地下可视化系统(SVS)软件简介

   SVS（Subsurface Visualization System）是地学三维模拟可视化软件系统，具有多源数据处理、三维实体建模、空间数据可视化分析、统计、查询等功能，提供交互式可视化设计环境，以及友好的图形界面，用户可以方便迅速地建立可视化的三维地质模型，揭示地质体内部结构、地下空间复杂的变化规律以及各种地学属性参数的空间分布特征，虚拟地质体现实，进行综合一体化和三维定量化的可视化研究及各种空间数据的统计、分析、评价与管理。 

1． 基本原理
由于反映地质现象的地质数据具有多样性、不确定性和复杂性等特点，SVS系统设计了超体元实体模型、断裂构造数学模型及褶皱构造几何模型，以表达复杂地质体的空间几何形态及各种构造面相互之间复杂的切割关系。建立了实用型的三维地质建模的体系结构，提出以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念。首先对通过地质调查、遥感、地球物理勘探、摄影测量等技术手段获得的原始数据进行预处理，把所有有效数据通过数据转换接口变成实体建模可接受的输入数据格式，实现地质数据的耦合；然后依据数据的空间分布及变化特征建立空间几何模型，采用B-Spline插值、反向距离插值、Kriging插值等技术在离散点之间或两个原始地质剖面之间进行插值拟合处理，调整地层、断层不合理的趋势面，使模拟效果更加自然、真实，同时根据几何信息和相关的几何规则，建立基于体分割或面分割的多层次三维拓扑模型，从两个方面对空间对象间的拓扑结构进行描述，包括基于属性关系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系的微观拓扑结构，并利用包含多向指针的R-Tree来管理、访问和存取这种复杂的网状结构；最后在空间几何模型建立的基础上构建属性模型，基于数据挖掘和知识库的理论思想，实现空间数据分析、统计、查询等操作。

2．系统结构
基于健壮性、应用性、可视性、交互性以及可扩充性等设计原则，SVS的系统结构主要由多源数据导入系统、三维实体建模系统、三维模型应用系统、多维数据管理系统等四个子系统组成。
多源数据导入系统主要完成原始地质数据导入，以生成SVS系统可接受的格式，包括数据录入模块、CAD/GIS接口模块、其它系统转换模块等。数据录入模块主要是用于对原始数据中精度比较高且无需再处理的显示数据以及辅助数据的输入，如岩芯钻井数据、属性数据和纹理图片等，一般以数据库或文件形式保存。CAD/GIS接口模块主要对隐式数据（如地质图、地形图、2D/3D剖面、遥感数据、物探数据等）经过CAD/GIS软件处理后得到的数据进行格式转换，变成SVS可接受的格式。其它系统转换模块主要将来自其它系统的编译数据（如DEM、地球物理网格、矿体网格等）转化为SVS系统的格式作为进一步开发的基础数据。
三维实体建模系统是SVS的核心，利用有效的地质数据建立三维几何、拓扑和属性模型，为三维模型应用奠定基础。包括面重构模块、体重构模块等。面重构模块将所有有效地质数据进行耦合，建立地层、断层等的层面模型，包括根据输入的地质数据建立初始层面、插值光滑曲面模型等功能。体重构模块首先将各个层面进行求交运算、局部重构几何和拓扑模型，最后形成体模型的数据结构。为了获得数据对象的三维显示效果，在模型周围不同位置设置光源，使用光的方向及强度计算阴影，使对象表面产生各种亮度，以改善三维显示效果。通过交互式改变视点，从不同角度观察对象。一个重要的可视技术是裁剪平面的实现，通过交互式移动六个裁剪平面，可以仔细地测试构造的任何一个子体。模型的所有部分允许设置不同的属性（颜色、透明度），模型的整体或局部可以显示或隐藏等等。
三维模型应用系统主要实现模型的可视化及应用，包括模型显示模块、空间分析模块及其它应用转换模块等。模型显示模块包括全景观式、多细节式、立体透视式等三维模型可视化表示功能。空间分析模块包括动态模拟、虚拟漫游、投影等值线、数据挖掘等空间数据分析和查询等功能，并允许通过表格、各种统计分析图及三维虚拟场景浏览方式显示或输出。
多维数据管理系统主要是对原始地质数据、三维建模的辅助数据以及三维模型建立过程中产生的各种临时或最终数据进行维护、控制和管理，包括数据库管理模块和文件管理模块。数据库管理模块可以利用现有的数据库管理系统如Oracle、 Access等对岩芯数据、属性数据进行维护和管理；文件管理模块主要是针对SVS系统设计的各种数据结构进行存储管理。
                 
