地质数据三维可视化的属性、分类和关键技术

地质数据三维可视化具有显著的空间决策支持属性,其应用分类包括表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化。能否实现这两类"五个可视化",是检验所有地质三维可视化软件的水平和质量的试金石。地质数据三维可视化技术在矿产资源勘查、工程地质勘查、矿山设计开发、水利水电工程设计、地质灾害勘查治理和国防工程建设领域,有着广泛的需求和应用前景。其发展趋势是实现地上、地下、地理、地质数据一体化三维可视化采集、存储、管理、处理和集成应用。复杂地质结构的表达和快速动态建模方法和技术,仍将是未来一段时间的研究重点,引进知识驱动和本体论思路、方法,可能是解决这些问题的有效途径。     

地质大数据可视化关键技术探讨

详述了地质大数据可视化的研究内容,从应用角度可将其分为:表达三维可视化、分析三维可视化、过程三维可视化、设计三维可视化和决策三维可视化5类。针对地质大数据这5类可视化中涉及到的几方面关键技术进行了深入探讨,包括:地质体三维可视化动态精细建模技术;基于CUDA+GPU集群的地质体属性场数据并行可视化技术;针对地质大数据的可视化分析技术;基于地质大数据的虚拟现实和增强现实技术等。对这几方面关键技术的现状、技术路线以及实现效果进行了论述和展示。     

三维地质建模及可视化系统的设计与开发

三维地学模拟是三维地质信息GIS可视化的核心内容。基于基础GIS软件平台MAPGIS,利用功能强大的三维可视化开发平台MAPGIS-TDE,设计、开发具有自主版权的三维地质建模及可视化系统。MAPGIS-TDE包括MAPGIS内核模块、MAPGIS-TDE基础平台、MAPGIS-TDE构建平台和基于MAPGIS-TDE的应用系统等4个层次。基于MAPGIS-TDE的三维地质建模及可视化系统分为地质数据管理、二维地质分析、地质断面处理、地质结构建模和地质属性建模等5大功能模块。系统实现时,将空间数据库划分为基础地理图形库、区域地质数据库、工程地质数据库、水文地质数据库、地球物理数据库、地球化学数据库等6类。该系统不仅提供了强大的地质数据管理、三维地质建模以及模型的可视化功能,还为专业技术人员提供了一个可视化的分析、设计平台。     

地质实体模型的三维交互与分析技术研究

地质实体模型的三维可视化涉及到复杂地质体结构构造和相关地质属性数据的视觉表达与分析,利用科学计算可视化技术来充分、完整、交互式地展示与分析三维地质实体模型一直是三维地质建模领域的研究热点。研发的三维地质建模及可视化系统中可实现通用三维交互操作,包括三维模型的几何变换、三维交互定位与空间属性查询、三维模型的剖切、虚拟钻探、基坑开挖、隧道生成与虚拟漫游等。这些操作采用面向软件的技术,通过对现有的二维设备（如鼠标、键盘等）进行三维仿真,为全方位、多角度的认识和理解地质实体模型提供了强有力的支持。     

地质结构约束下的城市多要素三维属性建模方法研究——以西咸新区为例

支持结构——属性一体化表达的建模方法是三维建模研究的重点和难点之一。已有三维地质建模技术往往存在结构与属性建模过程的割裂，难以实现对地质结构先验知识与属性分析模拟的融合表达。笔者以西咸新区工程地质建模为例，基于多要素精细化探测成果，建立区域统一的地质构造框架模型；在地质构造约束下，充分考虑地质单元特征，精细剖分建模网格，采用随机模拟算法开展属性建模研究，从而实现地质结构约束下的三维属性模型构建。本方法既保留了构造建模对层面的清晰划分,又可以在地层内部更加合理地展现地质属性的空间分布和变化，能够在工程地质勘察和城市地下空间开发等领域得到应用。     

