重要知识点

1. DEM数据获取的方式有哪些？各有什么特点？

答：DEM（数字高程模型） 数据的获取方式有多种，主要包括：

  • 遥感获取：
    • 卫星遥感：通过卫星搭载的雷达或激光雷达获取，具有全球覆盖的优势，数据更新频率高。例如：SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数据。
    • 激光雷达（LiDAR）：通过激光脉冲测量地面反射回来的时间获取高程数据，精度高，适用于获取细节和复杂地形。
    • 优势：高效、覆盖范围广、无视地面障碍。
    • 劣势：精度依赖于传感器质量，数据处理复杂。
  • 地面测量：
    • 传统测量：使用全站仪、GPS、水平仪等工具进行高程测量，适用于高精度需求的小范围区域。
    • 优势：精度高，数据可信。
    • 劣势：受制于测量范围，成本高，效率低。
  • 航空摄影测量：
    • 光学摄影：通过航空平台进行影像拍摄，使用立体像对进行立体解析得到高程。
    • 优势：较为精确，适用于大范围区域。
    • 劣势：数据获取时间较长，受天气等因素影响。
      新技术：合成孔径雷达测量技术
2. 列出DEM建模和分析软件2种

答：

  • ArcGIS：
    • 功能强大的地理信息系统，支持DEM数据的建模、分析、可视化等多种操作。提供多种分析工具，如坡度、坡向、流域分析等。
  • Global Mapper：
    • 是一款专业的地理信息处理软件，支持DEM数据的加载、可视化、分析与转换，功能灵活，支持多种地形分析工具。
3. 行程编码的基本算法思想是什么？

答：行程编码（Run-length encoding，RLE）是一种无损数据压缩算法，基本思想是通过记录连续相同元素的值和其重复次数来表示数据。例如：对于字符串 AAAABBBCCDAA，行程编码后为 4A3B2C1D2A。

4. 坡度、坡向的定义？二者的区别是什么？

答：

  • 坡度（Slope）：表示地形表面相对于水平面的倾斜程度，通常以度数表示，范围是0°到90°。坡度可以反映地形的陡峭程度。

  • 坡向（Aspect）：指地表某一点或区域朝向的方向，高程值改变量的最大改变方向，即坡面朝向的方位角。通常以0°到360°表示，0°表示北，90°表示东，180°表示南，270°表示西。

区别：坡度表示的是坡面的陡峭程度，而坡向表示的是坡面的朝向方向。

5. 山脊线的提取方法有哪些？详细介绍一种

答：提取方法：

  • 基于DEM的坡度分析法：通过计算DEM数据中的每个点的坡度，并识别坡度较大的区域作为山脊线。
  • 基于流域分析法：使用流向和流域分析，结合水流路径来识别山脊线。
    详细介绍：基于流域分析法：
  1. 使用DEM数据计算每个点的流向。
  2. 通过流域分析确定水流路径。
  3. 在流域边界附近，坡度较大且水流路径变化剧烈的地方，通常会形成山脊线。
6. DEM的数据结构中，GRID和TIN有什么区别？如何进行相互转换？

答：

  • GRID（格网模型）：通过规则的网格结构存储每个网格单元的高程值，适合均匀地形。

  • TIN（三角网模型）：将地表划分为一系列三角形单元，根据节点的高程值来表示地形表面，适合复杂地形。

转换方法：

  • 从 GRID 到 TIN：通过网格单元的节点计算其三角形化边界，并根据相邻节点的高程值进行三角化。
  • 从 TIN 到 GRID：通过网格划分并将三角网的每个三角形内插到网格中生成高程值。
7. D8算法的基本思想和流程。要掌握流量和水系长度的计算方法

