三维可视化技术与GIS工程
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一、前言目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展，并
成为计算机图形学领域的三大热门研究方向，它们的核心都是三维真实感图
形[1],也就是三维可视化技术。三维可视化技术是目前计算机技术和图像
图形学发展的热点之一，它是依靠视觉效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。传统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比
较抽象，将三维可视化技术引入GIS领域中可以动态地、形象地、多视角地、多层次地、如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。如通常所见的地
形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合在GIS中的应
用介绍三维可视化开发的基本方法。
二、三维可视化GIS关键技术三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合：可视化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技术、三维技术等关键技术。
1、可视化技术
可视化，也称为科学计算可视化(VisualizationinScientific
Computer),它是指运用计算机图形和图像处理技术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进行交互处理的理论、方法和技术。
GIS可视化技术是目前信息领
域中广泛应用的一项技术，它通过强大的、有效的地图系统将复杂的空间
和属性数抓以地理的形式进行描述，具有界面风格人性化设计，实现了文本、
图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点［2］。
2、虚拟现实
虚拟现实(VirtualReality)技术是一个由图像技术、传感
器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术相结合的产物。它以计算
机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软件及各类先进的传感
器，去创造一个使参与者处于一个三维视觉、听觉和触觉的环境，具有完善
的交互作用能力、能帮助和启发进入虚拟境界的参与者的构思的
唐先明1，2 曲寿利1 雷新华2
（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国地质大学（北京），北京100083）
摘要 在分析目前石油领域三维可视化技术应用局限性的基础上，给出了全球三维可视化系统构建流程和数据组织管理模式。以ArcSDE作为空间数据引擎，利用Oracle 10g建立四川盆地油气勘探海量空间数据库，基于三维可视化软件平台Skyline TerraSuite，利用功能强大的三维可视化开发平台TerraDeveloper，设计、开发基于全球三维模型的油气勘探信息集成管理平台。通过集成基础地理数据库、区域地质数据库、地面工程数据库、遥感影像库、地层数据库、断层数据和测井数据，该系统不仅提供了强大的油气勘探基础数据管理、三维地形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。
关键词 四川盆地 三维可视化 三维地理信息系统 油气勘探 全球导航
Application and Research of 3D Visualization Technique to Petroleum Exploration Information Management in Sichuan Basin
TANG Xian-ming1，2，QU Shou-li1，LEI Xin-hua2
（1.Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083；2.China University of Geosciences，Beijing100083）
Abstract Based on the analysis of the current shortcomings of 3D visualization application in the fields of petroleum，the paper introduces the construction process and data structure of global 3D visualization system.By using ArcSDE as engine of spatial data and Oracle 10g，“Petroleum exploration geodatabase of Sichuan Basin”is established.Based on Skyline Terra Developer，the software system“3D petroleum exploration data management and integration platform based on 3D global model”is designed and established.By integrating geographical database，areal geology database，surface engineering database，remote sensing image database，stratigraphical database，fault data，logging database with 3D terrain modeling，the system realize such functions as data management for petroleum exploration，3D terrain modeling and the visualization of 3D geological model.It is a visualization platform that assists the design and analysis for the geologists and the technologists.
