地学数据可视化

地学数据可视化，也就是地球信息科学中的可视化（Visualization in Geoinformatics），可简称为地学可视化。

地学可视化是科学计算可视化与地球科学相结合而形成的概念，是关于地学数据的视觉表达与可视分析。把地学数据转换成可视的图形这一工作，对地学专家而言并不新鲜。测绘学家的地形图测绘与编制，地理学家和地质学家使用的地学图解或图谱，地图学家的专题制图与综合制图等，都是用图形（地图）表达对地学世界现象与规律的认识和理解（陈述彭，1957、1991）。因而我们认为地学数据可视化包括了地图可视化、地理数据可视化、GIS可视化、地质数据可视化及其他专业应用领域可视化（龚建华等，2000）。

1.地图可视化

地图可视化（Visualization in Cartography）即地图学中的可视化或地图信息的可视化。地图信息实际上就是地学信息。过去和现在，地图本身一直就是地学信息的载体。过去地学信息被地图学家制成可视的纸质地图，像用图形传输地学信息，因而它本身也是一种可视化产品。陈述彭先生以其多年的地图／地理工作的理论和实践经验积累，从非可视化角度并远早于科学计算可视化提出地学多维图解模式，试图应用地图这个可视化工具来解决特定的地学问题，获取对地学现象新的理解和认知。后来计算机科学技术发展，地图学家把计算机引进地图学，计算机制作地图是先由地图学家把地学信息生成数字地图，然后通过符号化变成可视的屏幕电子地图供用户使用，所以地图数据可视化就是把不可视的数字地图或人脑中形成的心像地图变成可视化电子地图的过程。由于这一新型电子地图的生成过程是由对原始地学信息的图解处理过程得到的，所以又可称其为“地学信息图解”。地图学家Taylor在1994年指出“可视化是现代地图学的核心”（Taylor，1994），并倡议在1995年国际制图学会（ICA）上成立了一个新的专门委员会，在1996年6月与计算机图形协会（The Association for Computing Machinery’s Special Interest Group on Graphics，ACM SIGGRAPH）合作，开始一个名为“Carto Project”的研究项目，其目的是探索计算机图形学的技术与方法如何更有效地应用在地图学与空间数据分析方面，以促进科学计算可视化与地图可视化的连接和交流。结论普遍认为，地图可视化实质上是视觉交流传输和认知分析两个方面。陈述彭先生1998年又在地学信息多维图解和科学计算可视化的基础上提出了“地学信息图谱”的概念（陈述彭，1998）。作者认为，“地学信息图谱”就是现代地学信息图解和地图科学计算可视化的结果、产品或形式，就好像纸质地图是传统地学图解和手工制图的结果、产品或形式一样；或者好像电子地图（含交互交融地图、动态地图、虚拟地图、多媒体地图或超媒体地图等）是现代地学信息图解和计算机多维动态制图的结果、产品或形式一样，即地学信息图谱是一种综合地学信息图解的图形图像可视化表达与分析应用的工具、形式与手段（陈述彭，2001）。

所以，地图可视化是地图／地理学家把可视化引入地图学而形成的概念，它是研究可视化在地图学中的作用、理论和方法的科学。

2.地理数据可视化

地理数据可视化（Visualization in Geography）是地学可视化中另一个被使用的概念。地理数据可视化是地图／地理学家把可视化引入地理科学而形成的概念，它是研究可视化在地理科学中的作用、理论和方法的科学。

Mac Eachren（1994）开始时采用地图可视化，但他认为地理可视化要大于地图可视化的研究范围，如遥感图像、图表、摄影影像等现象中的可视化在地图可视化中并不作为重点研究的对象，而是属遥感数字图像处理的遥感地学信息分析计算可视化。所以，目前他倾向于采用地理可视化，认为地理数据可视化包含了所有空间显示工具，而所有空间显示的集合就是现代地图学中所指的可视化。

