1、上海交通大学硕士学位论文上海三维城市工程地质建模研究姓名：刘映申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：李治柱20060201上海三维城市工程地质建模研究 摘 要 随着上海城市化进程的加快，城市发展与土地资源短缺的矛盾日益突出。地下空间作为城市可持续发展的重要自然资源，对它的开发利用已成为上海城市建设和改造的有机组成部分，进入了适度发展的新阶段。建立一个三维数字化的地质 GIS 技术的信息平台对上述地下空间地质环境问题进行监控、分析、研究，为城市地下空间开发利用规划与管理提供技术支持，以保障工程的施工建设和安全运营是非常必要，而且也是可行的。地质三维数字化的核心是三维地质模拟。传统的三维地质模
2、拟方法通常包括数字化构模与几何构模，其中数字化构模方法可以较好地描述地质体内部的物理、化学属性，但对于地质体空间形态的描述能力较差；几何构模方法则相反。因此，目前三维地质模拟研究中，常规的处理方式是综合应用数字化构模与几何构模，即用数字化构模表达地质体的属性，用几何构模描述地质体的空间几何形态。那么能否构造一种模型，既能进行地质体空间几何形态的描述，又能进行其内部物理、化学属性的表达，从而避免传统三维地质模拟方法中地质体的空间几何形态显示与内在属性分析相分离的问题，本文的研究正是为解决这一问题而展开的。本文研究的基本思路是将体视化技术引入三维地质模拟当中，综合应用传统的计算机图形学技术和体视化
3、技术建立起一个地质体的体元填充模型，这样的一个模型既表达了地质体的几何形态，又可应用三维数据场可视化算法显示地质体内的物理、化学属性。本文将地学体数据按照其空间分布规律分为规则体数据和非规则体数据两大类。对于地学规则体数据的可视化，本文在分析比较了各种典型三维规则数据场可视化算法的基础上，着重研究了三种适用于地学体数据特点的规则体数据场可视化方法，切片级重建方法、体素级重建方法及一种改进的光线投射法。对于地学非规则体数据的可视化，本文主要研究了非规则体数据场可视化关键技术三维约束三角化即约束四面体化的算法原理及实现技术，包括三角化理论基础、几个经典的 Delaunay 三角化算法等。接下来本文
4、研究了地质边界面与地质体体元模型的构造问题，提出按照散点数据的分区二维Delaunay 三角化方法重构地质体边界面，并介绍了基于重构的地质边界面构造闭合的地质体边界面的缝合算法。关于地质体体元模型的构造，论文提出将地质体闭合边界面作为约束面进行约束四面体化来构造该模型。按照这种方法所构造出的地质体模型既可以表达地质体空间几何形态，又可表达地质体内部物理、化学属性，为后续处理如任意方向剖切、等值面绘制等提供基础模型。作者基于本文的研究成果并结合所在单位的实际项目进行上海地区工程地质建模试验。虽然建立的模型还不够完善，但其给出了一个综合运用传统的计算机图形学技术及三维建模技术实现三维地质模拟的解决
5、方案及系统实现框架，验证了技术方案的可行性。最后，对本论文的研究工作做了全面总结，指出了目前研究中存在的不足及下一步的研究方向。关键词：体数据;体绘制;三维地质模拟;地理信息系统 ABSTRACT Along with speeding up of Shanghai urbanization advancement,the contradiction of urban development and the shortage of land resources is increasingly prominent.The underground space,as an important nat
6、ural resource of sustainable development,has become an organic constituent of the Shanghai urban construction and utilization of the underground space has entered the moderate new developing stage.It is is extremely essential and feasible that an 3D digitized geological GIS platform is established t
7、o carry on monitoring,analysing,researhing the above underground spatial geological environment problems,to provides the technical support for plans for the urban underground space utilization and management,to safeguard the project in construction and operation.The key of 3D Digitized Geology is th
8、e 3D geo-modeling.The method of traditional 3D geo-modeling include the digitized modeling and geometric modeling.The digitized modeling can describe the attribute of inner physics and chemistry in the geological body better and cant describe the spatial shape of the geological body well.And it is o
