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科学计算可视化是当前计算机学科的一个重要研究方向,它的出现有效地解决了目前海量科学数据高效处理和解释这一难题。现代科学提供数据的手段多种多样,且所获得的信息也无法用常规方法进行交流,特别是在地质领域,由于大量珍贵的地层钻探数据需要用有效的方式进行直观地表达,因而致使可视化技术成为地质研究和工程勘查领域必不可少的手段。
科学计算可视化的核心是三维空间数据场的可视化。数据场是将特征空间和概念空间中客体之间的相互作用进行归纳,并结合物理学中场论思想而引入的。数域空间中的每一个数据点,对整个数域空间都有影响力,就如同物理学中的质点和电荷在引力场空间和电场空间中一样。模仿这种相似性,定义数据之间的影响函数,就可以将数域空间映射到数据场空间。势函数刻画出数据之间的关系,整个数域空间中数据分布可以通过势函数的叠加反映。数据场中的客体之间通过势函数相互影响,一般距离“近”的客体之间相互影响强,反之距离“远”的客体之间相互影响弱。对于采样点有限的三维空间数据场,如何能够将整个场重构出来,这就要依靠数据场数据之间的这种关系来预测未知区域的数据。三维空间数据场可视化就是要完成数据场的重构,并将整个三维空间场内的数据如实、形象地表达出来,为科学工作者提供丰富的信息。
要实现岩层三维可视化,首先要解决的是如何通过散乱离散的勘探数据寻找一种合适的数据结构和数学模型。数字表面模型常采用格网或三角网表示,是一种基于面片的模型,因此只能反映地表面的信息,它们尽管也可处理非常复杂的地质结构,但是利用传统的表面数据结构难以解决剖面之间的轮廓线分叉、对应和拼接及内部属性显示等问题,另外,由于在自然环境和计算模型中,许多对象和现象只能用三维体数据表示,因此,基于体元或体素的建模方法得到越来越多的应用。
在地学应用领域中,空间对象极为复杂。大量的极其不规则的断层、地质体、钻孔、矿体、坑道等在三维描述与显示方面非常复杂,矢量结构难于解决实体内部不均匀现象,栅格结构无法满足拓扑关系分析的要求,而且表示精度也不能令人满意。为了解决以上问题,人们试图寻找最有效的三维数据结构,目前主要有两种发展趋势:一种是根据不同的地质现象来确定所描述的模型:另一种是发展具有多种模型的混合模型,以适应不同分析和处理的需要。所以,想用一个通用的模型来描述或表达客观世界中所有三维空间实体及其空间关系,几乎是不可能的。如在矿山、地质及气象、环境、地球物理、水文等众多的应用领域,目前为止,还没有找到一种很好的数据模型来满足各种需要。所以,针对特定的研究对象——地下岩层进行研究,是很有必要的。
本文针对地层结构的上下对应关系和地层层面的表达方式,提出了一种行之有效的体元数据结构表示方法——八叉树分解法,该方法算法简单,便于显示模型的内部属性。本文针对研究对象——空间散乱点数据,采用了一种合理的岩性插值算法——距离倒数平方加权算法,将散乱的数据规则化,同时对一些现有的基于散乱点数据的插值算法进行了研究。在插值之后,得到了规则的体数据,通过分析对比几种基于规则体数据的构模方法,选择了适合体数据构模的八叉树分解法,文章最后给出了实现八叉树分解法的系统结构,并对八叉树分解法的可行性进行了验证。