龚建华等认为，地图学与地理学作为两门经典学科，其研究对象均为地球表层系统中的地理环境，但前者侧重于地理空间信息的地图表达与应用，后者则把地图作为一种重要的研究工具来解决地理问题，而可视化具有的视觉交流传输和视觉认知分析特征，则可作为桥梁把地图学与地理学紧密地联结在一起。所以，虽然地理可视化可认为来自于可视化与地理学的结合，地图可视化来自于可视化与地图学的结合，但是由于可视化具有连接和融合地理学与地图学的特点，自然而然，地图可视化与地理可视化是应属于本质同一的两个概念，只是常规学科领域的划分以及研究团体的不同，导致在研究内容及范围的认识上有所侧重。所以Mac Eachren采用地理可视化，而不倾向于地图可视化的原因，仍然是从地理学与地图学领域的经典研究特征出发，而不是着眼于可视化的新技术特征，从而反映出学科领域划分对问题认识所带来的影响是多么深刻。

GIS可视化（Visualization in Geographic Information System）是研究地理信息系统中关于可视化的理论、方法和技术的科学（龚建华，2000）。20世纪60年代发展起来的基于计算机的地理信息系统开始形成时，就利用计算机图形软、硬件技术，把地理空间数据的图形显示与分析作为基本的、不可缺少的功能，因而GIS可视化的提出要早于科学计算可视化。GIS可视化早期受限于计算机二维图形软、硬件显示技术的发展，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等。继二维可视化研究后，进一步发展为对地学等值面（如数字高程模型）的三维图形显示技术的研究，它是通过二维到二维的坐标转换、隐藏线与如消除、阴影处理、光照模型等技术，把三维空间数据投影显示在二维屏幕上。由于对地学数据场的表达是二维的，而不是真三维实体空间关系的描述，因此属于2．5D可视化。但现实世界是真三维空间的，二维GIS无法表达诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场，所以从20世纪80年代末以来，真三维GIS及其体可视化成为GIS的研究热点。随着全球变化、区域可持续发展、环境科学等的发展，时间维越来越受到重视。而计算机科学的发展，如处理速度加快、处理与存储数据的容量加大、数据库理论的发展等使得动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，从而使得时态GIS（TGIS）、时空数据模型、图形实时动态显示与反馈等的研究方兴未艾。所以从GIS及其可视化的发展看，GIS可视化着重于技术层次，如数据模型（空间数据模型、时空数据模型）的设计，二维、三维图形的显示，实时动态处理，时空多维动态模拟等，目标是用图形图像呈现地学处理和分析的结果。

3.地质数据可视化

地质数据可视化包括二维地质图可视化和三维地质模型可视化。二维地质图可视化可以借鉴地图可视化的手段来实现。而三维地质模型可视化是地质三维建模的基础，是地质信息科技领域的重要研究方向。近年来，随着地质矿产工作信息化的不断推进，地质三维建模技术和地质数据三维可视化问题受到越来越多的重视。所谓地质三维建模，就是利用地质数据三维可视化技术进行地质体、地质现象和地质过程的三维数字化抽象、重构和再现。实现地质数据的三维可视化的目的，是便于在更加真实、直观和形象的条件下进行现象分析、模型抽象、实体重构、科学计算、过程再现、知识发现、成果表达、评价决策和工程设计，也就是说不仅仅是为了好看，更主要的是为了好用。因此，地质数据的三维可视化具有科学研究、决策支持、辅助设计等多方面的属性（吴冲龙，2011）。

1）地质数据可视化属性

科学研究应当是地质数据可视化的第一属性。地质数据三维可视化具有科学研究属性的原因在于地质现象和地质过程都不同程度地存在着结构信息不完全、关系信息不完全、参数信息不完全和演化信息不完全的情况。通常，在地质现象、地质过程分析，地质矿产资源评价和开发利用决策时，对于大量的不确定因素，要依靠技术人员或者领导者本身进行定性理解、定量估算和关系描述，并结合时空数据模型和时空分析模型来进行分析、预测、评估和辅助决策。从数学逻辑的角度看，这是一种半结构化或不良结构化甚至非结构化问题。经验表明，数据可视化是描述、表达和理解各种半结构化甚至非结构化问题的关系和模型的最佳方法和手段。这也正是地矿研究与勘查成果总是用图件形式来表达的原因。面对多维的地质时空信息，仅仅有二维图件是不够的，需要实现三维建模与分析。

基于地质数据可视化的科学研究属性，其概念的外延大致包括科学计算可视化（Visuali－zation in Scientific Computing）、可视化分析（Visual Analysis）、可视化表达（Visual Represen－tation）、可视化显示（Visual Display）等几个组成部分。

