐磊.一种基于GTP的地下真3D集成表达的实体模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2007,32(4)：331-334.
[16]陈朋跟,龚建雅.地勘工程三维空间数据模型及其数据结构设计[J].测绘学报2001,30(1)：74-83.
[17]杨东来,张永波,王新春.地质体三维建模方法与技术指南[M].北京：地质出版社,2007.
[18]李响.三维地质建模技术的研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文,2008.
[19]TITAN4.0地学综合资讯系统产品发布会资料汇编.北京东方泰坦科技有限公司,2001，5.
[20]陈昌彦,张菊明,杜永廉等.边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用[J].岩土工程学报,1998.20(4)：1-6.
[21]柴贺军,黄地龙,黄润秋.岩体结构面计算机三维扩展模型研究[J].地质灾害与环境保护,1999,6(2)：73-76.
[22]柴贺军.大型地质工程岩体结构三维可视化建模及其工程应用研究[D].成都：四川大学博士学位论文,2001.
[23]徐长青,许志闻,郭晓新.计算机图形学[M].北京：机械工业出版社,2004.
[24]胡事民,刘利刚等译.计算机图形学(OpenGL版)(第三版)[M].北京：清华大学出版社.2008.
[25]http://baike.baidu.com/view/1318206.htm.
[26]苏幸,黄临平,刘艳阳.三维地质实体模型研究进展[J].科技广场,2007,12(5)：23-25.
[27]陈建.三维地层信息系统的建模与分析研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所博士学位论文,2001.
[28]李清泉,李德仁.三维地理信息系统中的数据结构[J].武汉测绘科技大学学报1996,21(6)：128-133.
[29]Joe B.Construction of 3D Delaunay Triangulations Using Local Transformations-[J]. Computer Aided Geometric Design,1991,8:123-142.
[30]孟耀伟,舒国权,王山东.三维地学建模理论研究与实现[J].地理空间信息,2008,6(4)：74-77.
[31]Wu L X.A generalized tri-prism model for 3D geosciences modeling and top geol-logical description[A].In Advanced Workshop On Spatial Information Technology. Hongkong,PolyU,2002.
[32]车德福,吴立新,陈学习,徐磊.基于GTP修正的R3DGM建模与可视化方法[J].煤炭学报,2006,31(5)：576-560.
[33]http://baike.baidu.com/view/94625.htm.
[34]张永波,杨钦.地下水三维可视化系统开发与应用[M].北京：地质出版社,2008.
[35]Wu L X,Topological relations embodied in a generalized tri-prism(GTP) model for a 3D geosciences modeling system[J].Computer & Geosciences,2004,405-41 8.
[36]吴立新,陈学习,车德福,徐磊.一种基于GTP的地下真3D集成表达的实体模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2007,32(4)：331-334.
[37]Albertlli G,Grawfis R A.Efficient subdivision of finite element datasets into consistent tetrahedral[J].IEEE Visualization 1997,11:213-230.
[38]Dompierre J, Labbe P, Vallet M, et al.How to subdivide pyramids, prisms and hexahedra into tetrahedral[A].8th international meshing roundtable,California, 1990,1-8.
[39]陈学习,吴立新,史文中,王彦兵,李鲲杨.GTP模型中对角线引入的最小顶点标识(SVID)法[J].地理与地理信息科学,2004,20(3)：17-21.
[40]王彦兵,吴立新,史文中.GTP模型中四面体的引入及其空间模型的扩展[J].地理与地理信息科学,2003,19(5)：16-29.
[41]Kainz,W.M. Egenhofer and I. Greasley. Modelling spatial relations and operations with partially ordered sets[J]. International Journal of Geographical Information Science,1993,7(3):215-229.
[42]罗智勇,杨武年.基于钻孔数据的三维地质建模与可视化研究[J].测绘科学,2008,33(2)：130-132.
[43]杨东来,张永波,王新春.地质体三维建模方法与技术指南[M].北京：地质出版社,2007.
[44]武晓波,王世新,肖春生Delaunay三角网生成算法研究[J].测绘学报,1999,28(1)：28-35.
[45]车德福,陈学习,吴立新,徐磊.基于广义三棱柱体元的三维地层建模方法[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(1)：36-38.
[46]董志.GeoEngine中基于多数据源三维地层半自动建模技术的研究[D].北京：中国地质大学硕士学位论文,2008.
[47]William JS, Kenneth MM, Lisa SA, et al. The VTK users guider[M]. New York: Kitware,2000.
[48]胡雅俊,智明,肖文生.基于VTK散乱点集三角网重建算法研究[J].计算机工程与科学,2008,30(1)：69-72.
[49]W.J Schroeder, Kenneth Martin, William Lorensen, et al. The Visualization Tool-Kit:An Object-oriented Approach to 3D Graphics[M].2nd Edition.PrenticeHall-Old Tappan.1998.
[50]王燕红.基于VTK的地质体真三维可视化原理和方法初探[D].长沙：中南大学硕士学位论文,2009.
[51]洪振刚.三维地质体建模可视化计算及并行化的研究与应用[D].成都：成都理工大学硕士学位论文,2010.
[52]周振环,伍云智,赵明.医学图像编程技术[M].北京：电子工程出版社,2010，112.
[53]File Formats for VTK Version 4.2. www.kitware.com.
[54]张辉,杨文强,张向阳.VTK技术在地震勘探三维可视化中的研究及应用[J].能源技术与管理,2008,12(5)：123-125.
[55]罗智勇.面向地质勘查的三维可视化系统的研制与开发[D].成都：成都理工大学博士学位论文,2008.
[56]郑人杰,马素霞,麻志毅.软件工程[M].北京：人民邮电出版社,2009.
[57]袁旻,叶峰,杨玲,谢明元.基于VTK的医学图像交互式三维测量技术的研究[J].计算机工程与设计,2008,29(13)：3549-3551.
[58]饶家声,彭承琳,张绍祥等.基于VTK的医学图像交互式定位技术研究[J].科技通报,2010,26(3)：426-430.
[59]袁旻,杨玲Observer和Command模式在VTK类库设计中的应用研究[J].西南名族大学学报(自然科学版),2007,33(4)：972-975.
[60]董攀,吴自兴.一种改进的自适应蝶形细分算法及其在地质三维建模中的应用[J].地理与地理信息科学,2008,24(6)：34-38.
[61]闫锋欣,曾泉人,张志强译.C++GUI Qt 4编程[M].北京：电子工业出版社2008.
[62]文学东.基于三棱柱的三维地质体建模与可视化研究[D].泰安：山东科技大学硕士学位论文,2005.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |