地学三维可视化建模技术研究现状

董 坤，薄 杨，李中永

(安徽国防职业科技学院 信息工程系，安徽 六安 237011)

0 引言

随着我国经济的高速发展，能源及矿产资源的开采和利用在我国国民经济中所处的地位越来越突出.经过多年的研究、实践和发展，人们已经能够通过物理和数学方法较准确地对地下矿藏进行分析和解释.而地学相关工作的参考资料和成果资料数据信息一般情况下都是离散分布的，工作人员需要利用实测的离散数据在工作区域内推断某属性的分布规律，而由于数据量巨大，且数据离散分布，所以通常情况下工作人员想要直接利用这些离散数据分析地质体的内部结构是较为困难的.

地学工作的最终成果是展示给用户的地质成果图、实际材料图以及原始数据资料等.随着计算机技术的发展和应用的逐渐深入，人们对所需建立实体模型的要求越来越高，为使所建立的模型更加直观、真实，应用中越来越需要建立真正的三维立体模型，因此研究三维立体建模技术并应用于工程实际已迫在眉睫，例如三维地表可视化建模、三维矿带实体可视化建模、三维地层可视化建模等.地学三维可视化建模技术已经成为国内外研究的热点.

1 地学三维可视化建模研究现状

通过几十年的努力，可视化建模技术已经得到了很大发展［1］.尤其是二维数据建模所取得的成果，不论是专业的应用软件，还是结合计算机辅助设计系统和GIS系统的二次开发都得到了很大的发展.

1.1 国外研究现状

由于国外对地学三维可视化模型构造技术研究起步早，因此该领域的理论积累较为丰富，在三维可视化建模系统的研制与开发领域已经取得了丰硕成果，开发了大量成功的商业软件，例如GENAMAP、ARC/INFO、MAPINFO等.

加拿大在20世纪60年代中期便开始研究建立CGIS，该系统是世界上第一个地理信息系统.自20世纪80年代以来，国外在地学领域应用三维可视化技术已经十分普遍，很多西方主要国家都推出了可用性较强的地学三维可视化建模系统.

英国Badleys Geoscience Ltd公司推出的TrapTester软件，在断层及裂缝预测等方面居于国际领先水平，为地质学家提供了从地震解释、地质建模到圈闭评价的软件平台，利用它可以研究断层的侧向封堵性、预测断块圈闭的可能烃柱高度和进行圈闭完整性评价.

德国WASY公司推出的FEFLOW，是专业的地下水流模拟软件，由德国水资源规划和系统研究所开发，侧重于二维、三维的地下水稳定流或非稳定流、化学物质运移及热传输的模拟.

美国Dynamic Graphics公司研制开发的EarthVision空间地质建模软件，可用于识别地质目的层的各种属性.目前世界上许多著名的石油公司采用该软件建立地层与地质结构的空间分布及其相互关系，有着广泛的客户对象.

法国Earth Decision Sciences推出的GoCAD达到了半智能化建模的最高水平，该软件能在几乎所有硬件平台上运行，GoCAD的诞生标志着地质建模技术取得了飞速的发展.如今的GoCAD可以构造几乎所有地质体复杂模型，可以满足对复杂地质区域的建模要求.

澳大利亚Surpac国际软件公司开发的基于Windows操作系统的大型矿山工程软件Surpac Vision，在勘探、地质建模、采矿设计、钻孔编录、生产计划和开采进度计划等方面功能突出，其界面采用Java语言开发，便于与Internet有很好的兼容性，能够进行网络应用.

在短短约50年内，国外不但在技术、理论研究上取得了显著成果，而且形成了一个成熟的以专业地理信息技术及计算机应用技术为基础，以工程管理技术为核心的学科领域，涌现出了一系列非常有国际竞争力的行业软件，该类软件能够将多源数据进行统一管理，并实现了数据的可视化及输出等功能.

1.2 国内研究现状

我国对三维地学可视化研究始于20世纪80年代，虽然起步较晚，但做了大量有益的探索.近年来随着矿业开采的增长和不断发展，对地学模型构造的需求不断增加，从而促进了我国在地学建模上的研究.

我国地学建模的研究大多是在技术应用领域开展.例如，中国矿业大学吴立新在煤矿领域的应用研究［2］，中国地质科学院陈郑辉进行的金属矿三维建模研究，西安煤田航测遥感公司应用GIS技术在航空地质测量、煤田预测等任务中也取得了显著成果.

在对地学建模理论进行研究的过程中，也涌现了一些地学模型构造系统平台.GeoView是由中国地质大学国土资源信息系统研究所研制的具有自主知识产权的可视化地学信息系统平台［3］.中国水电顾问集团公司华东勘测设计研究院联合中国地质大学及坤迪科技有限公司开发的GeoEngine，该专业地质建模软件已经应用于多个国内大型工程.中国石油大学开发的RDMS三维石油勘探可视化软件、南京大学开发的SLGRAPH三维石油勘探可视化软件.

