时间域航空电磁数据三维可视化研究

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近几十年来,伴随着中国经济高速发展,对矿产及其它资源的需求越来越大。目前,中国的中西部已经成为了主要勘探目标区域,而这些区域往往地表条件复杂,地面勘查方法很难实施。由于时间域航空电磁法具有勘探深度较大、工作效率高、受地形影响较小及可大面积勘探等优点,其已经成为了一种重要的矿产和水资源勘查方法。时间域航空电磁法要得到广泛应用,必须要有高精度的航空电磁测量仪器和功能强大的处理解释软件。在处理解释软件中,三维建模和三维数据可视化已经成为当前的主要研究热点之一。本文主要对时间域航空电磁数据反演成像数据三维可视化进行研究,即分别对网格剖分、插值及渲染技术进行研究并编程实现。具体来说,主要研究内容如下:  本文针对时间域航空电磁数据反演成像数据的特点,利用Delaunay四面体剖分方法对时间域航空电磁数据反演成像结果数据进行剖分,在尽可能保留剖面数据信息完整性的情况下形成一个三维数据四面体网格结构。Delaunay四面体网格剖分方法的实现步骤为:首先将数据编排成自定义的数据格式;然后使用Bowyer-Watson算法实现逐点插入并结合几何判断得到一个初始四面体网格;最后利用最大半径边比、最小或最大二面角和四面体最大体积优化参数,对四面体网格进行优化,得到质量比较好的四面体网格。  由于时间域航空电磁反演成像结果的数据量比较大,当使用传统的反距离加权插值方法时,其插值效率太低。在传统的反距离加权插值方法中,确定观测点数量及观测点到待插值点的距离是该方法的性能瓶颈。为此,论文对传统的方法进行改进,即以每个待插值点为中心设置一个正方体“窗口”,利用这个“窗口”来确定插值所需要的观测点数量。改进方法的计算步骤为:首先,以原点为起始点,求取各观测点到原点之间的距离,并按距离的大小进行排序;然后,将得到的观测点序列分成若干组,每组包含若干距离范围内的观测点;第三,求取某个待插值点到原点的距离d,以该点为中心设置一个“窗口”,并设定“窗口”的距离范围和“窗口”中包含观测点的最小数目L;最后,利用上述的距离d确定观测点的组别,同时使用“窗口”范围来搜索插值所需的观测点。使用改进的反距离加权插值算法对这个四面体网格中新插入的位置点添加电性属性值,从而形成一个具有合理电性参数分布的时间域航空电磁数据的反演成像数据体。  新版本的OpenGL规范已经将原有的固定管线渲染方式抛弃,而且要求开发者必须自己来掌控渲染管线中的可选着色器的细节。这个改变虽然带来了巨大的灵活性,但也同时在无形中增加了渲染绘制的难度。因此,使用新版本OpenGL规范实现渲染管线,必须分析各个着色器的功能和使用要求。基本的渲染绘制过程可以总结为:输入顶点数据;数据传输到顶点着色器进行转换计算;图元装配;图元进行光栅化;将数据传输到片段着色器中;进行逐片段处理;进行帧缓冲;双缓冲交换;最后利用Qt中的QOpenGLWidget类和OpenGL的图形渲染技术将把缓冲去中的内容绘制成一个三维体,最终实现对时间域航空电磁反演成像数据的三维可视化展示。  最后使用野外实测数据对上述的三维数据可视化方案和商业软件进行比较测试,测试结果表明所推荐的方法具有较高的精度。
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