答：D8算法：是一种常用的流向算法，用于计算DEM数据中的水流路径。D8表示每个单元格有8个方向可以流动，算法根据坡度计算流向。
基本流程：

  1. 对每个网格单元计算流向（8个方向之一）。
  2. 根据流向计算水流的下游方向。
  3. 使用D8算法可以进行流域分析、水系长度计算等。
    水系长度计算：通过计算水流路径的总长度，依据流向算法确定每个点的流动方向，并累计水流路径的长度。
8. 三种不同的三角花算法的主要思路？Delaunay三角剖分算法有哪些要求？

答：

  • Bowyer-Watson算法：通过逐步插入点并调整三角形的边来生成三角网。

  • Incremental算法：逐步插入点并保持三角形的Delaunay性质。

  • Divide-and-Conquer算法：将点集划分为多个部分，分别进行三角剖分，最后合并结果。

Delaunay三角剖分的要求：

  • 每个三角形的内接圆不包含其他点。
  • 该算法可以避免出现较长的边，从而生成较为均匀的三角形。
9. 什么是LOP法则？其作用是什么？

答：LOP是Lawson在1977年提出的D-三角网形成局部优化过程－－Local Optimal Procedure。
LOP的基本思想是： 应用D -三角网的空外接圆性质对由两个有公共边的三角形组成的四边形进行判断，如果其中一个三角形的外接圆中含有另外一个顶点，则交换四边形的对角线。（Flip Edge）

10. 距离反比插值算法的基本原理？其存在的主要问题是什么？

答：距离反比插值（IDW）：根据已知点的值和距离的反比关系计算未知点的值。距离越近，权重越大。计算公式：
![[Pasted image 20241114234235.png|150]]
其中，wᵢ为点的权重，fᵢ 为已知点的值，x为待估点。
问题：

  • 边界效应：插值结果在边界处可能不准确。
  • 局部数据波动：对于数据分布不均的区域，结果可能产生过度平滑或异常。
11. 克里格插值算法的理论基础是什么？该方法的基本流程是？

答：理论基础：克里格插值基于空间自相关原理，假设空间上相邻点的值具有相似性。其目标是通过最小化估算误差的方差来进行插值。
基本流程：

  1. 计算已知点之间的半变异函数。
  2. 通过拟合半变异函数来估计待估点的值。
  3. 根据权重对插值点进行加权平均。
12. 规则网与三角网模型的相互转换的方法是什么？

答：

  • 规则网到三角网：通过连接网格中的相邻节点，构建三角形单元。
  • 三角网到规则网：将三角形区域内的中心点或顶点重新插入网格中，构建规则的格网模型。
13. 规则网如何追踪等值线？

答：通过插值计算每个网格单元的高程值，使用等高线提取算法（如Marching Squares算法）在规则网格上提取等高线。

14. 三角网如何追踪等值线？

答：通过遍历三角形的边，利用线段插值方法提取每个三角形边界上的等值线。

15. 显式/隐式的三维地质建模方法的差别是什么？各有什么优缺点？

答：

  • 显式建模：基于已知的地质界面和特征，直接构建地质模型，适用于简单的地质结构。
    • 优点：清晰、直观。
    • 缺点：不适应复杂的地质体。
  • 隐式建模：基于数据自动推算地质体，适用于复杂的地质结构。
    • 优点：适应复杂地质体，自动化程度高。
    • 缺点：难以解释和验证。
16. 三维模型的基本内容包括哪些？

答：三维模型包括：

  • 几何模型：表示物体的形状和结构。
  • 属性模型：物体的物理、化学属性，如材料、密度等。
  • 纹理模型：物体表面的视觉表现。
17. 列出3种三维可视化引擎，包括商业的和开源的。介绍各自的特点。并分析三维可视化引擎的发展趋势

答：

  • Unity（商业）：广泛用于游戏开发，支持高质量图形渲染和虚拟现实。
  • Unreal Engine（商业）：提供高端的图形处理能力，广泛用于游戏和模拟应用。
  • Cesium（开源）：用于地理信息的三维可视化，支持大规模数据集的可视化。
18. 显式三维地质建模方法有哪些？

