Interactive visualization of 3D mantle convection

The current availability of thousands of processors at many high performance computing centers has made it feasible to carry out, in near real time, interactive visualization of 3D mantle convection temperature fields, using grid configurations having 10–100 million unknowns. We will describe the technical details involved in carrying out this endeavor, using the facilities available at the Laboratory of Computational Science and Engineering (LCSE) at the University of Minnesota. These technical details involve the modification of a parallel mantle convection program, ACuTEMan; the usage of client–server socket based programs to transfer upwards of a terabyte of time series scientific model data using a local network; a rendering system containing multiple nodes; a high resolution PowerWall display, and the interactive visualization software, DSCVR. We have found that working in an interactive visualizastion mode allows for fast and efficient analysis of mantle convection results. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

Volume rendering visualization of 3D spherical mantle convection with an unstructured mesh

We propose a new approach to utilize the algorithm of hardware-assisted visibility sorting (HAVS) in the 3D volume rendering of spherical mantle convection simulation results over unstructured grid configurations. We will also share our experience in using three different spherical convection codes and then taking full advantages of the enhanced efficiency of visualization techniques, which are based on the HAVS techniques and related transfer functions. The transfer function is a powerful tool designed specifically for editing and exploring large-scale datasets coming from numerical computation for a given environmental setting, and generates hierarchical data structures, which will be used in the future for fast access of GPU visualization facilities. This method will meet the coming urgent needs of real-time visualization of 3D mantle convection, by avoiding the demands of huge amount of I/O space and intensive network traffic over distributed parallel terascale or petascale architecture.     

基于岩石圈厚度和地幔横向黏度变化的地幔对流模型重估云南地区剪切波各向异性源的深度

在已有模型的基础上,考虑岩石圈厚度和软流层横向黏度的变化,本文建立了更接近地球实际情形的地幔对流模型,然后重新推测了导致云南地区剪切波各向异性的软流层源的深度.结果 表明:岩石圈厚度和软流层横向黏度变化对云南地区的软流层各向异性源的深度及软流层的变形程度和机制具有重要影响;软流层各向异性对云南西南部区域、东部区域北纬2...     

On the implications of the coupled evolution of the deep planetary interior and the presence of surface ocean water in hydrous mantle convection

We investigate the influence of the deep mantle water cycle incorporating dehydration reactions with subduction fluxes and degassing events on the thermal evolution of the Earth as a consequence of core–mantle thermal coupling. Since, in our numerical modeling, the mantle can have ocean masses ∼12 times larger than the present-day surface ocean, it seems that more than 13 ocean masses of water are at the maximum required within the planetary system overall to partition one ocean mass at the surface of the present-day Earth. This is caused by effects of water-dependent viscosity, which works at cooling down the mantle temperature significantly so that the water can be absorbed into the mantle transition zone and the uppermost lower mantle. This is a result similar to that without the effects of the thermal evolution of the Earth's core (Nakagawa et al., 2018). For the core's evolution, it seems to be expected for a partially molten state in the deep mantle over 2 billion years. Hence, the metal–silicate partitioning of hydrogen might have occurred at least 2 billion years ago. This suggests that the hydrogen generated from the phase transformation of hydrous-silicate-hosted water may have contributed to the partitioning of hydrogen into the metallic core, but it is still quite uncertain because the partitioning mechanism of hydrogen in metal–silicate partitioning is still controversial. In spite of many uncertainties for water circulation in the deep mantle, through this modeling investigation, it is possible to integrate the co-evolution of the deep planetary interior within that of the surface environment.     

Visualizing complex pore structure and fluid flow in porous media using 3D printing technology and LBM simulation

Pore structures of porous media and properties of fluid flow are key factors for the study of non-Darcy groundwater flow. However, it is difficult to directly observe pore structures and flow properties, resulting in a “black box” problem of porous media. This problem has hindered the in-depth study of the groundwater flow mechanism at the pore scale. In recent years, 3D rapid prototyping technology has seen tremendous development. 3D printing provides digital models and printing models of porous media with clear internal structure. Thus, Lattice Boltzmann Method can be used to simulate the flow processes at the pore scale based on real pore structures. In this study, 3D printing cores and Lattice Boltzmann Method were coupled to conduct both laboratory and numerical experiments in spherical porous media with different sphere diameters and periodic arrays. The LBM simulation results show a good agreement with laboratory experimental results. With the advantages of LBM and 3D printing, this approach provides a visualization of the complex pore structure and fluid flow in pores, which is a promising method for studies of non-Darcy groundwater flow at the pore scale.     

