基于VRML的煤矿床三维可视化方法研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．6 N O V ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 6 6 5 0 3 基于V R M L 的煤矿床三维可视化方法研究 梅晓仁，张瑞新 中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要介绍了基于V R M L 的煤矿床三维可视化的一般方法．该方法将研究区域划分为若干个规 则的网格，用距离幂次反比法对煤矿床顶底板高程进行插值，形成数字高程模型．依次连接各个 网格顶点形成煤矿床顶底板表面和侧面，从而构成一个闭合的三维地质体．运用V R M L 中的 I n d e x e d F a c e S e t 节点构造了一个能够在网络上运行的煤矿床实体，取得了良好的效果．实践表 明，v R M L 为实现网络虚拟现实环境提供了一个可行的解决方案． 关键词虚拟现实；虚拟现实建模语言；可视化；煤矿床；数字高程模型 中图分类号T D8 2文献标识码A S t u d yo nM e t h o do fV R M L - B a s e d3 DV i s u a l i z a t i o no fC o a lB e d M E IX i a o r e n 。Z H A N GR u i x i n S c h o o lo fR e s o u r c e s8 LS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg e n e r a lm e t h o du s i n gV R M Lt or e a l i z e3 Dv i s u a l i z a t i o no fc o a lb e di Si n t r o d u c e d ． T h es t u d y i n ga r e ai sd i v i d e di n t oal o to fr e g u l a rg r i d sa n dt h ee l e v a t i o nv a l u eo fr o o fa n df l o o ri s i n t e r p o l a t e du s i n gI n v e r s eD i s t a n c et oaP o w e rt of o r mD i g i t a lE l e v a t i o nM o d e l D E M ．A n dt h e g r i dv e r t e x e sa r ec o n n e c t e d t of o r ms u r f a c e s ，f o r m i n gac l o s e d3 Dg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ．T h e n V R M Ln o d eI n d e x e d F a c e S e ti Su s e dt of o r ma3 Dc o a lb e dt h a tc a nr u ni nt h eI n t e r n e t ．T h er e s u l t s h o w st h a tV R M Li Saf e a s i b l es o l u t i o nt oc o n s t r u c tV i r t u a lE n v i r o n m e n ti nt h eI n t e r n e t ． K e yw o r d s V i r t u a lR e a l i t y V R ；V i r t u a lR e a l i t yM o d e l i n gL a n g u a g e V R M L ；v i s u a l i z a t i o n ； c o a lb e d ；D i g i t a lE l e v a t i o nM o d e l D E M 科学可视化 V i s u a l i z a t i o ni nS c i e n t i f i c C o m p u t e r ，简称V i S C 是2 0 世纪8 0 年代后期随着 计算机图形学应用的拓广而发展起来的一个新的 研究分支Ⅱ屯] ．