9、pposite to the geometric modeling.Therefore,the regular method is to synthesize the applied digitized modeling and geometric modeling in the research of 3D geo-modeling.That is to express the attribute of the geological body by digitized modeling and describe the spatial geometric shape of the geolo
10、gical body by geometric modeling.Then whether we can construct one model which can not only describe the spatial geometric shape of the geological body,but also express the inner physical and chemical attribute and avoid the problem of separation between the spatial geometric shape and inner attribu
11、te in the geological body of the traditional 3D geo-modeling is the present important research problem.The goal of the thesis is to solve this problem and the author does a lot of research work.The basic thinking is to introduce volume visualization to 3D geo-modeling and to construct the voxel mode
12、l of the geological body by the technique of volume visualization.The voxel model can show both the spatial geometric shape and the inner physical and chemical attribute of the geological body.The geological volume data are divided into two basic types,regular geological volume data and irregular ge
13、ological volume data.For visualization of regular geological data set,the thesis analyses many classic visualization algorithms of regular 3D data set firstly.Then three kinds of algorithm are presented for regular geological volume data.They are the approach of construction from cross section,the a
14、pproach of construction from voxel,and ray-casting volume rendering approach.For visualization of irregular geological data set,the paper focus on the principle and implementation of constrained tetrahedralization,which is the key for visualization of 3D irregular data set.The research includes the
15、basic theory of triangulation,several classic delaunay triangulation algorithms.The thesis discusses the reconstruction of geological surface and geological body in succession.An approach for reconstruction of geological surface was presented,which is to divide scattered points into different region
16、s and then the points of different region are triangulated by 2D delaunay triangulation.An approach of sewing two surfaces is also presented in order to form a closed boundary surface of geological body.The geological body are tetrahedralized by using the TINs of geological surfaces as constrained f