地质数据三维可视化的第二个属性是空间决策支持。之所以如此，是因为地质调查、工程勘查、矿床资源勘探的数据处理和应用，最终要提交区域地质结构及其演化、工程地质条件和矿产资源可利用性评价成果，为资源的开发利用和重大工程建设提供多方案比较、选优的决策支持，而地质与资源信息普遍具有空间信息特征，其决策支持属于空间决策支持范畴。空间决策支持可视化同样涉及可视化计算、可视化分析、可视化表达、可视化显示等几个部分。由于空间决策支持在国土资源，能源勘查、开发、管理，环境保护和地质灾害防治领域具有显著的地位，空间决策支持可视化自然也就成为地质数据三维可视化的第二个重要属性。这就是说，如何更好地为空间决策支持服务，是地质数据三维可视化研究必须面对的问题。

为了说明这个问题，有必要从GIS决策支持可视化研究谈起。李峻曾经从空间决策支持认知过程出发，系统地研究了如何在一个完整的空间认知过程中交互、动态地获取并传递知识的问题。一般来讲，空间决策支持认知过程可表达为数据（Data）→信息（Information）→知识（Knowledge）→智力（Intelligence）。在这个过程中，确定数据（Data）的形态、结构、关联和一致性的操作将数据转变为信息（Information），对信息的科学归纳和对因果关系的探求将信息转变为知识（Knowledge），而当把知识应用于新的思想并对时空关系和未来发展趋势进行有目的的考察时，知识就转变成了智力（Intelligence）。这个从知识到智力的认知过程，实际上与可视化工具概念模型中的认知过程是对应一致的，可以用一个基于决策支持的认知过程的可视化工作流程图来表示（图1-6）。

图1-6 基于决策支持认知过程的可视化工作流程

在地质空间决策支持的认知过程中，不仅要求实现空间数据和分析结果的可视化，还要求实现分析规则、分析过程和决策过程的可视化。这种具有认知、分析作用并完整地面向分析过程和结果的可视化，称为探索可视化（Exploratory Visualization）或分析可视化（Analytical Visualization）。采用可视化的手段来进行数据探索，完成对半结构化或不良结构化问题的关系描述、信息提取、知识合成和智力表达，能够直观而形象地获得针对目标问题的对象认知和解决办法，进而显著地提高空间决策支持的有效性，是空间信息科技的重要发展方向。

随着空间信息技术和空间决策支持的兴起，GIS研究的重点从空间数据管理逐渐向空间数据分析方向转变，常规的空间量算、信息分类、叠加分析、网络分析、缓冲分析、空间变换和内插、空间统计分析等空间分析方法已经不能满足地质信息决策支持的要求，常规的多维、多源数据及其分析结果的显示技术，也不能满足空间决策支持认知过程的可视化需求。人们已经普遍意识到，对复杂空间决策支持问题的解决不是由单一结构化的空间分析或可视化显示独立完成的，而是由多个可视化显示和空间分析模块相互交融，在思维与分析层次上对空间知识进行挖掘、传输与交流的复合过程来完成的。为此，可视化的研究逐步从主要围绕结果的表达与显示、偏重于技术层次的状况向思维与分析层次发展，即向多维动态、交互分析、数据挖掘、信息提取、信息传输、知识发现和智力表达的方向发展，并且聚焦于探索可视化分析（Exploratory Visual Analysis）。空间决策支持认知过程可视化技术随之从空间探索、确认、合成、表达这一过程的两端向中间靠拢，力求实现可视化思维和可视化交流的相互交融，形成一个兼有二者特点的工具。

GIS领域的可视化技术研究进展对于地质空间决策支持认知过程可视化而言，有重要的借鉴作用。这种高级可视化将有效地提高对这种不良结构化或半结构化问题的感知力、洞察力、分析力和描述力，地质信息科技正是在借鉴地理信息科技成果的基础上取得进展的。经过地质信息科技领域广大研究者的共同努力，地质矿产信息系统的可视化技术不仅具备了信息和知识的交流传递作用，还具有很强的动态和交互特性，用户可根据需要自行订制待浏览对象、可视方法和显示形式，并可对整个过程修改编辑，多角度地观察复杂空间对象及其空间关系，直至获得对科学决策的合理支持。简言之，当前空间决策支持认知过程的可视化思维（Visual Thinking）的交互性和可视化交流（Visual Communication）的公众性，已能较好地满足地质矿产勘查开发和工程建设领域空间决策支持的交互、反复和共享的操作要求。