答：

  • 基于断层面和岩性层的建模：通过地质断层、岩性分层数据直接构建三维模型。
  • 基于勘探数据的插值建模：通过钻孔数据或其他勘探数据进行三维建模。
19. 隐式三维地质建模方法有哪些？

答：

  • 基于地质界面的隐式建模：利用已知地质界面的空间分布，进行隐式建模。
  • 基于数学模型的隐式建模：通过数学函数（如多项式拟合）模拟地下地质体的变化。
20. 三维地质建模软件：举出5种，并讲出其特点

答：

  • GOCAD：强大的地质建模与可视化功能，广泛用于石油勘探和矿业。
  • Petrel：用于油气勘探的三维地质建模软件，支持地层建模和动态模拟。
  • Geovariances：专注于矿产资源评估和地质建模。
  • 3D-Geo：基于ArcGIS的三维建模插件，适用于地质工程分析。
  • Leapfrog：用于矿产资源建模，支持隐式建模。
21. 三维模型的分析方法有哪些？

答：

  • 空间分析：分析三维模型的空间结构和属性。
  • 结构分析：分析地质结构中的断层、褶皱等特征。
  • 流体动力学分析：模拟地下流体的流动情况。
22. 三维地质结构模型与属性模型的区别是什么？

答：

  • 地质结构模型：表示地下地质体的几何形状和分布。
  • 属性模型：描述地质体的物理、化学属性，如岩性、密度、孔隙度等。
23. 三维地质模型的应用有哪些方面？

答：

  • 矿产资源勘探：评估矿体的规模和分布。
  • 油气勘探：分析油气储层的分布。
  • 工程地质：用于土木工程、建筑等领域的地下结构分析。
24. 二维栅格数据的存储中，COG（Cloud optimized GeoTIFF）的优势是什么？它利用了TIFF格式的哪些特点？如何通过扩展来用于海量三维栅格数据的存储？

答：COG的优势：

  • 优化云存储访问，提高数据的读取效率。
  • 支持逐块读取，适合大数据集。
  • 无需解压整个文件，可直接访问任何小区域。
    TIFF特点：
  • 支持大尺寸栅格数据。
  • 可包含多个波段，适合存储多种类型的地理信息。
    扩展到三维数据：
  • 通过添加多个切片或使用分层存储，将三维数据划分为多个2D切片进行管理和访问，适合处理海量三维栅格数据。

第一章 概论

数字地面模型

数字高程模型
狭义：区域地形表面海拔高度的数字化表达。
广义：地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。