近年来，虽然国内在理论和工程实践应用等方面都有了不少成绩，并且已经涌现出了一些诸如Super-Map、MapGIS、GeoExpl和GeoStar等一批较为成熟的商业软件，但所开发的软件系统大多还仅仅局限于科研院所的研究之用，诸如国外的GoCAD、EarthVision、SurPac Vision等成功的商业三维可视化建模软件还没有问世，我国在地学领域的三维可视化研究还有很长的路要走.

我国的企业也引进或自主开发了一些独立的绘图系统，并取得一些效益.总体来看，作为绘图工具，还缺乏合理的设计方法和设计理论的指导，在三维系统的开发上还很落后，随着三维反演的迅猛发展，三维可视化建模的应用会逐渐加大，并且物探成果的实际材料图展示也越来越趋于三维空间的显示.例如工作区的地表结构图、地下矿带的走向显示等，这些都涉及三维空间内的矢量化的面和实体显示.目前，实现地质结构计算机图形三维可视化，已经成为国内地质软件开发研究的热点.

尽管近年来计算机的硬件发展很快，CPU的频率越来越高、内存的价格不再是高不可攀、图形硬件加速器也在不断发展，但同时也应该看到实际应用中所需要的数据往往比硬件可以显示的数据量大一个或多个数量级，而且应用模型的复杂程度往往超过当前图形工作站的实际处理能力，更不用说普通的计算机.在计算机硬件水平有限的情况下，软件中最为核心的就是算法和优化策略(如大规模三维地形数据的动态调度策略)，通过人为因素对软件执行过程进行适当干预可以弥补硬件存在的不足，因此建模算法和优化策略的研究也是可视化建模中的热门技术.

2 国内外发展前沿

三维可视化建模的发展有很大空间，由于其在地学应用领域的优势，对该技术的研究和探索不断延续发展，并且有着很广阔的研究前景［4－6］，其大体发展有如下趋势:①并行与分布式科学可视化;②三维体可视化趋势;③虚拟现实技术的实现;④计算机自动处理结合过程中的人工干预体系;⑤计算机软硬件高速发展，带来的计算和处理能力以及算法发展.

地学三维可视化和计算机技术的发展是紧密相关的.未来地学领域的数据处理、可视化建模的发展、勘探理论的发展，其核心之一就是计算机软硬件技术的发展和程序算法的研究及成熟.而伴随计算机技术的发展，也将促进地学相关领域的发展.今后的地学数据处理和可视化建模将更成熟、更高效、更准确.

世界各国的学者们通过不断的探索和研究，促使该学科的细节技术取得了长足的进步.其技术领域逐渐细化，并与很多先进技术相结合促使其发展逐渐趋于多样性，其技术发展主要表现在以下几点:①四维化:引入时间，展示地质体变化趋势;②网络化、移动化:与各种网络的搭接，实现网络数据共享，全球一体化;③智能化:引入专家系统，解决实际问题;④集成化:地学领域内各个学科相互渗透，综合发展;⑤组件化:模块开发加剧，各模块提供通用接口，实现组件式应用.

3 总结

多年来，国内外在该领域的研究已经取得了丰硕成果，涌现了大量的相关行业软件.国外在该领域的理论研究、软件平台开发和实际应用等方面都取得了丰硕的成果，已经形成了一个综合的学科体系.同时，近30年来我国在该领域也做了大量有益的理论探索和工程应用尝试，但由于我国在该领域的研究和应用起步较晚，因此在理论研究和软件开发等方面和发达国家还有一定的差距，理论积累和可用软件系统的欠缺使得在我国地学工程实际应用中遇到的问题和困难也很多.

三维可视化建模技术在地学领域的应用优势决定了该技术将继续作为未来地学领域讨论的热点问题.未来地学三维可视化建模的研究领域将逐渐细化，并更多地结合先进技术使其发展逐渐趋于多样化和智能化，诸如时间等多维空间因素将被整合到地学三维可视化建模平台中，为地学工作提供更加形象、便利和高效的技术支撑.

［1］王明华，白云.三维地质建模研究现状与发展趋势［J］.土工基础，2006，20(4):68－70.

［2］吴立新，张瑞新，戚宜欣，等.三维地学模拟与虚拟矿山系统［J］.测绘学报，2002，31(1):28－33.

［3］刘军旗，毛小平，孙秀萍.基于GeoView三维地质建模的一般过程［J］.工程地质计算机应用，2006(4):1－3.

［4］黎华.地形与地质体三维可视化的研究与应用［D］.广州:中国科学院广州地球化学研究所，2006.

［5］狄超.大规模三维地形数据组织和调度方法研究［D］.长春:长春理工大学，2007.

［6］姜卫东.基于OpenGL的三维函数图像绘制［D］.长春:吉林大学，2007.