基于三维可视化技术的隐伏矿体预测

在现代成矿预测理论研究基础上,利用已有的商业三维地质建模软件,建立了一套基于三维可视化技术的隐伏矿体三维立体定量预测方法和流程,结合云南个旧锡矿实例探讨大比例尺隐伏矿体三维定量预测的数据预处理、三维地质建模过程和三维定量预测方法。使用三维可视化技术结合找矿信息量法确定了研究区找矿有利靶区,计算了含矿远景单元的找矿概率,估算了工程验证区金属资源矿体量。应用实例表明了应用三维可视化技术进行隐伏矿体三维定量、定位和定概率的有效性。     

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。     

三维拓扑数据的生成算法与交互修改方法研究

在分析现有三维矢量拓扑关系的基础上,提出了三维矢量数据结构的要素拓扑模型（Feature Topological Mod—el,FTM）。FTM三维拓扑模型比传统三维模型的优势有3点：（1）直接引入三角形对象,更加有利于表示任意形状的三维体数据。（2）简化基本拓扑关系的定义,使用相对简单的三角形和边的拓扑关系,表达相对复杂的实体和曲线的拓扑关系;使用带拓扑关系的边的集合表示三维曲线,既表达了曲线对象,又不影响基本拓扑关系的维护。（3）使用实体之间的包含模型,解决环（洞）的拓扑关系。同时,使用FTM对三维离散三角形数据进行拓扑化处理,对其中存在的拓扑错误提出具体的解决方案。该拓扑模型成功应用于自主研发的三维勘查软件“探矿者”中。     

基于SURPAC模型的采空区与露采边坡相互影响的FLAC3D分析

采用SURPAC建立了瓮福磷矿穿岩洞矿段采场的三维地质模型,利用接口程序将模型导入FLAC3D对采空区与露采边坡之间的相互影响进行了计算,并在边坡坡顶、坡脚与采空区四周布置了监测点以监测各点应力与位移的变化。计算结果表明:采空区的存在极大地改变了采空区周边与边坡的应力分布;使得采空区周边水平位移出现明显增加,并且改变了采空区位置周边的竖向位移场,对各个采空区之间的区域的影响最为显著,使得回弹量减小;边坡与采空区监测点的应力与位移随着边坡露采的进行出现规律性的变化;采空区的存在极大地改变了岩体塑性区的分布,对于有采空区边坡,塑性区分布范围随着开挖的进行有减小的趋势,但坡面上出现明显的拉伸破坏区,不利于边坡稳定;采空区使得露采边坡的安全系数降低。     

三维城市地质信息平台

三维城市地质信息平台综合利用GIS、数字地质、现代数据库、计算机网络等技术,对研究范围的基础地质、水文地质、工程地质、环境地质、地面沉降、地球物理、地球化学、遥感、灾害地质等多专业的地质信息和成果进行集成和综合,实现对地质信息管理、更新维护、检索查询、分析评价、三维地质模拟和成果显示,在此基础上对城市地表与地下空间结构组织与空间资源、地质灾害、地下水资源与地质环境保护、地面沉降监测与防治、城市规划与建设、土地质量与后备资源等进行分析评价和预测模拟。     

某水利枢纽厂房开挖三维可视化与数值模拟耦合研究

对某水利枢纽工程坝址区工程地质三维可视化与FLAC3D数值模拟耦合进行了研究。利用钻孔信息,采用多层DEM技术建立三维格网地层模型,然后,将各种工况几何形体映射到地层格网上。在此基础上,根据FLAC3D建模特点,用一系列横截面切割此三维地质模型,并保证相邻两剖面拓扑一致（或退化）,再通过对相邻剖面网格调整、连接形成FLAC3D基本单元。运用此方法实现了该水利枢纽工程三维数值模拟。     

矿山三维地质建模与可视化研究

矿山三维地质建模与可视化技术研究, 是“数字地球”、“数字矿山”的核心组成部分, 是现代矿山信息化研究的热点和重点。本文介绍和分析了几种常见的空间插值方法和目前比较流行的三维地质构模和可视化技术; 并针对我国矿山开采和工程建设的特点, 提出了矿山三维地质建模和可视化研究的方法和思路, 为我国矿山信息化建设提供一定的理论依据。     

基于地理信息系统的公路边坡三维建模及可视化研究

基于MapGIS-TDE平台,利用山区公路勘察设计数据,研究了公路边坡地表、地上及地下模型的三维构建方法,提出了地表模型中未开挖坡面、开挖路面及开挖坡面3类子模型的约束表面构建方法。采用"基于要素面向实体的三维空间数据模型"实现了三维数据的组织及存储,相对其他的数据模型,该模型具有较好的适应性和灵活性。基于位移和雨量监测数据,实现了三维环境下的实时关联查询和统计,可为公路滑坡的监测预警提供实时分析资料。利用以上方法对湘西常德-吉首高速公路某边坡进行了三维模型的构建和可视化,验证了该方法的有效性。     