数字地面模型
地表二维地理空间位置和其相关的地表属性信息的数字化表达。
数字地面模型中地形属性为高程时，称为数字高程模型。

DEM：概念扩展
DEM的基本特征：

  • DEM 用离散的采样点表达真实地表面
  • DEM 数据用简单矩阵的方式进行组织和计算
  • DEM 格网大小和表面粗糙度决定地形表达的精度

数字地面模型的研究内容

  1. 地形数据采样：野外测量、扫描仪、无人机；
  2. 数据组织模型：规则网模型、不规则三角网模型、等高线模型、正三角形模型、正六边形模型、混合模型；
  3. 数字地形建模：规则网建模、不规则三角网建模
    规则格网：其任意一个点Pij的平面坐标可根据该点在数字高程模型中的行、列号j，i及数字高程模型的基本信息推算出来。
  • 优点：存贮量最小，便于使用管理
  • 缺点：有时不能准确表示地形的结构与细部
    不规则格网：如果将按地形特征采集的点以一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形，构成一个不规则三角网TIN表示的数字高程模型，通常称为三角网DEM和TIN
  • 优点：能较好地顾及地貌特征点、线，表示复杂地形表面比矩形格网要精确
  • 缺点：数据量较大，数据结构比较复杂，使用与管理同样比较复杂
    混合格网：一般地区使用矩形网数据结构，地形特征处则采用三角网数据结构
  1. 数字地形分析：
  • 坡面地形因子：地形因子是为定量表达地貌形态特征而设定的具有一定意义的数学参数或指标。各种地貌， 不论平原、谷地、高山，都是由不同的坡面组成。微观坡面因子反映了该地貌微观地表单元的形态、起伏或扭曲特征。宏观坡面因子反映了地貌的宏观形态特征。
  • 特征地形要素：特征地形要素包括地形特征点（山顶点、凹陷点、脊点、谷点、鞍点、平地点等），山脊线、山谷线，沟沿线、水系以及流域等描述地貌特征的信息。
  1. 数字地形可视化表达
  2. 三维模型的不确定性
  • 时间尺度
  • 空间尺度
  • 建模方法
  • 精度评价体系

数字地面模型的应用

数字地面模型的应用：

  • 构造地表模型
  • 地形基本量算：土方计算、堰塞湖、日照分析、剖面分析、通视分析
  • 数据分类制图：等高线、距离制图
  • 地表特征提取：水文流域分析、洪水淹没分析
  • 地表三维可视化：动态监测、城市景观

第二章 原始数据采集

数据来源及采集方法

  1. 野外测量：小范围的DEM数据采集与数据更新的主要方法
  • 优点：直接获取高精度的DEM
  • 缺点：工作量大；效率不高；费用高昂；受限多
  • 内容：大地测量与工程测量技术、GPS定位技术
  1. 地形图：获取DEM数据最广泛的方法
  • 优点：来源丰富，廉价； 对仪器设备和作业人员要求不高； 采集速度相对较快。多比例尺
  • 缺点：地图符号数字化； 低时效性； 地形图的数据质量，尤其指在精度方面
  • 内容：地形图比例尺、地图数字化技术、手扶跟踪数字化、扫描数字化
  1. 航空、遥感影像：DEM数据采集的主要发展方向
  • 优点：现势性强；覆盖范围广；数据精度高
  • 缺点：费用较高；需要进行后期处理；使用有一定局限性
  • 内容：遥感技术、遥感数据获取流程、遥感技术发展特点
  1. 摄影测量技术：传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字形式进行输出。
  • 主要特点：在像片上进行量测，无须或很少接触被摄体，受自然和地理等外界条件的约束少；像片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信息，可以选择所需量测和处理的对象 ，从像片上所包含的几何信息中进行判读和计算。
  • 数字摄影测量：基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。
  • 基于数字摄影测量的DEM数据采集方法：沿等高线采样；规则格网采样；沿断面扫描；渐进采样；选择采样；混合采样；自动化DEM数据采集
  1. 新技术：激光扫描测量技术，合成孔径雷达测量技术，合成孔径雷达干涉测量技术，多波束声纳海底地形测量技术

数据采集策略

  1. 数据采集的重要性
    Eklundh与 Martensson指出：DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量的控制上，而不是学习复杂的内插方法。

  2. DEM采样的理论基础
    地形曲面是连续变化的，不可能测量无穷的点；需要用有限的点来表示无限的连续变化曲面，实现地表重建。

  • 统计学角度：采样理论
  • 几何学角度：几何结构
  • 地形特征理论角度：地形由特征线决定其形态
  1. 地形表面几何特征
    地形表面数据可以分为两类：特征要素和非特征要素
  • 特征要素包括特征点和特征线
  • 非特征要素则分布在地形的各个位置，服务于地形重建

  1. 地形曲面复杂度

  2. 地形采样依据
    考虑区域地形表面几何特征：
    特征点－山顶点、山谷点、山脚点、山脊点、鞍部、洼地等.
    特征线－山脊线、山谷线、陡坎水边线等各种断裂线…
    考虑地形的复杂程度：
    地形比较破碎、沟壑交错则应多布采样点；地形比较平坦则可在满足精度要求的条件下少布采样点。
    考虑地貌单元的不同类型：
    平地、丘陵、山地、高山地应按规范适当安排采样点。