Key words Sichuan basin 3D visualization 3D geographic information system petroleum explorationglobal navigation
随着计算机图形图像软硬件技术的迅猛发展，三维地形可视化技术在越来越多的领域得到了广泛的应用，构建一个为多种专业人员提供共同工作、研究与交流的三维实时交互的虚拟全球地理环境逐渐由梦想成为现实。三维可视化技术在石油工业中已得到高度重视和普及应用，它充分利用了三维地震信息和地震属性，以人们易于感知的三维图形对各种复杂数据场和数据关系进行描述。
油气勘探是通过采用不同的技术手段采集各种野外原始地质资料，并经处理、解释形成成果资料，进而采用各种科学方法进行盆地评价、圈闭评价和油气储藏评价，开展勘探规划部署、井位设计和地质综合研究工作，完成勘探科研和生产任务。在油气勘探过程中，各油田企业积累了海量的、异构的、多源的地理数据、勘探基础数据和成果数据，这些信息的综合应用对指导油田生产具有很重要的意义。利用三维GIS技术，基于“数字地球”将地表地理信息与地下地质信息一体化管理，构建一个分析、决策、规划及实施油气勘探开发研究的三维实时交互共享工作平台，能够有效地评估潜在的石油资源，及时、准确、直观地定位油气资源的空间分布及其特征，正确有效地开展部署勘探开发工作。
1 三维可视化技术的应用现状
迄今为止，三维地形的可视化技术分为两种，一种是面绘制技术，另一种是体绘制技术。在地质研究工作中，主要是采用体绘制技术。三维地学模拟主要包括两大部分内容，即三维地质建模和可视化，其中前者是后者的基础，后者是前者的表现［1］。目前，在三维地震数据的可视化方面，已有多种成熟的商业软件系统推出，国外的有 EarthCube，Geoviz，gOcad，VoleGeo等，国内的有石油物探局的3DV和双狐公司的三维地震微机解释系统等。这些软件涉及地质建模、地震勘探、开采评估、矿床模拟、规划设计和生产管理等领域，在功能上各有千秋，很难说哪一个更先进［2，3］。但是，它们主要是面向地质领域的专用系统，基于局部区域而非全球区域，对海量基础地理数据与遥感影像数据等的支持也较弱。基于这种情况，本文采用面向对象的程序开发语言Visual C＃，基于优秀的国外三维可视化软件平台Skyline，设计并开发基于全球三维模型的空间数据管理平台，集成管理四川盆地区域内海量的、异构的、多源、多尺度的基础地理数据、油气勘探基础数据和成果数据、遥感影像，实现流畅的油气勘探的三维地形展示和地质分析。
2 系统开发技术背景与基本流程
随着地学应用的深入，人们越来越多地要求基于全球角度和真三维空间来认知世界和处理问题。但三维空间是复杂的，包含的信息是海量的，需要集成三维可视化与三维空间对象管理功能，同时由于三维应用的巨大差异，必须采用开放体系结构，实现用户定制功能。基于这种认识，Skyline TerraSuite在提供一般三维空间数据模型及其管理功能的基础上，允许针对特定应用领域动态扩展建模及分析功能插件，以适应特定的三维应用。整个TerraSuite软件体系如图1所示。
系统的实现分为4部分：地球三维场景构建、中心数据库建立、定制三维可视化环境和场景驱动与应用定制。
图1 Skyline TerraSuite软件体系
2.1 地球三维场景构建
场景构建是将要模拟的场景和对象通过数学方法表达成存储在计算机内的三维图形对象的集合。场景构建分为以下步骤：
（1）DEM数据采集：收集工作区的各级比例尺等高线数据或各种分辨率的航空航天遥感影像立体像对，建立地域的数字高程模型（DEM）。
（2）DOM数据生成：利用地面控制点和DEM数据，对工作区的低、中、高分辨率遥感影像进行严密的精纠正后生成数字正射影像图（DOM）。
（3）DLG数据采集：收集工作区的各级比例尺地形图、野外数据采集，建立工作区的各级比例尺线划图（DLG）。
（4）GIS数据转换：将数据采集阶段获得的DLG数据通过GIS工具转换为TerraBuilder能够接受的数据格式。
（5）数据建模：对一些油田地面建筑物、地标、油井或其他油田设备在3D MAX或MultiGen或TerraBuilder中进行建模。
（6）地球三维场景构建：将以上各种数据，导入到TerraBuilder中，创建一个现实影像的、地理的、精确的地球三维模型（MPT文件）。
2.2 中心数据库建立
基于全球三维模型的油气勘探信息集成管理平台是一个高度集成的应用系统，系统建设过程中必须充分考虑系统涉及的多专业图形、属性、影像、文字资料数据的一体化集成、系统数据库与系统软件功能的集成以及系统与网络环境的集成等关键问题。为实现功能的集成与扩展，考虑石油勘探开发数据的区域性、多维性、时序性、海量和异构的特点，拟采用大型商用关系数据库Oracle10g和空间数据引擎ArcSDE集中管理这些海量数据，建立数据中心，易于解决数据共享、网络化集成、并发控制、跨平台运行及数据安全恢复机制等方面的难题。
