基于地球科学馆的三维可视化研究

1、基于地球科学馆的三维可视化研究1.研究背景地球科学馆是在我校1983年所建“地质陈列馆”和“痕迹化石陈列室”的基础上，经过充实、完善而建立起来的,是一个集教学、科研与科学普及为一体的地球科学园区。本馆主要以服务校内地矿类及其相关专业学生学习有关地质学类课程，并对其他专业学生普及地球科学知识，进行素质教育为宗旨，同时兼具对中、小学生和青少年以及各级干部普及地球科学知识的功能。馆内展厅包括地球演化、痕迹化石、矿物与矿产资源3个展区，通过大量天然实物标本、模型、图片、简明图表及简要的文字说明，集中展示了人类赖以生存的地球在宇宙中的位置、物质组成、各圈层及其演化、蕴藏的丰富自然资源，并从不同角度反映了

2、由于人类活动而导致的资源和环境问题，以及人与地球和谐共处及可持续发展问题。为了更直观的展示地球与生物演化、地质作用、痕迹化石、矿物与矿场资源，有效地保护馆藏内容，拟基于三维可视化技术，采用计算机和地理信息系统技术，从三维空间的角度向参观者展示馆藏内容。通过三维建模，运用三维虚拟现实、多媒体、3S等技术，全方位、多角度仿真显示馆藏天然实物标本，可以使更多的人不必进入科学馆就可以浏览馆藏内容，带给他们身临其境的体验。同时，通过数字地球科学馆建设研究，使其成为一个流动的科教基地，打造一个真正的集教学、科研与科学普及为一体的地球科学园区。2.研究意义：地球科学是保障人类生存和发展的科学，普及和发展地球

3、科学是关系到中华民族乃至全人类生存和繁荣昌盛的一项意义深远的战略。而近年来，参观人数的增多已逼近科学馆的承载限制，加之外界环境对科学馆的负面环境影响，地球科学馆的保护已迫在眉睫。我们从保护河南理工大学资源环境学院地球科学馆中的珍贵宝石、化石以及实现地球科学馆的数字化、可视化的角度出发，利用三维可视化技术及VTK体系平台来呈现地球科学馆的三维形态，让广大学生、学者能够通过三维影像资料对地球科学馆内知识加以学习研究，达到一种无损参观的效果。这样做的意义是： 、实现典型化石的可视化； 、对地球科学馆内部场景进行模拟； 、根据现有化石还原古地理环境； 、保护地球科学馆内部的宝石、化石以及其他珍贵资源，

4、避免不必要的人为参观及其他活动对科学馆的破坏行为； 、在省内外乃至国内外宣传地球科学馆，让地球科学馆成为一个流动的科教基地，打造一个真正的集教学、科研与科学普及为一体的地球科学园区。3.作品特色(1)基于三维可视化技术，建立数字地球科学馆系统，可以较为真实地展示馆藏情况，集科学馆保护、参观、展览、教学于一体；(2)利用三维虚拟场景，利用多媒体技术，使静态地球科学馆变成了一个动态可浏览、可移植的教学体验馆；系统建成后，用户足不出户就可以体验馆藏内容，欣赏地球科学的无穷魅力；(3)系统建成后，用户既可以在多媒体的讲解下，按照预设路线参观，也可以根据自己兴趣爱好自由参观，并可以把放在展位上的展品“拿

5、”起来细细品玩，最大限度调动参观者对地球科学的求知欲，同时可以减轻地球科学馆讲解人员的工作量。4.研究流程第一，研究三维地质数据模型及可视化方法，采用面向对象方法，根据馆藏标本的特点，设计3D可视化数据模型及数据结构，创建单个标本的三维可视化内容；第二，通过研究三维可视化关键技术（空间数据插值、三角剖分、三维可视化）探讨基于三维虚拟现实技术的地球科学馆内部结构建模与可视化过程；第三，将馆藏标本按照目前展区分布情况，将其放置在馆内三维场景中，还原馆藏实际情况；第四，设计参观路线；第五，设计地球科学馆参观讲解词，按照参观路线，分展区、分类别介绍馆藏内容；第六，搜集地球与生物演化、地质作用、痕迹化石