  3. DEM数据源三大属性

  • 数据分布：采样点的位置（规则、不规则分布）
  • 数据密度：采样点的密集程度（采样间距、单位面积内的点数）
  • 数据精度：与数据源、数据的采集方法和采集仪器有关
  1. 数据源数据分布

数据共享与交换

  1. 国家标准比例尺
    目前，我国已建成覆盖全国陆地范围的1:100万、1:25万、 1:5万DEM数据库。
  • 1:100万DEM数据库于1994年建成，格网间距600米。总图幅数77幅。
  • 1:25万DEM 数据库于1998年建成，格网间距100米。总图幅数816幅。
  • 1:5万DEM 数据库于2002年首次建成，2011年更新精化一次。格网间距25米。总图幅数24182幅。
  1. 常用的全球DEM数据源
  • SRTM(Shuttle Rader Topography Mission)
  • ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)
  • JAXA‘s Global ALOS 3D World
  • Global Land One-kilometer Base Elevation(GLOBE)
  • Global 30 Arc-Second Elevation(GTOPO30)
  • LiDAR(Light Detection and Ranging)

第三章 DEM数据组织与管理

**TIN（Triangulated Irregular Network)**：
表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等—Delaunay)

行程编码数据结构：

块状编码数据结构：

第四章 三维地学建模方法

基于插值算法的规则网建模

**反距离加权法(IDW)**：基于插值算法的规则网建模是移动拟合法的特例，它是在解算待定点的高程时，使用加权平均值代替误差方程。
**径向基函数(RBF)**：常用于对非线性数据进行插值和拟合；基本思想是利用径向基函数对已知数据点进行插值， 估计未知位置的值。
MQS法：对于每个待插的点，可选取其邻近的n个数据点(可称其为参考点)拟合一多项式曲面。
薄板样条函数法：是一种用于插值和拟合的非参数方法，常用于处理二维或三维数据点的插值和变形问题。
维诺图法：采用了一种极端的边界内插方法，只用最近的单个点进行区域插值。
自然临近法：对样本点生成Delauney三角形，选择最近的样点的值进行加权来估计未知位置的值，最适于样本点分布不均的情况

Kriging插值算法-克里格法

在任一方向 ，相距的两个区域化变量和的增量的方差的一半。变差函数（Variogram）亦称为半变差函数（Semivariogram） 或是变异函数，由于能够反映区域化变量的空间变化特征，并能透过随机性来反映区域化变量的结构性，故变差函数又称结构函数。

克里格估值是一种线性最优无偏估计的空间局部插值方法，其基础是变差函数理论和空间数据的结构探索分析。克里格方法充分考虑了样本点在空间中的位置和形状大小，样本点与待插值点在空间上的相互位置关系，以及样本数据的空间分布格局，从而对未知样本点进行估计

DSI插值

DSI方法是法国南锡大学J.L.Mallet教授提出的，针对离散的数据点，在其间建立一种相互关联的拓扑网络，如果网格结点上的某些属性值满足某约束关系，则未知点值可以解线性方程得到。

LOP法则

LOP是Lawson在1977年提出的D-三角网形成局部优化过程－－Local Optimal Procedure。
LOP的基本思想是： 应用D -三角网的空外接圆性质对由两个有公共边的三角形组成的四边形进行判断，如果其中一个三角形的外接圆中含有另外一个顶点，则交换四边形的对角线。（Flip Edge）

散点无约束建网方法

基本思路： 根据随机分布的原始高程点建立连续覆盖整个研究地区的不规则D_三角网(D_TIN)。
根本问题： 确定哪三个数据点构成一个三角形，即自动连接三角网
分类：