城市三维地质数据组织与管理方法研究

城市三维地质数据的组织与管理是城市三维地质信息系统建设所面临的首要难题。通过对城市地质调查成果数据和城市三维地质信息系统用户需求的分析,将城市三维地质数据抽象、概括为“两个层次、四大类别”。“两个层次”是指城市三维地质数据包括原始数据和解释成果数据这两个层次;“四大类别”则是将城市三维地质数据分为地理空间数据、原始勘察数据、专业解释数据和三维地质建模数据等四个大类,其中地理空间数据和原始勘察数据属于“原始数据”这一层次,专业解释数据和三维地质建模数据属于“解释成果数据”这一层次。论文还按照地质数据所涉及的专业标准,将城市三维地质数据划分为多个专业库,这可满足不同专业的工程人员的应用需求。根据三维地质建模的要求,特别提取出经特殊解释后的三维建模数据,以实现对地质数据的三维可视化显示与分析。这种数据组织与管理方案已经成功的应用于北京、上海等城市的三维地质数据管理和服务系统之中。     

城市区域三维地质结构模型建设与集成方法

大区域高精度城市三维地质模型可以实现多源数据有效集成,提升城市地质工作成果的可视化表达能力。本文剖析了交叉折剖面、多源交互式复杂地质体建模等适用于城市地质三维建模的技术方法,并对每种方法的适用性及优劣势进行了详细的描述。以GeoBGS平台为基础,利用不同数据模型的特点,通过标准化钻孔数据库、基准钻孔库、基准剖面库及地层模型的建设实现了通州区范围的土壤环境、地下水环境、地面沉降等多专题信息地质模型。将多专题地质模型进行集成显示和分析,构建了通州区域三维地质集成模型展示系统。为满足空间一体化表达的应用需求,通过空间配准、坐标系统转换及地下模型的拓扑修复,确保了地上地下一体化模型在同一坐标系下的无缝集成。     

基于Monte Carlo模拟的三维剖面地质界线不确定性分析

三维剖面地质界线是构建三维地质结构模型的重要基础数据,其不确定性会影响三维模型的几何形态和属性分布。以单一分布为假设前提的统计学不确定性分析方法掩盖了其他概率分布特征对模型的影响。突破单一误差分布条件的假设前提,本文使用Monte Carlo方法模拟了不同概率分布情况下地质剖面数据中地质界线的抽样采集,以及地质界线空间分布的不确定性;依托地质界线空间位置与地质属性的耦合关系,提出了用地质属性概率分布实现地质界线空间不确定性的定量可视化,并结合实际地质剖面探讨了多种概率分布条件下地质界线的空间不确定性。实例研究表明,基于Monte Carlo模拟的不确定性分析方法可以突破单一误差分布假设条件,结合地质属性概率可充分揭示出建模数据的内在不确定性与模型外在要素形态之间的耦合关系。     

基于Virtual Globe的地质灾害监测数据集成及可视化

应用Virtual Globe技术和面向服务的软件构架SOA模型.通过综合分析地质灾害的空间数据和业务数据的特点,确定了不同数据类型之间的联系与服务方式.构建了一个地质灾害监测预警三维可视化数据集成框架,实现地质灾害空间数据和业务数据的集成和地质灾害相关信息的三维可视化显示.开发了基于B/S模式的华蓥山地质灾害监测预警...     

四川省重要地质钻孔数据库成果的建设与应用

四川省历时7年建立了四川省重要地质钻孔数据库，该数据库由图表数据库和属性数据库两部分组成。其中图表数据库涵盖67086个地质钻孔的基本信息，以“三图一表”的形式进行表达，属性数据库包含8537个地质钻孔，包括钻孔工程信息、钻孔地质信息、样品测试数据等相关数据项。钻孔数据已在全国重要地质钻孔数据库服务平台、四川省重要地质钻孔数据库服务平台、四川省重要地质钻孔数据库展示平台上集成与展示。在该数据库建设成果的基础上，通过数据结构分析及可视化处理功能，实现了对成果的统计分析，并对城市规划与地下空间开发、重大工程选址、安全生产与应急救援等应用场景进行了模拟，在应用场景模拟中，通过数据清洗与挖掘、三维地质建模、地质三维分析等功能，实现了地质数据的二次开发利用，提高了四川省地质资料数字化、信息化水平，增强了地质数据的社会显示度。     