地质数据可视化第三个属性是工程设计。目前我国有一大批在建、待建的大型水利水电工程。这类工程涉及面广，影响因素众多（水文、地形、地质等），且设计和建设周期长，其设计和施工非常复杂，如何借助地质数据可视化提高设计效率和施工管理水平是一个难题。通过大型水利水电工程三维动态可视化设计，可实现施工全过程的仿真建模、仿真计算和仿真成果的可视化分析，为描述和揭示复杂工程施工系统的内部机理和规律提供了理论基础；可实现大型地下厂房在真实地质环境中的交互设计与优化，完成地下硐室群施工过程与围岩稳定耦合的动态仿真模型，提出施工顺序与机械设备配套的多方案优化方法；可以为合理制订施工进度计划、施工动态实时分析、确定施工机械配置和施工支硐布置提供依据。当然地质工程三维可视化设计远远不只在水利水电工程中应用，比如在固体矿床的三维开采设计、油气钻井三维轨迹设计、城市地下空间利用设计、滑坡治理工程设计等。因此地质数据可视化必须要能实现三维环境下的可视化设计。

2）地质空间决策支持认知过程可视化的分类

由于地质工作性质的特殊性，地质信息系统可视化的内容更为丰富，而形式也更为复杂。一般来说，在地理科技领域，人们主要关心诸如地形地貌、地物景观等表面现象；而在地质科技领域，人们最关心的是地下地质结构和成分的空间分布。因此，在地理信息科技领域，人们多关注“面三维”可视化技术的开发和应用；而在地质信息科技领域，人们多关注“体三维”可视化技术的开发和应用。从应用的角度看，地质空间决策支持认知过程可视化可分为表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化五类。

表达可视化泛指原始数据和计算成果以图形或图像的形式在屏幕或其他介质上的显示。其内容从图形图像的角度看，大致包括原始数据的符号化显示，一般科学计算结果的饼图、直方图、曲线图、等值线图和曲面图显示、放大、缩小、漫游、闪烁、拖动等，专业分析处理结果的柱状图、剖面图、平面图、三维地形图、三维地质图和表格、文字、数字的显示、放大、缩小、漫游、闪烁、拖动等。从地质科学的角度看，则包括地下复杂结构表达可视化和成分表达可视化两类。表达可视化是地质空间决策支持认知过程可视化的基础，贯穿于其他各类可视化之中。

分析可视化指在可视化环境中进行的各种地质空间决策分析。其内容大致包括各种地质专业的二维或三维空间统计分析、多重分形分析、叠加分析、网格分析、缓冲分析、几何量算、矢量剪切分析等。分析可视化是地质空间决策支持认知过程可视化的核心，其实现需要通过表达可视化来完成。之所以将其单独分出来，主要是强调地质空间问题分析过程的可视化及其分析过程的沉浸感（Impressive）、动态性（Dynamic）和人机交互（Interactive）特征。

过程可视化指在体三维环境中开展各种可视化的地质过程动态模拟，如造山作用动态模拟的可视化、构造变形作用动态模拟的可视化、沉积作用动态模拟的可视化、岩浆（侵入和火山）作用动态模拟的可视化、油气成藏作用动态模拟的可视化、金属矿产形成动态模拟的可视化、各类地质灾害形成作用动态模拟的可视化以及所有这些地质作用的可视化虚拟仿真（虚拟现实）等。过程可视化同样需要通过表达可视化来实现，单独分为一类是因为计算机动态模拟是研究和认识地质过程的重要途径和方式，同时强调其自然过程的可视化重建和再现。

设计可视化指在体三维可视化环境中进行各种地质工程设计，主要包括钻孔（井）设计可视化、矿山地下井巷设计可视化、地质灾害治理工程设计可视化、引水工程设计可视化、水电工程设计可视化、铁路公路隧道设计可视化、地下铁路设计可视化、地下硐室工程设计可视化等。同样，设计可视化也要通过表达可视化这一途径来实现。单独分为一类也是因为地质工程设计本身的重要性以及地质工程设计工作对可视化的需求最为强烈。地质工程设计历来是采用二维可视化方式进行的（即2DCAD），向三维可视化方式（即3DCAD）发展是必然的趋势。