2.3 定制三维可视化环境
在全球三维场景的基础上，可以叠加自己关心的专题信息，通过与数据库的接口，还能集成中心数据库存放的地表、地下多维、动态空间信息，从而创建一个令人激动的交互式三维可视化环境，来突出一个地区的特征，显示其功能、相互关系以及从一个独特的视点展示该地区。
2.4 场景驱动与应用定制
（1）三维可视化程序：通过API接口直接调用所建立的三维可视化环境，也可以根据三维场景的参数生成实时场景，动态加载图层，有助于对空间数据相互关系的直观理解。
（2）三维空间查询与交互：直接在三维可视化环境下，对存放在中心数据库的各种数据和场景实体提供交互式查询等操作，以提供一个动态的环境，为进一步空间决策服务。
（3）应用定制：利用TerraDeveloper软件开发包提供的各种ActiveX控件，可以构建自己的面向三维的应用程序，实现与其他系统的应用集成［4］。
3 系统总体设计
3.1 系统体系结构
根据系统的功能需求，系统在技术上要求具有业务变化的适应性、高度的安全性和大容量数据存储处理等特点，因而在系统的技术框架中采用了3 层B（C）/AS/DS结构。与此同时，考虑到系统与其他专业系统之间的集成，拟采用基于SOA（面向服务架构）和Web Services（Web服务）技术的应用集成技术，构建基于“数字地球”的地表地理信息与地下地质信息一体化管理服务平台。整个系统的体系结构如图2所示。
3.2 系统数据的组织形式
系统数据的组织形式是可视化系统的关键，其优劣将直接影响到场景绘制的效率。在基于全球三维模型的空间数据管理平台中，主要包括3部分数据：①场景数据，即场景环境包含的地形信息，通过影像图片处理而成，包含在.mpt文件中；②对象图形数据，即油气勘探对象图形信息，是由3D MAX等三维图像处理软件处理而成的三维模型；③对象属性数据，即油气勘探属性信息。所有关于对象的信息包含在.fly文件中，采用基于层（Layer）的面向对象的场景数据组织形式。目前，系统集成的四川盆地区域的数据层主要有：
（1）DLG——数字线划图：全区不同比例尺土地覆盖状况、植被、道路、水系、居民地等图层。
图2 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台系统结构
（2）DEM——数字高程模型：全区不同比例尺数字高程模型数据。
（3）DOM——数字正射影像：全区不同比例尺、不同分辨率的彩色正射影像。
（4）DRG——数字栅格图：全区不同比例尺地形图栅格数据。
（5）全国地名数据。
（6）1：200000地质图。
（7）勘探基础数据：测网、矿井、三维探区。
（8）勘探成果数据：地震异常、一类进积、二类进积、礁体、生物礁、滩和相带等。
（9）构造数据：断层、等值线等（宣汉、通南巴）。
（10）井位数据。
（11）地面工程数据：天然气管道、道路。
3.3 系统功能模块
基于全球三维模型的油气勘探信息管理与集成系统分为石油勘探数据管理、三维基本操作、三维GIS导航查询、三维分析等模块。系统主界面如图3所示。
各个模块的具体功能如下：
（1）石油勘探数据管理：系统利用GIS技术、XML技术、空间数据库等技术对多尺度基础地理信息、勘探基础数据和成果数据、多分辨率遥感影像、各种图表和文字报告等地表地下信息进行一体化的存储和管理。实现了对地理底图、油气地质勘查所获取的资料和成果的录（导）入、转换、编辑及查询等功能。另外，系统还提供了目标实体超链接及关联服务，如与钻孔相关的试验表类属性数据与图形数据的关联存储管理功能，提供与钻孔相关的各种基本信息及试验结果等属性信息的查询等功能。
图3 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台系统界面
（2）三维基本操作功能：在全球三维场景中，实现以下功能：
放大、缩小、平移、旋转等三维基本功能；
选择对象、使物体居中、环绕浏览对象；
飞行或者跳转到指定对象；
获得场景中任何一点的经纬度坐标和高程值；
场景的点对象、线对象，可以实现不依赖试图比例缩放；
提供场景的快照和打印输出功能。
（3）三维GIS导航查询：在全球坐标系统上实现基础地理信息、地质数据及勘探数据的立体定位导航分析。
全球任意点定位和导航；
二维三维联动功能；
测距、求积、高程和剖面生成；
地表实体三维建模及多种属性管理；
可定制飞行路径和视角的三维浏览功能。可自己制定飞行的路线或选择预定义飞行路线进行三维飞行（图4）。
（4）三维分析功能：
图4 基于全球三维模型的油气勘探数据管理平台设置飞行路径
测量功能：测量距离（水平、垂直和随地形起伏3种方式）、面积；
区域对象选择：可以进行多边形框选进行对象选择，并可获得选中区域内的对象集，可统计区域内的实体数并形成分类列表；
剖面观察：对所选地区场景进行剖面观察，可分析出地表起伏状况；
等高线绘制：用矩形框选出指定范围，可以显示出该范围等高线示意图，并可随意设定等高线显示方式；