煤矿床地质信息的三维可视化是指 以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，采用 计算机图形技术将数学描述以3 D 真实感图像的 形式予以表现．三维可视化模型能够形象地表达地 质体的“真实”形态特征以及构造要素的空间关系， 为定量化研究地质体开拓了一条现实的途径．随着 计算机技术的飞速发展，三维可视化研究越来越受 到地学界的重视，并成为地学领域的一个热点[ 3 ] ． 虽然国内外关于在单机上实现地质体可视化的算 法已经很多，但是这些方法大多不能适应目前网络 化快速发展的要求，程序不能够在网络上运行，并 且与用户的交互性差． 近年来出现的虚拟现实技术 V i r t u a lR e a l i t y ， 简称V R ，能够充分反映三维物体的形态，又大大 加强了人机交互的能力，为三维可视化研究提供了 新的思路．虚拟现实建模语言 V i r t u a lR e a l i t y M o d e l i n gL a n g u a g e ，简称V R M L 是一种三维造型 和渲染的图形描述语言，通过创建一个虚拟场景以 达到现实中的效果．V R M L 凭借其强大的三维功 能，真正将I n t e r n e t 变成了一个广阔的三维空间． V R M L 是虚拟现实的软件实现方法之一，为基于 I n t e r n e t 的虚拟现实环境的实现提供了一个可行 的解决方案“] ．许多内置V R M L 浏览器的网络浏 收稿日期2 0 0 4 0 5 0 8 作者简介梅晓仁 1 9 7 3 一 男，辽宁省丹东市人，中国矿业大学博士研究生，从事信息技术及其在矿业中的应用等方面的研究． 万方数据 6 6 6中国矿业大学学报 第3 3 卷 览器可以直接浏览用V R M L 编程实现的虚拟对 象睛6 | ．本文拟探讨基于V R M L 的虚拟现实技术实 现煤矿床三维可视化的一般方法． 1 原始数据结构 通常情况下，采用钻孔资料作为研究煤矿床三 维可视化的主要资料来源．初始状态的钻孔资料在 平面上的分布是不规则的．在垂直剖面上，一个钻 孔含有多个地层层位的高程信息．但是由于地层具 有断层、褶皱等现象，因此一个钻孔资料又可能缺 失某些地层的信息，在进行资料组织和处理时，应 该根据研究区域的实际情况而采用不同方法．由于 某一研究区域的地层数是已知的，我们可以采用钻 孔号分别为x ，y ，Z 。，日。，z 。，H 。，⋯，z 。，矾的数 据结构存放钻孔数据．其中X ，y 为钻孔的平面坐 标；Z 。～乙为自上而下的岩层底板标高；H 。～玩 为对应岩层厚度． 通过z ，和H ，可以确定各个岩层的顶板标 高，从而可以控制各个地质体的状态． 2 煤矿床三维可视化的实现方法 每个煤层是一个由上表面、下表面及其上下左 右周界表面 以下统称表面 组成的闭合体．要实现 其可视化，只需在三维空间中绘制该煤层的各个表 面即可．根据煤矿床的特点，将研究空间划分为多 个规则的网格，然后用相应的网格描述煤层的各个 表面，从而构成一个视觉上闭合的三维实体，其实 现方法如下 1 对煤层顶底板的离散数据进行插值．为了 能够方便地绘制各个表面，插值形成的网格应具有 相同的行数m 和列数规．本文采用距离幂次反比 法口] 对各个表面进行插值，形成表面的三维网格数 据o ，2 ，y ． 2 依次连接各个网格顶点形成各个表面，从 而构成闭合的煤层 如图1 所示 ．为了保证用户能 够看到煤层的外表面，在连接网格时要确保各个网 格的法线向量指向煤层实体的外侧．连接网格时， 给每个网格点赋予索引标号 0 ，1 ，2 ，⋯ ，上下表面 统一赋值 如图1 所示 ，然后用四个网格点的索引 值表示一个网格，从而每个表面的索引值集合就构 成了一个表面． 考虑到每个网格法线向量方向，各个表面网格 的索引值集合构成方法如下 上表面每个网格点的索引值为 图1 煤矿床网络构成示意图 F i g ．1D i a g r a mo fn e ts t r u c t u r eo fc o a lb e d i - 1 x n _ f 一1 i 1 ，2 ，⋯，柳；_ ， 1 ，2 ，⋯，糟 ； 下表面每个网格点的索引值为 i 一1 托 J 一1 ，，l 挖 f 1 ，2 ，⋯，m ；j - - - 一1 ，2 ，⋯，n ， 因此， 上表面的索引值集合为 [ i 一1 以 - 『一1 ， i 一1 x n j ， i x n j ，i x n j - 1 ] ， f l ，2 ，⋯，m ；_ 『 1 ，2 ，⋯，n ； 下表面的索引值集合为 [ i 一1 以 歹一1 m x n ，i x n J 一1 m x n ， i 挖 歹 ，竹豫， i - 1 恕 歹 m ”] ， i 一1 ，2 ，⋯，，，l ；．