17、aces.The voxel model constructed by above approaches expresses not only the spatial geometric shape of the geological body but also inner attribute in the geological body.Also the voxel model provides a basic model for further 3D modeling,including cutting model,creating iso-surface.The author selec
18、ts a 3D GIS platform from several 3D system and using the platfrom to conduct experiments of 3D geo-modeling in engineering geology of Shanghai area basing on above research fruit and also combining the practical project of our institute.Although the estabilished model is not perfect enough,it shows
19、 a solution way and a frame of system realization to 3D geoloy modeling which is used computer graphics technology and 3D modeling technology,verifies the feasibility of the technology plan.Finally,the research work are summed up and the further research direction and problems are pointed out.Key Wo
20、rds:Volume Data;Volume Rendering,3D Geoscience Modeling;Geographic Information System 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：刘映 日期：2006 年 1 月 9 日 上海交通大学上海交通大学 学
21、位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：刘映 指导教师签名：李治柱 日期：2006 年 1 月 9 日 日期：2006 年 1 月 9 日 2005.12 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题背景
22、及选题意义 随着上海城市化进程的加快，城市发展与土地资源短缺的矛盾日益突出。地下空间作为城市可持续发展的重要自然资源，对它的开发利用已成为上海城市建设和改造的有机组成部分，进入了适度发展的新阶段。目前从其利用的现状看，主要发展重点在联络城市各处设施的地下通道，如城市轨道交通系统(地铁)、地下公路(越江隧道)、地下商业街和地下联络通道等。国内外大量的地下空间开发经验表明，对区域地质环境条件的认识程度是控制地下工程建设安全、经济的关键之一，正确、深入地认识城市区域地质环境特点，加强城市地质问题研究是搞好城市地下空间开发利用规划与管理的基础，是城市地下空间开发的技术保证。建立一个三维数字化的地质 G
23、IS 信息平台对上述地下空间地质环境问题进行监控、分析、研究，为城市地下空间开发利用规划与管理提供技术支持，以保障工程的施工建设和安全运营是非常必要，而且也是可行的。由于地学现象及地质构造的复杂性，相对于其他领域来讲科学计算可视化在地学领域的应用起步较晚、发展较慢。但另一方面，由于地质领域数据获取成本高、量大，数据分析方法多，计算量大，地质行业的技术发展又极大地依赖于计算机技术的发展。传统的地质信息的模拟与表达方式主要有两种，其一是采用平面图和剖面图进行表达(如底板等高线图、地质剖面图、钻孔剖面图等)其实质也是将三维地质环境如地层、矿体与地质现象投影到某一二维平面(XY 平面、XZ 平面或 Y
24、Z平面)上进行表达；其二是采用透视和轴侧投影原理，将三维地质环境中的地层、矿体与地质现象进行透视制图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强 3D 视觉效果，提高人们的 3D 理解水平。这两种方式都存在空间信息的损失与失真问题，且制图过程繁杂，信息更新困难。鉴于传统的地质信息模拟与表达方法的不足和缺陷，需研究借助三维建模技术来进行三维地质模拟的方法，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)作为当前计算机科学的一个重要研究方向，主要研究如何把科学数据转换成可视的、能帮助科学工作者理解的信息
25、的计算方法，是把计算机图形学与图象处理技术应用于计算科学的综合学科1。实际上，随着技术的发展，今天它的含义已经大大扩展，不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算、测量数据的可视化。前者如有限元分析结果等，后者如用于医疗领域的计算机断层扫描(CT)数据、用于地质勘探领域的钻探及地震数据的可视化等。在人们对科学计算可视化进行系统研究十几年以来，其已经在医学、地质勘探、气象学、分子模型构造、计算流体力学和有限元分析等领域得到了不同程度的应用和发展。如今，可视化的概念已经从最初的科学计算可视化扩展到了数据可视化(Data Visualization)、信息可视化(Information Visu
