三维可视化地质建模软件系统研制

摘要

三维可视化地质建模能快速、适时地再现地下地质体三维信息，可以为科学家研究地下地质构造及综合分析提供快捷、有效的工具，在石油勘探、数学地质、水文工程地质等领域具有广阔的应用前景，也是计算机图形学领域的重要研究课题，相关方法研究和软件研制既具有理论意义又具有实际价值。 三维可视化地质建模的关键点在于如何将数值数据映射到几何数据，目前采用的方法可归纳为基于面模型、基于体模型和基于混合模型空间建模三大类。本文通过对国内外先进三维地质建模软件的分析比较以及对可视化技术和空间造型技术基础理论的分析总结，采用基于混合模型空间建模方法实现三维地质模型可视化，研究了地质体三维可视化建模的一般流程和典型构造建模的处理方法，采用面向对象的软件设计思想，设计了一个地质体三维可视化建模系统，并探讨了实现该系统的关键技术。本文的主要工作和创新包括： （1）建立了一个适用于地质体三维可视化建模的地质体概念模型，将地质体分解为五种类型（点、线、三角形、表面、实体），且给出了这五种分类的计算机图形学表达方法。 （2）针对地质层面本身的复杂性，提出了一套三维地质层面空间描述解决方案：首先基于克里金插值建立地质层面的网格描述，然后采用基于三维三角剖分算法的三角网结构模型拟合地层面，最后使用多个开曲面合成一个封闭曲面，构成三维地质实体，并在实际实现过程中对部分算法进行了优化。 （3）对地质体三维可视化技术原理进行了系统论述，结合断层建模的特殊要求，引入了CAD 建模方法，实现模型的交互编辑。 （4）设计了一个较为完整的地质体三维可视化建模系统。该系统主要由可视化应用程序框架、地质体表面建模方案、地质体实体建模方案组成。完成了关键算法的研究，并在软件算法上进行了实践。（5）实现了跨平台开发，使系统可以运行于多个计算机操作系统平台。 本文针对三维地质模型输入和三维地质模型的建模方法作了较深入的研究，研制了相应的软件，取得如下研究结论与认识： （1）三维块状地质模型的建立是进行三维模型正演的基础。采用图形裁剪技术可以进行复杂构造块状模型的自动建模，从而解决了复杂构造块状地质模型构建问题。 （2）采用空间点、三角形、面（子面）和块的概念可是描述复杂地三维地质模型有效方法。 （3）基于交线约束的一致性处理算法解决闭合块提取中三维空间裁剪的有效方法。 （4）三维可视化的模型编辑方法是三维地质建模的有效途径。 本项研究研制了一个能够进行复杂三维地面模型建模系统，系统集成了基于约束三维三角剖分技术、克里金插值法的三角网建模技术以及开曲面合成封闭曲面技术；采用OpenGL 作为底层的图形支持，采用跨平台开发工具QT 进行图形界面设计，将建模过程分解为构建地质体数据结构以及三维可视化显示两个过程，效率高，移植性好，为国内同类型三维地学建模软件系统的开发提供了相关的经验。