基于角点网格的煤层三维建模与可视化研究

在煤层气排采分析及数值模拟研究中,煤储层结构的三维建模是数值模拟和结果分析的起点,具有关键作用。三维长方体等传统网格,难以表达地层的起伏变化,角点网格具有表达起伏变化地层的优势。从煤层气动态可视化的角度出发,基于角点网格建立了煤储层三维地质模型。研究了角点网格模型的数据特点及生成角点网格的方法,采用C#编程语言并结合OpenGL图形接口,开发了煤储层三维可视化软件模型,利用该模型表达了山西省沁水盆地潘庄区块的煤储层地质构造。结果表明,角点网格适用于煤储层三维模型的构建,能较好的表达煤层的结构特征。     

三维城市地球物理数据管理与服务系统框架

为实现地球物理数据对城市发展提供数据支持, 以3D GIS作为基础平台, 从数据与信息管理、多方法综合处理与显示、成果的三维可视化表达及信息发布等4个层次阐述了三维城市地球物理数据管理与服务系统框架的构建; 数据与信息管理子系统是整个系统的基础, 提供数据基础.GIS支持下的第2层次作为数据显示和多方法交互综合处理的工具而存在, 并为成果信息表达提供基础.后2个层次实现城市地球物理成果数据的展示功能.第3个层次是对成果数据的三维再现, 而第4个层次则通过Web来发布成果信息.在构建三维城市地球物理数据管理与服务信息系统时, 存在2个方面需要解决的问题: (1) 要实现多期次海量的城市地球物理数据的一体化管理问题.提出了以地球物理勘探点、线作为多方法数据融合的基础, 分层次、专题按要素的方式建立多维数据库, 以达到对数据的统一管理. (2) 成果信息的可视化问题.为了在三维空间中再现成果数据, 将地球物理形式的数据转换成地质形式, 设计了一个以线框模型为基本思想来表达三维地质模型的数据模型.将提出的系统框架结合华北某地区进行了应用, 取得了较好的效果.      

三维地质模型构建方法的研究及应用

地质体三维建模是地学信息系统的核心问题之一.对三维GIS及地学领域的空间构模方法的现状进行分析,结合地质体工程特点,提出一种三维地学空间构模方法--似三棱柱(STP)法.该方法以似三棱柱体作为三维地质体建模的基本体元,并采用5类基本元素和6组拓扑关系对似三棱柱体的数据结构进行描述.它能有效地表达各种三维地质现象,也可以更好地与传统的多层TIN模型结合,维护好空间实体的拓扑关系.基于本文的建模方法开发了一个适合地质领域的三维GIS初步原型,并用实际钻孔数据进行了验证.     

煤层气地面与井下一体化抽采三维可视化管理系统关键技术

在对典型矿区不同储层条件下煤层气协调开发技术模式和地面与井下联合高效抽采技术分析总结的基础上,结合人工智能技术,实现了煤层气地面与井下一体化抽采三维可视化管理系统的智能化。根据煤层气地面与井下抽采系统中三维要素的不同特征,分别采用地面建筑物与抽采设备的3DMAX静态建模和基于钻孔数据的地质体动态建模。运用对原始数据进行解析控制插值算法的精度和视窗的消隐与裁剪等技术,实现了三维要素的多角度观察、放大、漫游、旋转、平移、叠加、剥离、透明和纹理处理等可视化功能。系统在晋城矿区寺河区块进行实际应用,取得了良好的效果。     

三维数字盆地构造-地层格架模拟技术

三维数字盆地构造-地层格架的生成、显示、矢量剪切和空间查询是实现盆地分析信息化和可视化的关键技术.根据几何学和机械变形原理,在具有自主知识产权的GeoView三维可视化地学信息系统平台上,研发出了通过二维地震解释剖面图、构造平面图、沉积相平面图和钻井柱状图生成真三维盆地构造-地层格架的计算机模拟和可视化技术,以及建立三维数字盆地的空间信息系统技术.这些技术作为三维盆地模拟、油气系统模拟、断层封堵性分析、精细油藏描述、水平井可视化设计和剩余油分布分析等软件的开发基础,已经在一系列科技攻关项目和工程项目中得到成功的应用.     

基于钻孔数据的三维可视化快速建模技术的研究

为了实现三维建模过程的智能化以及自动化,以及使复杂地质体三维建模过程变得简单,针对CAD图形资料编写了能够直接将地表、钻孔等地质信息读入到数据库的DXF接口程序,提出了一种利用GA-Kriging插值手段对地层属性进行插值并最终实现三维可视化快速建模的方法,并且在此基础上基于VTK图形库实现了三维建模、等值线绘制、钻孔显示、切片以及特定地层的提取以及体积的计算等功能。在编写Kriging插值算法时,为了实现块金常数、变程等常数取值的自动化、最优化,应用GA智能算法求解。最后,通过地铁隧道的一个工程实例,对建模方法以及相应的算法模块进行了验证,表明方法具有一定的优越性。