3．系统功能
    系统的主要功能如下：
?全景观、多细节可视化表现形式，不仅可以绘制出地质体的空间分布几何形态，而且可以对其进行光照、着色、纹理、渲染等，使三维图象更具真实感，同时可以从不同角度、不同方位和不同距离观察三维地质模型，模拟地层尖灭，刻画断裂构造，把握整体宏观的趋势（图1）。允许多层次、多细节地揭示地质界面、构造界面以及断块等地质现象，通过对三维地质模型的剥离、选择、提取等操作，表现三维模型的局部特征，便于观察和掌握不同层面、不同构造、不同细节的地质数据的空间分布及其变化规律。
?地质体立体透视设计，通过明暗处理、透明度设计，使三维模型中的不同对象具有不同的透视力，即三维模型具有不同透明度的表现能力，允许穿透地质体的某些部分，观察内部的地质界面，更好地表现地质对象之间的关系。
?虚拟地质现实的可视化设计环境，在虚拟场景中，允许地质学家与虚拟对象进行交互对话，发挥人的主观能动性，更准确地分析地质体内在联系，了解地层结构的变化特征和断层之间的相互切割关系（图2）。
?空间数据挖掘，从不同的方位、不同的角度切割三维模型，产生立体剖面；或者用有限个任意方位的水平或垂直截面裁剪三维模型，形成栅状图；或者在三维模型的任意地方开挖一个区域等（图3），使地质学者可以很容易地观察地质模型内部的地质构造形态及其内部结构，并进行各种测量、计算、统计和分析等。
?空间数据分层查询，主要包括面向数据库的查询，实现岩芯数据、属性数据以及其它相关数据的查询；面向三维模型中图形库的查询，即对几何模型和拓扑模型的查询，实现对各种对象（如点类、面类等对象）及其关系的查询（图4）。
?空间数据统计与分析，主要包括对任意选定区域进行面积、体积计算；分析地质结构、地层岩性等属性；计算各地层的面积、体积以及地层沉积厚度；对于各含水层的水文地质参数、水化学资料等也可进行分区统计分析；可以自动绘制研究区各含水层的等水位线和顶、底板等值线图。

4．应用环境
SVS系统在微机平台Windows98操作系统支持下运行，具有图形人机对话、GIS数据转换接口、网格单元自动剖分、先进的图形可视化技术等特点。纹理图片采用Microsoft Image Composer图形工具绘制。提供交互式可视化的设计环境，基于图形的可视界面，具有统一的外观及操作步骤，易学易用。主菜单提供文件管理、交互式编辑工具、模型设计、属性设置、图形显示、动态窗口、系统设置等操作功能，以及立体剖面生成、等值线计算、虚拟漫游、纹理映射等空间分析与查询应用功能。状态栏能够实时反映数据导入、三维建模过程或空间数据分析等过程中参数变化、各种当前数据状态及相关信息。SVS系统设计了左、右两个视窗，左视窗一般用来显示三维模型当前涉及的数据结构，使用一个Tree型控件加以管理；而右视窗是为三维建模设计的虚拟可视化场景，反映了当前正在处理的三维模型进展的状况，用户可观察三维地质模型的整体或局部空间特征。