异常结构三维综合系统的开发和应用

地球化学异常结构三维综合系统的开发和应用是为了满足地球化学多维异常体系的研究而逐步展开的。应用于深部找矿预测的多维异常结构方法,从钻孔岩芯直接采样,获得了具有真三维属性的地球化学数据,研究者迫切需要在三维场景下对所获三维地球化学数据进行解读和表达。异常结构三维综合系统(3D-MDAS)是利用三维可视化和地质体三维建模技术,在MapGIS K9平台上进行二次开发获得的。本系统实现了地上、地下数据模型的一体化显示,实现了实体模型与属性模型的耦合一体化显示,在此基础上还可以对异常结构进行空间分析,建立三维地球化学找矿模型。笔者详细阐述了三维异常结构3D综合系统的三维建模思路和技术,并用安徽马头矿区的实际应用成果给以说明。     

多源异构地质数据集成方法应用研究

大数据技术的高速发展为地质数据挖掘与分析带来了新的机遇。借鉴大数据技术的思想,提出了一种多源异构的地质数据集成方法,为数据挖掘、地质数据信息化服务提供了技术基础。针对北京周口店研究区,建立了其野外地质三维综合信息平台,将各类地表、地质体、地质信息等结构、半结构、非结构数据集成到统一的平台系统中,实现了研究区域相关地质数据的集成管理、可视化浏览、查询与分析,为大数据方法在地质领域的应用提供了新的思路。     

地质科学大数据背景下的矿体动态建模方法探讨

三维地学建模的理论与方法在大数据时代该如何发展,是当下这一领域研究人员非常关注的问题。从现代三维地学建模的重要方法——隐式建模的角度,对三维地学建模方法与地质大数据系统的有机集成、以及如何利用大数据技术提高地学建模的效率和质量等问题进行了探讨。初步提出了一套基于地质科学大数据的三维地学建模方法和流程,包括:地质大数据的搜集、主题大数据系统的搭建、地质特征要素的深度挖掘和三维地学模型的动态构建。同时,也指出了大数据背景下高质效三维地学建模的关键在于:研究实现充分顾及地质对象和地质科学大数据特点的地学人工智能、机器学习、数据挖掘及空间推断方法。通过一个典型矿体建模的应用实例对所提方法的可行性进行了验证。     

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

地质科学大数据统合应用的基本问题

进行地质科学大数据统合利用,涉及一系列理论、方法和技术问题,包括:多源多类异质异构地质数据的采集、存储和管理问题;数据汇聚、集成和结构化、可视化转换问题;数据同化、融合问题和深度挖掘、广度聚联问题;地质大数据有效利用的方式、方法和途径问题,以及云服务的模式和系统架构问题。所面对的挑战是实现结构化-半结构化-非结构化数据、静态勘查数据与动态监测数据的一体化存储、管理、处理和应用,以及大数据与小数据、混杂性数据与精确性数据、模型与数据、有模型与无模型、关联关系和因果关系的矛盾与统一问题。     

“玻璃国土”建设中的矿山高精度三维地质建模方法

"玻璃国土"最终成果的表达应该是多分辨率的三维模型的集成。一般地区是用物探、化探、遥感资料解译成果建立的小比例尺的地表和地下三维地质框架模型,而对于有丰富勘探资料的矿集区和正在开采的矿山,应该建立分辨率更高的高精度三维模型。包括矿山三维地表模型、三维钻孔模型、三维矿体模型、三维岩层模型、三维构造模型和三维井巷模型等,建立这些高精度模型所需的数据、所需采用的方法、建模过程及模型结果各不相同。多分辨率模型的集成及应用涉及建模数据的一体化问题,包括坐标系统、边界对接和数据结构的一体化问题,需要在"玻璃国土"建设的统一框架下,事先制定分类标准来解决。     

