基于IDL的地层三维可视化

赵 洁，奚砚涛，赵 冉

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州221008；2.南京农业大学农学院,江苏南京210095)

基于IDL的地层三维可视化

赵 洁1，奚砚涛1，赵 冉2

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州221008；2.南京农业大学农学院,江苏南京210095)

以钻孔资料为源数据，利用克里格为插值方法，生成了相关地层的规则网格数据，并基于IDL实现了地层三维的可视化，并运用了光度学、色度学的算法实现视觉效果，引入了消隐、光照模型、颜色模型等技术，增强了地层可视化的仿真效果。利用本系统，可实现实时放大、缩小、旋转、平移并对每一个地层表面调色等功能，使得难以观察的地层可以逼真的展现在人们面前，提高了人们对地层的认知能力。

交互式数据语言;地层;三维可视化

随着计算机技术、地理信息系统技术的发展，地层的三维可视化已成为一个热门的研究课题。三维地层显示和分析是综合利用数学、力学、岩土工程和计算机图形学知识的一项新技术，是地下空间信息化开发的基础[1]。

可视化是用于描述对模型或数据进行一定处理后将其结果显示在计算机屏幕上的过程。对于可视化的分类，不同的应用领域有很大的不同，计算机图形学对此一般称为科学计算可视化，它指运用计算机图形学和图像处理技术将科学计算的结果及过程用图像或图形的形式显示在屏幕上并进行交互处理的理论技术和方法，是在计算机图形学的基础上发展起来的一门新兴学科[2、3]。可视化技术作为计算机图形学的前身，今天已经发展成为研究用户界面、数据表示、处理算法、显示方式等一系列问题的一个综合性学科[4]。可视化技术使得人们不再为抽象分析大量的数据而烦恼，从而缩短研究周期，提高研究效率。因此，可视化已经成为人们分析自然现象、社会经济发展形势、认识客观事物本质和变化规律的得力助手，是人们理解复杂现象和大规模数据的重要工具[5～7]。

目前在这个领域的研究已取得一定成果，但仍缺乏更深入的研究，本文主要在地层的可视化方面着重进行研究，在IDL开发平台上让地层的信息更好的展现在用户面前。

1 I D L简介

IDL(InteractiveData Language)交互式数据语言是Research Systems公司推出的进行二维及多维数据可视化分析和应用系统开发的理想软件工具。IDL致力于科学数据的可视化和分析，开发后的系统具有跨平台运行的优势。它集可视、交互分析、大型商业开发为一体，为用户提供了完善、灵活、有效的开发环境[8]。

通过了解IDL语言的主要特点、应用领域以及对比目前常用的可视化开发工具的优缺点，认为IDL处理大数据、支持多种建模方法的能力是其他开发工具所不能比拟的，它更适合于地质建模，所以最终选用IDL开发环境作为系统的开发平台。

2 地层三维可视化

首先是数据的准备，包括钻孔的坐标，上下底板的高度，地层的岩性等数据；再对数据进行整理，建立包括地层空间及属性信息的信息表；接着建立相应模型（包括单层及多层 DEM），通过编写代码建立相应颜色表、光源、坐标轴等实现地层的三维可视化。主要技术路线如图1所示。

图1 基于IDL的地层三维可视化技术流程图

2.1 数据收集及预处理

本文主要应用的是钻孔数据，钻孔数据是地下三维可视化模型系统中最基本的一种数据，钻孔数据主要来源于地质勘探和井下掘进等工程，它包含了钻孔相关的所有信息。主要是对原始数据进行过滤，剔除数据中己经发现或可能出现的粗差，并进行必要的修改、调整、附加一些标记等。当数据分布过于稀疏而有可能影响可视化效果时，需要进行有效的插值加密处理。

2.2 生成DEM数据

如何将这些钻孔连接起来，需要对钻孔间进行内插，所用到的方法即空间插值。本文所用的插值工具是Surfer软件。Surfer软件是美国Golden Softwant公司生产的绘制等值线图和三维地形立体图的软件。它功能强大，能迅速地将离散的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面，作为地理(或地质)的宏观分析者或制图工作者来说，能有一种很方便生成二维、三维地形图的软件是很有必要的。