『 1 ，2 ，⋯，，1 ； 前表面的索引值集合为 [ f 一1 x n 歹一1 ， f 一1 “ 歹一1 ，咒行， i 一1 x n j m n ， i - 1 x n j ] ， i 1 ；_ 『 1 ，2 ，⋯，押 ； 后表面的索引值集合为 [ i 一1 以 _ 『一1 ， i 一1 x n j ， i 一1 n j m x n ， i - 1 疗 歹一1 m x n ] ， i m ；_ 『 1 ，2 ，⋯，n ； 左表面的索引值集合为 [ i 一1 孢 _ 『一1 ，i x n ．『一1 ， i x n 歹一1 ，咒n ， f 一1 咒 歹一1 ，行n ] ， i 1 ，2 ，⋯，m ；歹 1 ； 右表面的索引值集合为 [ i 一1 x n ．『一1 ， ；一1 村 _ 『一1 m x n ， i x n j - 1 m x n ，i x n 歹一1 ] ， i 1 ，2 ，⋯，m ；．『 雄 ． 对于每个煤层，利用该方法形成的网格顶点索 引值集合是相同的，因此，只要确定每个煤层上下 表面的三维坐标，就可以很容易地形成该煤矿床的 万方数据 第6 期梅晓仁等基于V R M L 的煤矿床三维可视化方法研究 6 6 7 各个表面，从而构造出该煤矿床的三维立体图，实 现其可视化． 3 在V R M L 环境下实现煤矿床三维可视化 由于V R M L 中所提供的几何原型并不是专门 针对地学模型的，因此，要用V R M L 所提供的几何 原型来显示我们所研究的地学模型，就必须采用一 定的匹配方法． 地质体的三维可视化需要用到数字高程模型， 可以使用V R M L 中I n d e x e d F a c e S e t 节点来实 现[ 8 _ 1 0 ] ．I n d e x e d F a c e S e t 节点主要有四个字段 c o o r d ，c o o r d l n d e x ，c o l o r ，n o r m a l ．c o o r d 用来指定 c o o r d i n a t e 节点，存放研究区域的三维坐标点 z ，2 ， y ．c o o r d l n d e x 描述如何用这些网格点索引生成网 格，这个字段主要存放坐标点对应的索引值，各个 网格之间用“一1 ”隔开．c o l o r 字段主要用于描述各 个方格网的颜色值．为了使绘制的方格网立体感更 强，可以使用n o r m a l 字段存放每一个方格网的法 向量值，该值可以通过网格点索引值求得．要用 l n d e x e d F a c e S e t 节点显示煤矿床，需要做的主要工 作就是为c o o r d ，c o o r d l n d e x ，c o l o r ，n o r m a l 字段设 置恰当的值． 4 应用实例 运用上述方法实现了某矿区煤层1 上层 、煤 层2 下层 以及两个煤层之间岩层 中间层 的三 维可视化，如图2 所示．首先形成每个煤层顶板和 底板的数字高程模型和网格顶点值索引集合，从而 形成了煤层的立体显示；两个煤层之间的岩层通过 相邻煤层1 的底板和煤层2 的顶板的数字高程模 型和网格顶点值索引集合来确定．用户可以实施旋 转、拉近、拉远、放大和缩小等操作从各个角度观察 该矿区煤层和岩层的形态． 图2 从各个角度观察到的地质体形态 F i g ．2 S t r a t u ms h a p e sf r o md i f f e r e n tp o i n t so fv i e w 5 结论 近年来，随着网络技术的不断发展，迫切要求 三维地质体能够在网络上浏览．V R M L 的出现，为 网络三维可视化研究提供了新的手段．根据煤矿床 的特点，使用V R M L 语言中的I n d e x e d F a c e S e t 节 点来模拟煤层的表面．实践表明，用V R M L 制作三 维物体具有简单方便、视觉效果好、交互性强等特 点．在此基础上，可以进一步利用J a v a 等编程语 言，构造一个能够与用户进行信息沟通 如属性与 图形的双向查询 的三维可视化平台[ 9 。0 ’． 参考文献 [ 1 ] 李青元，曹代勇。高文泰．基于体划分的三维矢量结构 G I S 拓扑关系[ A ] ．徐冠华，李德仁，刘先林．遥感在 中国E e l ．北京测绘出版社，1 9 9 6 3 4 8 3 5 3 ． [ 2 ]夏炎．三维矢量结构地质模型及其微机可视化图形 显示系统研究l - 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