26、alization)。这表明人们对可视化愈加重视，希望可视化技术的应用领域不断拓展，应用水平不断提高。一般说来，科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。学术界常把这种空间数据的可视化称为体视化(Volume Visualization)技术。本论文的研究工作结合了作者所在单位的科研项目：“上海市三维城市地质调查”项目的子课题“上海市城市地质信息平台与咨询服务系统”，该项目是国土资源部与上海市人民政府的合作项目。这使得本论文的研究更有针对性，目的更明确，更有保障。2005.12 上海交通大学硕士学位论文 2 1.2 三维地质模拟概述 1.2.1 三维地质模拟研
27、究内容 所谓三维地质模拟(3D Geoscience Modeling)，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术2。这一概念最早是由加拿大 Simon W.Houlding 于 1993 年提出的。通过三维地质模拟，可获得逼真的三维动态显示效果，使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质空间关系有一个十分直观的认识；通过强大的可视化功能，可提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别，为勘察、试验工作提供验证和解释；通过强有力的数据统计和空间变化交互式分析工具，使地质分析功能加强，灵活性提高。
28、图 1-1 所示就是某一区域的一个三维地质模拟结果图。三维地质模拟的核心问题是三维地质模型的建立，即三维地质建模。三维地质建模就是用勘探资料分析结果重建地下三维地质模型，广义的地质模型有沉积、构造、储层等多种模型。本论文主要是指由地质层位控制的构造形态模型，因此，其三维地质建模的定义是：把以点、线为基本形式的散布式的、局部的勘探资料解释结果在三维空间中综合起来，重新恢复地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，进而重建三维地质构造形态模型并用三维图形图象生动、逼真地表现出来。当三维地质模型建立以后，通过设计的一系列可视化模拟功能进一步清楚地揭示地质模型各个细节、模拟勘探过程、进行定量计算、显示
29、其内部物理、化学属性，为进一步勘探开发提供精确、直观的资料。三维地质模拟是一个科学计算可视化技术在特殊专业领域里的应用问题，而这一工作对于勘探勘察来说则属于资料解释中的成果绘图范畴。1.2.2 三维地质模拟一般技术方法 地质三维模拟，国内外最早是应用于地矿、石油分析领域，国内外大量有关三维地质分析软件基本都是基于此开发的。地质三维的结果表达形式概括起来有两种形式，一是矢量层面技术来模拟三维地层，二是三维小立方体栅格来模拟三维地层。这两种方法各有优缺点。对于矢量层面技术来说，缺点是：算法表达和求解都很复杂，三维切割和空间拓扑分析也很复杂；优点是：处理数据量的能力大，图形表达图 1-1 三维地质模
30、拟结果 Fig 1-1 The result of 3D Geoscience Modeling2005.12 上海交通大学硕士学位论文 3 非常精细，可以实现复杂的三维地质切割和空间拓扑分析分析。对于三维小立方体栅格来模拟三维地层技术来讲，缺点是：处理数据量的能力小得多，基本只能展示小尺寸图形，而且图形表达不精细，三维切割和拓扑空间分析的结果表达效果不佳。通过对国内外大量软件的调查和了解，基本可以概括为类地质三维重构算法，即剖面成面法、直接点面法，以及拓扑分析方法3。下面将分别介绍其实现思路。1.剖面成面法 剖面成面法的基本思路是，在生成大量的地质剖面的基础上，再应用曲面构造法(趋势面法、D
31、EM 生成技术)来生成各个层面，进而来表达三维体。比如国外的三维地质分析软件 GEOCOM 就是采取此种思路的一个典型。具体的解决步骤是：(1)收集、整理原始地质资料，并进行柱状和综合分层；(2)建立地质空间多参数数据库；(3)根据以上资料，应用人工交互式的地质剖面生成软件平台，加上专家的人工干预生成各种各样的空间地质剖面；(4)分别根据各已计算剖面的土层分布结果，加上专家的干预、分析参数的控制来生成各个地质曲面；(5)建立地层空间曲面构架数据库；(6)应用地质三维展示平台，基于地层空间曲面构架数据库、地质空间多参数数据库，来进行地质三维展示，三维切割分析、方量计算等功能。2 直接点面法 直接
32、点面法的基本思路是，直接将原始的线状数据进行有效的分层，直接根据各个层面的标高，应用曲面构造法(趋势面法、DEM 生成技术)来生成各个层面。比如国外的三维地质分析软件ROCKWARE 就是采取此种思路的一个典型。其解决步骤基本同于剖面成面法，只是没有第 3 步，但是地层曲面生成技术相对前者来说要更难一些。3 拓扑分析法 拓扑分析法的基本思路就是，基于各个层面的离散点，通过分析这些点的空间拓扑关系来，来构造地质体。目前来说进行拓扑分析基本采用六面体、四面体模型，或者是 Delaunay 四面体模型等。其与剖面成面法、直接点面法，在本质上没有什么区别，还是从离散的点出法去构造地质层面。1.2.3
33、三维地质模拟的几个概念 1.可视化对象 科学计算可视化技术的核心是三维空间数据场的可视化4，这种三维数据场的数据习惯上也称为体数据。体数据是对有限空间的一组离散采样，每个采样点上的采样值可以是一种或多种，代表在该点上的一个或多个物理属性值(称为特征值)，例如用检测仪器对温度场、速度场、地磁场等进行采样，其结果都是以有限个采样来描述场空间。实现三维建模算法与体数据类型有极大的关系，因此在研究三维建模算法之前对体数据进行分类是非常有必要的。(1)体数据基本概念 采样点和采样值 采样点是采样的空间位置。采样值是在采样点处物质的某种物理属性的量化值。例如，在 CT图象中，采样值表示物质对 x 光的吸收程度。在地质勘探中，采样值往往表示岩性的物理力学指标，如孔隙度、渗透率、应力、温度等，或是地质体对重、磁、电等物理性质的反映程度。体数据 体数据可以定义为一个离散有界的三维空间上的采样函数。如果采样是