利用Surfer软件，通过建立钻孔数据的X、Y、Z空间坐标数据库，再通过克里金空间插值，可以很容易地生成名为GRD的网格文件，从而显示简单的单层等值线图。将单层DEM统一到同一个坐标系统，实现对地层的表面模型DEM的叠加显示。

2.3 建立相应颜色表、光源及坐标轴

为了使地层信息能够更直观逼真地表达，在编写的IDL程序中创建相应颜色表对应的主要函数语法形式为：

3 系统界面及功能

系统在设计与实现过程中，发挥了IDL面向对象、图形处理技术等方面的强大优势，为用户提供了一个简单友好的人机交互操作界面。本系统的界面、菜单和工具条比较简单，易于操作。图 2为以济宁三号井钻孔数据为例实现的部分地层表面模型图。

图2 地层表面模型图

系统主要功能为地层的三维显示，并能通过平移、缩放、旋转等功能看到采样数据的信息，可对不同的地层设置不同的颜色，实现了地层的三维可视化。在地质勘探时就可以根据这个系统来显示当前位置地面以下各地层的预测地层性质和分布深度情况，即每个地层分界面的高程值，从而为项目选址、资源勘探等提供决策依据。

4 结 语

系统基于IDL实现了地层的三维可视化，作者以济宁三号井钻孔数据为例验证了本方法和技术路线的合理性及可行性。但本系统也存在着不足之处，比如地学上的特殊地质构造是很复杂的，本文本着将复杂问题简单化的思路，比如说用单值曲面对地层面进行模拟，尽管模拟方法得出了其预想结果，但仍是不很成熟和单一的。对建立具有复杂关系的断层模型还需要进一步的提高建模技术的先进性和精确性。由于三维地层可视化系统的研究与开发尚处于起步和探索阶段，其理论和方法还不太成熟和完善，而且涉及的学科范围比较广，因此在还有许多问题仍有待于深入研究。

[1] 周翠英，董立国，陈恒，等.重大工程三维地层分析的功能设计与实现[J].中山大学学 报：自然科学版,2006,45(4):39-43

[2] 唐泽圣,孙延奎,邓俊辉.科学计算可视化理论与应用研究进展[J].清华大学学报：自然科学版,2001,41(4):48-59

[3] 唐伏良,张向明,茅及愚，等.科学计算可视化的研究现状和发展趋势[J].计算机应用,1997,17(3):8-10

[4] Edsall R M,Harmwer M,Mennis J L.Tools for Visualizing Properties of Spatial and Temporal Periodieity in Geographic Data [J].Computers&Geosciences,2000,26(l):109-118

[5] 戴广宏,科学计算可视化的研究与应用[J].地球物理学进展, 1997,(l):109-112

[6] 唐卫清,刘慎权,余盛明,等.科学计算可视化[J].软件世界,1996 (5)：74-77

[7] 刘勇奎，周晓敏.虚拟现实技术和科学计算可视化[J].中国图像图形学报,2000,5(9):795-798

[8] 秦光宇,钟宝荣.基于Web的二维GIS的设计与实现[J].微计算机信息(测控自动化),2003,19(11):103-104

3D Visualization for Strata Based on IDL

ZHAO Jie1,XI Yantao1，ZHAO Ran2
(1.School of Resource and Geosciences,China University of M ining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.College of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Taking borehole data as source data,we generated regular grid data of relevant strata using Kriging interpolation method in this paper.3D visualization of specific strata is realized based on IDL.At the same time we also use algorithms of photometry and colorimetry to achieve visual effects.In order to enhance the photorealistic of strata visualization,some technologies were adopted suchasblanking,illuminationmodel,colormodel,etc..Thesystem functions include real-time zoom ing-in,zooming-out,rotating,panning and painting any surface of strata.The strata whicharehard to observedirectly in thepastcan be vividly displayed via this system, and the recognitionability of strata w ill be improved.

interactive data language;strata;3D visualization

2009-10-21

项目来源：中国矿业大学青年科研基金资助项目（2006A018）。

P208

B

1672-4623(2010)02-0121-03

赵洁，硕士，主要研究方向为地图学与地理信息系统。