基于Multigen 的虚拟地质环境构建技术探讨.pdf

[收稿日期] 20041202 [作者简介] 叶发旺（1974），男，浙江松阳人，博士，主要从事遥感技术，虚拟现实技术在铀资源勘查中 的应用研究。 基于 Multigen 的虚拟地质环境构建技术探讨 叶发旺 刘德长 赵英俊 核工业北京地质研究院 北京 100029 [摘要] 虚拟地质环境构建技术是改变矿产资源勘查传统方式，实现虚拟找矿与勘探的重要技术。本文从 Multigen 虚拟现实平台的技术特点出发,探讨了基于 Multigen 虚拟现实平台的铀资源勘查虚拟地质环境构 建的技术方法和流程,并对流程中的高程数据、属性数据、纹理数据的转换和输入，以及虚拟地质环境驱动 等技术环节进行了较详细地阐述，最终初步地建立了某铀矿区的虚拟地质环境,为实现铀资源数字勘查区的 建立，并最终实现铀资源虚拟勘查的“梦想”奠定了初步基础。 [关键词] 虚拟地质环境；Multigen 虚拟现实平台；技术方法 [中国分类号] 1 引 言 在国内外，虚拟现实技术在军事、建筑、医学、城市规划、交通等领域已经有较多的应 用[1 ～7]，在地球科学领域中的矿产开采、地质体三维可视化、地形地貌虚拟等方面也有一些 应用和研究[8 ～10]，但从矿产资源虚拟勘查角度出发，把虚拟现实技术引入地球科学研究中还 很少[11]。把虚拟现实技术引入矿产资源勘查领域研究是虚拟现实技术在地球科学研究中的一 个重要方向，它将使铀矿等矿产资源的勘查跨越传统的方法，推动勘查方式的飞跃[12-13]。 地质环境是地质矿产勘查工作最基本的工作场所，通常这个场所就是野外真实的大自 然。虚拟地质环境是把野外真实的大自然搬进计算机，在计算机显示与野外真实地质环境相 类似的虚拟环境。它与目前大多数人研究的虚拟地形、地貌景观环境的不同点在于，不仅要 反映地理位置和地形起伏，而且要反映地层、地质构造景观，以及与矿产资源勘查有关的各 种属性信息。它的研究与构建使地质研究者不出野外就能事先在逼真的地质环境中从事各种 研究活动，并具有身临其境的感觉，从而改变传统的地质研究方式，在实现“室内找矿”梦 想的进程中迈出重要一步。遥感技术与虚拟现实技术相结合为实现这个重要的一步提供了强 有力的技术支持。本文以Multigen虚拟现实技术软件平台为基础，以构建鄂尔多斯盆地某铀 矿区虚拟地质环境为例，对虚拟地质环境的构建技术及其相关问题进行了初步的研究和实 现。鄂尔多斯盆地某铀矿区虚拟地质环境的构建流程如图1。 构建过程首先是把高程数据、地质图等要素数据、地表纹理数据等经过矢量化或转换， 变成 Multigen Creator 建模软件认可的格式，并在 Creator 中进行建模，形成 Openflight 格式 的地表地质环境数据库（*.flt） ；然后把数据库文件导入 Multigen Vega的图形用户界面 Lynx 中，并以虚拟地质环境的各类参数进行初步设置，形成一个应用程序定义文件（*.adf） （Application Defined File） ；最后根据用户自己的需要，通过 Multigen Vega提供的 API 函数 进行二次开发，完成虚拟地质环境漫游系统的构建。 2 某铀矿区虚拟地质环境建模 一个虚拟地质环境不仅仅是高程模型与地面的地形地貌、河流山川、道路居民等要素相 组合，更重要的是它要包含和反映一种或多种地质信息，赋予其地质含义。这也是地球科学 领域中虚拟地质环境与其他应用领域虚拟地表景观的不同之处。虚拟地质环境的构建主要涉 及三类数据高程数据，地质图等地质信息要素数据，河流、山川、道路交通等地表纹理数 据。这些数据在进行虚拟建模时需要进一步转换。 图 1 某铀矿区虚拟地质环境构建流程图 Figure 1 A flow chat for constructing virtual geological environment of an urnium ore region （1）高程数据的来源与转换。Creator 建模软件中，任何高程数据输入之前，都必须转 换成软件自身的高程数据格式（.ded） 。虽然在 Creator 中提供了由 USGSUnited Stated Geological Survey的 DEMDigital Elevation Model格式或 NIMANational Imagery and Mapping Agency的 DTEDDigital Terrain Elevation Data格式转换为 DED的工具， 但通过数字 摄影测量系统自动提取出来的 DTM 数据一般均以软件自身的栅格数据格式或 ASCII 形式输 出。因此，把数字摄影测量系统中获得的高程数据变成 Creator 可利用的高程数据之前一般 需进行转换。本文在构建虚拟地质环境时所需的高程数据是在 INTERGRAPH 平台上，对高 分辨率 SPOT5 立体图像进行 DEM 自动提取处理而获得的。获得的结果为以 que 为扩展名的 ASCIIAmerican Standard Code for Ination Interchange文件，通过 ERDAS或 MGE 等遥感 图像处理软件，就可以把 ASCII文件转换成 USGS格式的 DEM 或 DTED格式的高程数据， 并能顺利导入 Creator中，转变为 Creator自身的高程数据格式 DED，完成构建虚拟地质环境 的第一步高程数据的输入。 （2） 地质图信息等矢量数据的准备与转换。 Creator中， 矢量数据以 DFD （Digital Feature Data）格式使用，任何矢量数据输入之前也都必须转换成 DFD 格式，或者在 Creator 中直接 进行矢量化，形成 DFD 格式的要素文件。