6、、矿物与矿场资源等相关地球科学知识，形成多媒体文件，必要时，设计并制作部分实体标本介绍的多媒体文件；第七，将第三、第四和第五部分内容合在一起，形成三维虚拟环境下的地球科学馆参观展示；第八，将第六部分的内容与第一、第三和第五部分内容关联起来，加入点播功能，用户在自由参观浏览时，可以根据需要自行点播相关多媒体文件。 将以上内容综合起来，形成一个完整的基于三维可视化技术的数字地球科学馆系统。5.技术指标(1) 在了解科学计算可视化发展概况的基础上，研究并实现相关的三维可视化技术，为三维可视化建模提供理论支持；(2) 基于人机交互的需要，研究VTK 的关键技术；(3) 设计并建立基于三维可视化技术的数

7、字地球科学馆系统，实现以下功能：a.馆藏实体标本的三维可视化，以及三维实体的浏览、放大、缩小、旋转等功能；b.地球科学馆内部结构可视化，通过三维建模技术，建立地球科学馆内部的三维虚拟场景，与实体标本可视化一起，真实展示馆内分布，使用户可以在其中自由地参观浏览；c.参观导航功能，系统向用户提供参观向导，配以人物讲解，按照预设的参观路线，全面、完整地展示馆藏内容；d.自由浏览与多媒体展示功能，在三维虚拟场景内，用户可自由地参观馆藏内容，并可以把放在展位上的展品“拿”起来细细品玩；e.多媒体讲解功能，对馆内每一类有代表性的馆藏品，配以多媒体文件向用户详细介绍其内部结构、发展演变过程等地球科学知识，用

8、户需要时，可以自由点播。6.国内外三维可视化的研究现状近几年来，国内外在科学可视化、三维地理信息系统(3DGIS)、三维地学模拟系统(3D Geosciences Modeling System，3DGMS)、三维有限元数值模拟(3DFEM)领域的研究进展迅速。3DGMS 是随着科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，在20世纪90年代开始为人们所重视。区别于GIS(地理信息系统)，3DGMS 的主旨是针对地质信息模拟与表达方法的不足和缺陷，借助于计算机和科学可视化技术，直接从三维空间的角度、以数字化的形式去理解、表达和再现地质体与地质环境，进而辅助工程设计、施工与决策。自20世纪80年

9、代以来，围绕矿山、地质和岩土工程应用，国际上开发了多种3DGMS 软件。1988年法国Nancy 大学的JLMallet 教授推出了GOCAD（地质对象计算机辅助设计），其目的是满足地质、地球物理和油藏工程的三维模拟与辅助设计的需要。在20世纪90年代初期，开发了一系列基于UNIX 操作系统和用于工作站环境的软件（如LYNX，Datamine，Surpac等）；20世纪9O 年代中期以来，随着微机性能的提高，一些3DGMS 软件开始移植到Windows 操作系统和微机环境；2O 世纪9O 年代后期，随着网络技术的发展和NT 操作系统的热潮，相继推出了一些基于NT 环境和支持网络共享的系统。近几

10、年，微机性能得到大幅度的提高，基于工作站的3DGMS 逐渐丧失当年的优势，基于Windows 操作系统和微机环境的3DGMS开始成为主流。美国、加拿大、英国等一些国家相继推出多种代表性的地学可视化建模软件。我国矿山计算机应用始于80年代初期，经过学术界和工业界的努力，计算机在我国矿山的应用得到了长足的发展，国内自行开发的计算机矿床模型主要有:霍林河矿矿床地质模型，平庄西矿矿床地质模型等，这些矿模都是用高级语言（FORTRAN，BASIC，C 语言）开发的，其精度和可靠性都较高，基本能满足地质管理和采矿的要求但这些矿床模型都是在DOS 系统下开发的二维平面模型，其可视性和通用性较差。国内对三维地质可视化建模方面的研究起步相对较晚，但也开发了一系列的三维建模软件。其中代表性的有长春科技大学在阿波罗公司TITANGIS 上开发了GeoTransGIS，主要用于建立中国乃至全球岩石圈结构模型的三维信息；石油大学开发的RDMS、南京大学与胜利油田合作开发的SLGRAPH 主要用于三维石油勘探数据可视化；中国地质大学坤迪科技公司开发的三维可视化地学信息系统（GeoView）可实现三维地学信息管理、处理、计算分析与评价决策支持；北京东方泰坦科技有限公司开发T