决策可视化指在体三维可视化环境中进行矿产资源潜力或工程地质条件评价，进行各类矿产资源开发和地质工程设计的多方案比较选优决策，也包括地质灾害预警、防治、应急预案制定、决策可视化和抗灾救灾的现场应急指挥等。在三维可视化条件下，领导者或决策者可以直观、形象地了解专家的决策认知过程、依据和成果，如同身临其境地考察各个决策方案的合理性，进而作出自己的判断和决策，甚而实施应急指挥。在实现了地质空间决策认知过程各环节可视化的基础上，有必要进一步实现决策可视化。特别是当地质结构和成分复杂而决策者和指挥者又非专业人员时，这种空间决策可视化就显得更为重要了。

图1-7 地质体三维可视化建模与挖刻分析实例

目前，上述各种面向过程、具有地质空间认知能力的可视化技术，在国内已经成功地应用于区域地质调查、城市地质调查、工程地质勘查设计、矿产和水文地质勘查、矿山和油田资源开发、矿权管理、储量估算、水利水电工程和地质灾害勘查治理等专业领域的决策支持中，有力地提高了地矿资源的分析、评价、管理和辅助决策水平。地矿勘查和管理人员可以根据实际需要，利用三维可视化技术对指定范围内的地质体和资源量进行统计分析，可以对地质体进行任意方向的矢量化剪切和截取任意形态的剖面图、切面图、栅状图，并且可以在感兴趣的区域内任意地进行刻槽、挖坑和穿洞分析（图1-7）。利用三维动态显示技术和虚拟现实（Virtual Reality）技术提供的具有沉浸感（Impressive）、构想性（Imagination）、交互性（Interactive）的环境和工具，还可以开展盆地和造山带地质过程分析、工程地质条件和资源可利用性评价，开展盆地构造演化过程、层序地层生成过程、造山带构造演化过程、油气生排运聚散过程和地质灾害发生、发展、应急过程的三维动态模拟和仿真，并且从任意角度以不同分辨率来浏览模拟或仿真结果（图1-7）。

总之，可视化已经成为目前地质现象和地质过程时空分析、地质矿产资源评价与空间决策支持所不可或缺的技术和手段。鉴于上述“五个可视化”在地质空间决策支持认知过程方面具有重要意义以及其实现具有较高的技术难度，能否真实而又完全地实现“五个可视化”已经成为检验所有三维可视化地质信息系统软件的水平和质量的试金石。

3）地质数据可视化的关键技术

三维地质建模与分析技术是实现地质数据可视化的基础，其中包括合理的基础三维数据结构、海量三维数据体的存储和快速调度、三维地质体的数字化的快速建模技术、三维数字地质体的局部快速动态更新技术、三维数字地质体的快速任意矢量剪切技术、三维数字地质体的多样化空间分析技术和三维数字地质体的快速动态建模技术。三维地质建模与分析技术是实现上述“五个可视化”的基本保证，也是目前地质数据可视化的关键技术和研究热点所在。

（1）合理的基础三维数据结构。合理而有效的三维数据结构是实现地质体、地质现象和地质过程的“五个可视化”的核心问题。目前在地质空间采用的三维数据结构模型一般分为几何对象模型、属性对象模型和拓扑关系模型。这三个模型分属三个不同的层次和方面：几何模型用于描述地质体的形态和空间展布；属性模型用于存储、管理地质实体的定性或定量的描述信息；拓扑关系模型则主要用于描述两个和两个以上地质实体之间的关系以及单个复杂地质实体内部的各个子实体之间的拓扑关系。属性模型和几何模型之间是可以相互转换的。当对属性模型进行可视化时，其实质就是属性模型向几何模型的转换；当对几何模型进行查询统计时，其实质就是几何模型向属性模型的转换。地质体本身是一个整体，其描述模型的划分只是人为的结果，这种划分在很大程度上限制了三维地质体模型的动态重构与局部快速更新。能否用一个统一的数据结构模型来表达和管理真实的三维地质体数据，是需要进一步解决的重大关键技术问题之一。近年来，国内许多研究者都曾经对地质体的三维数据结构模型做过一些深入的探讨。