城市地质信息系统建设的目标与解决方案

城市地质信息系统建设的基本功能目标是：支持多源异构地质空间数据的存储、管理、提取、传输与交叉访问,实现地下地质结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化,支持政府决策并开展相关领域的信息社会化服务。为此,应当将其纳入“数字国土”和“数字城市”工程的统一规划中去,一方面借鉴地矿点源信息系统的设计思路与方法,研发并建造主题武的“城市国土资源基础数据平台”,以及相关的决策支持系统和服务应用系统;另一方面运用“多S”集成技术、联邦数据库技术、数据仓库技术、三维可视化技术和计算机网络技术,整合各种已有的和新建的多源异构的数据库、图形库、知识库、方法库、模型库和管理系统、决策系统。在具体设计时,可以将客户机／服务器(C／S)结构与浏览器／服务器(B／S)结构结合起来,并按市(局)—县(区、分局)两级联网的构架进行设置。     

三维地质结构模型精度评估理论与误差修正方法研究

三维地质模型精度评估与误差修正问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上,提出了三维地质结构模型精度评估、误差检测、动态修正的总体研究框架。在模型精度评估方面,提出分别构建三维地质结构模型精度评估的一般理论模型、面向特定地质体的实际操作模型和地质结构构造不确定性的三维空间分布模型的研究思路,指出应重点研究地质实体自身特性、三维地质建模方法对三维地质结构模型精度的影响,解决由一般地质界面的内插误差和特殊地质体的外推误差引起的精度评估问题。在模型误差修正方面,提出基于建模初始数据的模型误差修正方法和基于建模中间结果的模型误差修正方法,在具体实现时,引入“数据 模型的可视化交互技术”。这些研究成果为建立一套完整的三维地质结构模型精度评估与误差修正的理论体系和方法体系奠定了基础,有助于完善复杂地质条件下三维地质模拟的方法与技术。     

面向地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究

随着传感器实时监测等高新技术在地质勘查或生产开发中的应用,形成了动态与静态并存、多源异构的地质时空大数据。然而,目前地质信息系统在地质数据组织管理方面,主要是静态地存储和表达出地质矿产勘查或生产开发在某个特定时期的状态,尚不能满足对勘查或生产开发过程中实时信息的存储管理,进而支持对地质过程的分析和研判。针对性开展了地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究,目标是能够融合数据多源与时空多维性,又能够支持时间关联与时间多粒性。针对地质大数据、地质过程的静态与动态数据紧密结合的特点,采用面向对象和基于事件的思想,提出了基于事件多因素驱动的地质时空大数据概念模型,并开展了相应的地质大数据存储管理逻辑模型、基于系统工程库的管理结构和地质时空对象管理模型设计。基于地质时空大数据逻辑组织管理模型和时空过程的非关系型分布式数据库架构,设计了地质大数据存储模型。融合三维地质建模技术、动态监测信息实时可视化等技术,构建了所需模型过程模拟的三维环境,通过绑定观测数据源,设计实现了基于OPC接口的模拟数据产生事件、作用对象响应的矿山动态开采流程。在王家岭煤矿首采区地质数据支持下开展了应用研究,实现地质时空事件条件下的矿山动态开采过程表达与数据管理,验证了本文模型的可行性和有效性。     

大数据框架下金刚石地质成矿信息挖掘及应用

随着大数据时代的到来, 地质行业将大数据作为新兴增长点进行培育和挖掘, 以山东蒙阴金刚石矿集区为研究对象, 基于大数据实现地质工作和信息技术的深度融合, 通过数据统计、挖掘、洞察与预测等分析并集成融合与成矿系统相关的源、运、储、变、保等知识, 全面提取蒙阴地区多元地质信息, 建立西峪矿区金刚石矿多项指标的成矿地质信息模型, 开展三维可视化成矿预测, 进而圈定找矿远景区。探寻金刚石大数据管理、分析及成矿预测新技术方法, 促进成矿新认知与找矿新发现。