无论是进行数据转换还是直接矢量化，都必须进 行各种属性的设置。以矢量化建立 DFD 数据为例，首先必须设置要素数据中各类要素的属 性。如在建立鄂尔多斯盆地某铀矿区地质图中直罗组下段的属性的过程是这样的先通过增 加一个 FID，建立直罗组下段这个要素类别的 FID 号和类型描述（本论文中，它们分别为 7 和 J2z1） 。然后在“当前要素的有效表面材质代码”一栏处设置代码（本论文为 08 Rock） ； Creator 对 象 设 置 对 象 设 置 场 景 设 置 场 景 设 置 动 作 设 置 动 作 设 置 通 道 设 通 道 设 置置 其 他 参 数 其 他 参 数 某铀矿区虚拟某铀矿区虚拟 地质环境地质环境 OpenFlight Lynx Vega API DFAD DEM Image DED DFD BMP 地 质 图地 质 图 高高 程程 理理 地表纹理地表纹理 并在面属性（Face Attribute）中设置主要颜色、纹理、详细纹理等。由于地质图在虚拟地质 环境中以一个面的形式表现出来，故只需设置其面的属性。同时，野外出露的直罗组下段主 要以黄色辫状河砂岩为主，因此，在本论文中，其纹理用黄色带交错层理的砂岩表示。另外， 也可以根据视觉效果的特点对该面的光线特点进行设置。以同样的方法，可以建立虚拟地质 环境中研究者感兴趣的所有地质图上的要素类，并进行矢量化。同时，也可以建立矿点、断 裂、砂体厚度等要素类的信息。一般来说，由于与铀资源勘查有关的地质信息均已在 GIS系 统中进行了矢量化，因此，在虚拟地质环境建模中所需的矢量信息一般不在 Creator 中直接 矢量化，而是根据数据互操作的方式来输入。 （3）纹理数据的输入。在真实的野外环境中，存在丰富的地形地貌、山川河流、湖泊 等信息。一般情况下，这些信息不是铀资源勘查研究的专题信息，但对虚拟地质环境来说又 是不可缺少的组成部分。 在虚拟地质环境建模中， 这一部分通常以地表纹理贴图的形式输入。 高分辨率遥感影像包含丰富的地表信息，是虚拟地质环境最好的纹理数据。在把遥感影像作 为纹理数据输入之前，必须进行两方面的处理。一是对已有高分辨率遥感影像进行处理，使 其色彩与真实的环境色彩更加接近； 二是把大范围的高分辨率遥感影像裁切成 2n大小的小范 围影像，以减少纹理数据量，保证虚拟地质环境漫游时的速度与效果。同时，裁切后图像以 BMP或 RGB的格式存贮，因为 Multigen 虚拟现实系统中不支持在 JPEG，TIF等常用的数据 格式。此外，这些小块的地表纹理影像还需进行地理坐标定位，以便在 Creator 建模时，能 根据各个纹理的地理坐标投影到相应的大地位置上。 上述三类数据准备好后，就可以在借助 Creator平台的 Terrain 模块和 GeoFeature 模块来 实现虚拟地质环境的构建，产生虚拟地质环境数据库文件（.flt） 。在本文研究过程中，虚 拟地质环境中的地质信息仅考虑了地层信息，而且为了使视觉效果更好，采用了局部投影地 地层信息的方法。即，在研究区局部地方投影地层信息，并用野外真实照片作为地层岩性纹 理，以突出显示与野外一致的地层展布信息，其余地方由空间高分辨率的遥感影像纹理贴图 代替，反映研究区地形地貌景观。通过上述构建，获得的某铀矿区虚拟地质环境如图 2。 图 2 某铀矿区虚拟地质环境一角视角向北 （虚拟地质环境中显示了白垩系砂砾岩、直罗组上段紫红色粉砂岩和地表冲沟、某城市等信息） Figure 2 A sight for an urnium ore region virtual geological environment sight angle faces toward north Inforatmion about Cretaceous conglomerate and sandstone, mauve siltite in upper zhiluo group, gully in surface, and a city, etc. are pered in the virtual geoglocal environment 3 虚拟地质环境驱动的 Vega 程序设计 如何使在 Creator 中建模成的虚拟地质环境以多种方式进行漫游显示，并根据用户的需 要进行查询等功能的开发是虚拟地质环境构建技术中的另一重点技术。 这些技术在 Multigen Vega 虚拟工具软件中进行研究和实现。任何一个基于 Vega 的虚拟应用程序在建立和开始运 行时，都必须对各种参数进行设置，并提供初始值。这些参数信息存放在一个应用程序定义 文件中（Application Defined File，ADF）。Lynx 界面是创建和修改 ADF文件的一个编辑器。 一个可独立执行的 Vega应用程序能通过解释不同的 ADF文件而产生不同的虚拟-仿真效果。 本文在建立某铀矿区虚拟地质环境的 ADF文件时，主要对对像（Object）、场景（Scene）， 运动模型（Motion Models），观测者（Observer），窗口（Windows）等参数进行了设置。 如在设置运动模型（Motion Models）参数，其主要初始值设置如下 device default 默认 Initial positionx 86000;y 95000; z4000; 漫游系统开始时的初始位置 Motion Model type walk; （步行漫游方式） Max step depth （步行时每步的深度） Walking speed 100 步行速度 本系统的漫游采用步行的方式进行，主要是更加真实地模拟地质工作者在野外地质考察 时的情况，因为一般来说，野外考察主要是步行，以便能对各种地质现象进行仔细观察。 