（2）海量三维数据体的存储和快速调度技术。海量三维地质体数据的存储和快速调度是实现地质体、地质现象和地质过程的“五个可视化”的基础。为了实现分析、设计和决策可视化，地质信息系统必须能展现和管理非均质和非参数化的实体，单个地质体的几何数据量往往是地表普通建筑物的几何数据量的几十倍乃至几十万倍，外加相关的属性数据和拓扑关系数据，对于大范围的海量三维地质体数据，其数据量已远远超出现有常规GIS的三维空间数据管理和处理能力。多线程动态调度方法、自适应的三维空间数据多级缓存方法、基于可视化计算与调度任务关联信息的预调度机制以及多级三维空间索引技术的提出，或许能够推进海量三维地质体数据有效存储和管理问题的解决。

（3）三维地质体的快速建模技术。三维地质体的快速建模技术是三维地质信息系统大规模推广应用的前提条件。三维地质体的建模速度决定了三维地质信息系统的实用性能。最理想的情况是软件系统能够实现足够复杂地质体和地质过程的全自动建模，但迄今为止并未完全实现。为了提高三维地质信息系统的实用性，必须对三维地质体的快速建模方法进行研究，主要包括研究如何提供方便快捷的交互建模工具、研究限定条件下三维地质体模型的自动或半自动建模问题等关键技术问题。

（4）三维数字地质体的局部快速动态更新技术。三维数字地质体的局部快速动态更新技术是目前地质空间建模研究的热点与难点问题之一。地质空间建模按照技术层次分为五个阶段，即模型可视化阶段、模型度量阶段、模型分析阶段、模型更新阶段和时态建模阶段。前三个阶段属于静态建模，后两个阶段属于动态建模。三维静态建模方法与动态建模方法的本质区别在于建立的三维地质模型是否可以进行模型的快速更新与重构，地质体、地质现象和地质过程的勘探研究都是一个渐进的过程，这就要求三维地质体模型的建模也是一个增量建模的完善过程，能实现三维地质模型的局部快速动态更新。基于钻孔的连续地层序列匹配、基于非共面剖面拓扑推理和基于凸包剪切、限定散点集剖分的动态重构算法是该领域近期的新研究成果。该方法对于研究区域地质背景有假定前提，还不能适应任意复杂的地质环境。显然，要妥善地解决这个问题，还需要进一步加强对三维数据结构及其相关三维实体重构方法等关键技术的研究和开发。

（5）三维数字地质体的快速矢量剪切技术。在建立了三维数字地质体模型的基础上，可进行各种挖刻和剪切分析，进而可统计开挖量或分析地质结构，为地质条件研究、地下工程建设、采矿生产安排提供分析、设计工具。根据所采用的空间数据模型，矢量剪切分析有体剪切技术、空间分区二叉树技术、面剪切技术等。它包括规则的空间线、面、体等之间的矢量剪切，也包括不规则的空间线、面、体等之间的矢量剪切。如复杂的地表面与工程实体之间的矢量剪切分析、复杂的地质体与工程实体之间的矢量剪切分析。对于具有三维复杂结构的大规模数字地质体矢量剪切分析，可采用三维空间索引、多级缓存技术和基于BSP（Binary Space Partition，空间二分树）的快速面片裁剪算法，对三维索引边界进行并行快速布尔运算判定，再通过后台裁剪运算快速重构裁剪后的三维空间实体关系，并提高其准确性、可靠性和效率。