最佳路径分析：根据给定的参数，如放样间隔、上升的最大坡度、下降的最大坡度、允许的放样宽度等信息，依据地形的走势，自动解算出最佳的放样线路；
视线分析：根据地面拾取两点系统可以自动计算两点间的通视情况；
视域分析：在场景中任选一点和视角范围可以进行视域可见分析；
空间分析：突发事件的地点，选择一定半径，利用分析工具可以作出整个目标点的空间范围，以提供决策。
4 系统应用扩展
基于全球三维模型的油气勘探信息管理与集成系统由于采用了组件技术、基于SOA（面向服务架构）和Web Services（Web服务）等技术，不仅提供了强大的地表与地下油气勘探信息数据管理、三维建模与模型的可视化、全球定位导航等功能，还可以进行系统扩展和专业系统集成，实现油气勘探开发的深度应用，如野外地质踏勘路径优选和工作安排、地震资料采集观测系统设计和优化、探井地面井场位置优选及工程测算、开发井位部署规划及钻前工程分析、油气集输地面工程设计及方案优化、目标区块水电路讯规划设计及优化、全球定位系统集成和油田现场服务等。
5 结论
三维可视化技术在国内、外已经趋于成熟，但基于全球三维模型的三维地理信息系统（GIS）刚刚起步，尤其是缺少针对地表与地下油气勘探信息三维一体化管理的经典模式和成熟经验。本文基于Skyline TerraDeveloper所设计、开发的全球三维油气勘探信息管理与集成系统，就是一个成功的实践，重点研究了虚拟现实环境下交互式地表地下油气勘探信息管理系统，给出了一种交互式虚拟现实全球导航平台的系统构成方案和原型系统。整个系统可靠性好、易于移植、便于维护，并具有很强的空间分析功能。结合三维地质建模及可视化系统的研究现状、相关技术的发展走向以及实际工程实践的应用需求，笔者认为，需要进一步探索、研究并解决以下问题：
（1）研究并实现现有的基于全球三维模型的空间数据集成管理平台的地上和地下三维一体化无缝集成与可视化功能。
（2）不断丰富与其他地震三维分析软件的接口。
（3）研究并开发基于VRML/X3D技术的网络三维可视化系统，能够为社会大众、专业技术人员和地质科学家提供更加普遍的支持和服务奠定基础。
参考文献
［1］Simon W Houlding.3D Geoscience Modeling：Computer Techniques for Geological Characterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.
［2］朱良峰，潘信，吴信才.三维地质建模及可视化系统的设计与开发［J］.岩土力学，2006，27（5）：828～832.
［3］姜素华，庄博，刘玉琴等.三维可视化技术在地震资料解释中的应用［J］.中国海洋大学学报（自然科学版），2004，34（1）：147～152.
［4］Skyline Software System Inc.TerraDeveloper paper［EB/OL］.［2007-6-1］.
地理信息系统-GIS
随着GIS应用的深入,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS,如加拿大LYNX Geosystems公司的LYNX软件,但由于它们一般是针对自己的领域开发的,没有从理论上加以系统完整的研究,没有面向通用平台进行设计,因此具有较强的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。
由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
● 由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们一方面从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
● 另一方面,GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此另一部分人从数据库的角度出发向三维GIS发展,从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS, 如GODO,GeoO2,GEO++,SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统。
（2）三维GIS相关软件发展概况
但是迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD,I/EMS,SGM等。
迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如EVS,Vis5D,Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有:LYNX, IVM（Interactive Volume Modeling）, GOCAD, I/EMS,SGM等。