经过虚拟地质环境上述参数设置，建立 ADF 文件后，可通过两种方式执行虚拟地质环 境的漫游显示系统。一种方式在 VC 环境中编程，激活 VEGA函数库，并通过编译生成可执 行文件（.） ；另一种方式是在 Lynx 图形界面下，通过打开 ADF 文件，然后执行 Preview\Active preview来执行虚拟漫游应用程序。 4 结束语 本文初步建立的某铀矿区虚拟地质环境系统是铀矿地质系统内第一个具有地质含义的 示范性虚拟地质环境实时漫游系统。该系统对某铀矿床及其周围近 1600 平方公里的野外地 形地貌、局部地区的中侏罗统直罗组上下段地层、白垩纪地层进行了较逼真地虚拟显示。该 系统的初步建立使虚拟现实技术引入铀矿地质科学研究迈出了重要的第一步，是铀资源勘查 信息化进程的重要事件。 参考文献 [1]李 瑞,张锡恩,刘鹏远,等.虚拟现实技术在某型导弹操作训练中的应用[J].计算机工程,2002,289246-248. [2]尹鹏吉,沈 恺,张圣神.虚拟现实技术在三峡升船机仿真中的应用[J].计算机工程,2002,2811131-133. [3]马吉飞,孙 静.虚拟现实技术在现代医学中的应用[J]. 天津农学院学报,2002,9450-53. [4]吴访升,潘志庚.虚拟现实技术在城市规划设计中的应用[J].中国计量学院学报,2002,134264-269. [5]陈兴海,王晓鸣,汪文雄.虚拟现实技术与旧城居住区更新改造动态决策[J].华中科技大学学报城市科学 版,2002,19284-86. [6]裴建平,陈云刚.交通事故再现三维仿真技术[J].计算机仿真，2002，19（4）73-75 [7]汪 箭,聂小林,季辉等.虚拟现实技术在火灾领域可的应用[J].计算机仿真,2002,19228-31. [8]李 青,韩可琦,申闫春.矿井工业广场的可控可视化与虚拟环境开发[J].中国矿业大学学报,2002,31127-29. [9]芮小平,余志伟,许友志,等.VRML 在三维地质曲面动态显示中的应用[J].煤田地质与勘探,2001,2935-9. [10]刘晓波,张琴舜,张和林.一个基于Multigen/Vega的虚拟场景漫游系统肖金城[J].计算机应用,2002,221286-87 [11]廖顺宝.资源环境科学多维信息平台研究[J].地球科学进展,2002,174502-507 [12]刘德长,赵英俊,仉定聚，等.核工业铀资源勘查遥感应用的创新与数字勘查技术系统研究[J].国外铀金地 质,2002,193152-156. [13]叶发旺,刘德长,仉宝聚.虚拟现实技术在铀矿地质中的应用探讨[J],铀矿地质,2004,20156-62. Discussion on Constructing technique of virtual geological environment Based on Multigen Software Plat FE Fa-wang, LIU De-chang, ZHAO Ying-jun Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing, 100029,China Abstract The constructing technique of virtual geological environment is one of very important technologies for changing traditional exploration of mineral resource and realizing virtual exploration and survey. In this arcticle, the of constructing virtual geological environment based on Multigen virtual reality software plat is discussed from the technical characteristics of Multigen. The technical steps in constructing flow, such as conversion and import of elevation data, feature data, texture data, and driving technology for virtual geological environment are illustrated in some detail. Finally, a virtual geological environment for a uranium ore region is primarily achieved. These technical achievements above pave a primary way for constrcting a digital exploraion region of uranium resource and finally realizing the “dream” of virtual exploraion on uranium resource. Keyword virtual geological environment multigen virtual reality plat and technology