（6）三维数字地质体的多样化空间分析技术。基于三维数字地质体的真三维空间分析功能，既是地质数据三维可视化软件区别于二维软件和计算机图形学的主要特征之一，也是评价一个三维地质矿产信息系统功能的主要指标之一。三维空间分析涉及到大量空间数据的运算和复杂空间关系的判断，如何保证针对异构的三维数字地质体空间分析的准确性、效率和可靠性，适应地矿勘查工作的多主题要求，是地质信息技术的共性难点问题。目前，建立有效的、多样的空间分析方法模型，为地质矿产信息系统提供更多、更强大的功能，已成为当前地质信息科学领域研究和应用中十分重要的任务。三维数字地质体的空间分析技术通过分析三维地质矿产信息系统空间分析的基本内容，抽象出三维空间分析的原子分析算法，如三维相交检测、布尔运算、点集区域查询等，具有普适性、多样化的特征。它既包括通用的三维空间分析技术，如叠置分析、缓冲区分析、三维网络分析、三维查询与度量分析、三维表面分析、三维几何分析、统计分析等，又在此基础上针对地质矿产信息工作典型的领域开展诸如地质体剖面分析、刻槽挖洞分析、栅栏图分析、管线分析、流域分析、水淹分析、地下工程模拟开挖分析、矿产储量分析、构造体平衡分析、地层沉降正反演分析等。利用面向地质矿产信息的多样化的三维数字地质体空间分析功能，可以分析地质体内部的特征和属性，为了解和掌握地质体的组成、结构、稳定性、活动规律和运动机制提供途径。

（7）三维数字地质体的快速动态建模技术。基于剖面资料建立的三维数字地质体模型不能动态重建的问题，长期以来一直困扰着该领域的专家学者。从20世纪90年代末期开始，人们已经能够通过单纯的剖分算法来实现空间实体或者规则空间实体模型的动态构模，但复杂地质体模型是通过大量的人工交互作业建立的，其中包含过多地质知识和人工智能推理过程，单纯的剖分算法难以实现其动态重建。

人们对三维地质体动态建模方法的研究，经历了从纯粹的空间构模数据结构与算法研究转变为建模过程中的地质知识表达、推理与应用研究的过程。人们先后提出了基于表面模型（Subsurface Model）的时空约束规则及其诊断问题，探讨了空间与时态推理在地质建模中的应用可能；基于地质语义的概念，对地质一致性（Geological Consistency）问题进行了探讨；讨论了地质解释过程中的人工智能推理算法，提出了不确定性下的地质推理分析并将其应用于地下水体重构研究，研究了基于用例推理的地质构造建模方法和基于SEM（Shared Earth Model）、面模型的油气盆地模型知识驱动重建方法。

显然，这些研究成果为基于剖面的地质体动态建模的实现提供了新的思路和途径，在一定程度上推进了空间推理在地质体动态建模中的应用研究。

目前，在三维地质建模方面已经出现了一些比较完善的三维地质建模软件，国外的如GOCAD、MVS、Micro Station、Surpac等，国内的如Quanty View（原名Geo View）、Geo Mo3D、Titan 3DM等。这些软件都提供了通过钻孔（井）、剖面、平面资料进行三维地质建模和分析的工具。这些软件实现了多种数据三维综合建模、显示和分析，但目前的主要建模方式仍然是静态交互的。

总之，实现地质数据三维可视化，不仅仅是为了好看更是为了好用。一个优秀的地质数据三维可视化软件，应当能够实现“表达可视化、分析可视化、过程可视化、设计可视化和决策可视化”五个方面的功能。此外，还需要具备真三维图形数据和属性数据一体化管理和编辑功能，所生成的三维数字地质结构和数字地质体可以支持空间数据和属性数据的双重可视化查询；要支持采用钻孔、平硐、槽探、竖井、勘探剖面图、构造平面图等进行三维地质结构和地质体混合建模，还要提供各种专业化工具，支持DLL库、控件、组件等多种二次开发方式。地质数据三维可视化技术的发展十分迅速，其未来趋势是实现地上、地下、地理、地质数据一体化三维可视化采集、存储、管理、处理和集成应用以及地质建模和数据更新的快速化、高效化、动态化。复杂地质结构的表达和快速动态建模方法与技术，仍将是未来一段时间的研究重点，知识驱动、数据挖掘、本体论思路、方法的引进和应用，可能是解决这些问题的有效途径。

4.其他专业应用领域可视化

从应用方面看，不同的地学专业领域，地学现象与数据呈现出很大的不同，如海洋现象是时空四维的，并且随时在时空结构上发生变化；而城市与区域系统则更多的是人文景观，即表现为多维动态，并且该空间是人类非常熟悉的（由于人类不能钻进地下或地块以及不能在海洋、大气中自由行走，所以对地质、海洋和大气的时空感知及认知比较艰难和陌生）。根据实践与理论方法之间的相互关系，专业应用领域地学现象的可视化对地学可视化深入发展并得以持续的应用与演化将有着重要的意义（龚建华，2000）。