  • 分割合并算法
  • 三角网生长算法
  • 逐点插入算法

约束建网

两步法是目前采用最多的CDT构建方法： 先构建无约束三角网，后引入约束线段（调整过程）。
Sloan采用连续的对角线交换法实现约束线段的嵌入；
Floriani的算法则采用简单多边形D三角化的方式实现之。

基于等高线生成

直接将等高线上的点离散化,然后采用上面所讲的从不规则点生成TIN 。

规则数据生成不规则三角网

直接法、 VIPS法、最大Z容差法（启发丢弃法、逐步精细法）等
核心问题：从大量的格网点中提取表征地形特征的重要点集，如山顶点、山脊线点、山谷线点、鞍部点等。
涉及问题：选点原则与终止条件（精度或循环次数）

建模数据源

  • 地形图数据：用于构建地表的三维曲面；
  • 地质图：反映地层在地表的分布情况；
  • 钻孔：反映钻孔上每个地层分界点的高程；
  • 隐伏地层平面分区图：根据钻孔的地层分界点的分布范围，结合物探资料等，绘制生成隐伏地层的平面分布图；
  • 地质剖面图：反映两个钻孔之间的地层连接规律，属于建模的可选数据；
  • 地层的标准层序表:
  • 地质规则:

标准地层定义

  1. 填图单位
  2. 地层序列
  3. 岩脉
  4. 断层网络

显式三维地质建模方法

  1. 基于主TIN的三维地质建模方法
  2. 基于轮廓线拼接的三维地质建模
  3. 基于网络划分与拼接的三维地质建模

建模效率：自动建模速度快，精度低；交互建模速度慢，精度高。
模型更新：交互式方法难于更新。
处理复杂地质条件能力：无法处理断层、褶皱、倒转、侵入等地质情况。
建模方式：着眼于几何方式建模。

隐式三维地质建模方法

隐式三维地质建模方法是一种基于标量场理论的先进技术，用于构建和表示地下地质结构。该方法通过模拟空间中势场的变化，利用地质、物理和化学属性对周围物理场的影响， 来估算未知点的势场值，从而构建出地质体的三维形态和分布。

对偶泛协克里金插值：
线性无偏估计：插值结果不仅能够解决局部目标空间数据的特征分析问题，还能够在区域尺度中分析相关的空间属性。
变异函数：描述了数据点之间的空间相关性，反映了区域化变量的结构性变化和随机性变化。

建模软件

开源：Gempy、LoopStructure
商业：3D Geomodeller、SKUA、LeapFrog、EarthVision

基于机器学习方法的三维地质建模

支持向量机（SVM）

卷积神经网络（CNN）：
常见卷积结构网络：
U-Net：一种经典的全卷积网络，特点是对称的编码器-解码器结构。
ResNet：引入残差连接，有效地训练更深层次的网络。
VGGNet：使用小的3x3卷积核构建深层网络，结构简单但深层。
3D卷积神经网络：在空间和时间维度上进行卷积操作，能捕捉三维空间数据的复杂特征。

静态三维地质建模方法总结

基于机器学习方法的三维地质建模-CA、图卷积神经网络

地质过程的动态建模方法

盆地演化模拟、地史模拟、地热模拟、油气模拟、地下水动态模拟

三维地质属性建模

结构模型约束：单层属性模型、水平分层属性模型、平均分层属性模型

三维地质属性建模方法：反距离加权、克里金插值（变函数拟合、权重计算）、径向基函数（高斯函数、多项式径向基函数、反高斯函数）

三维地质模型的动态更新

原因：

  1. 新数据获取的需要、新技术的推动
  2. 新模型的需要，理论的进步

基于密度的更新区域圈定方法：

  1. 更新变量点的空间聚类
  2. 依托聚类结果的更新区域边界追踪方法

主TIN模式下的更新区块模型构建：

  1. 提取模板点
  2. 构建模板面
  3. 生成更新区块模型

三维地质模型不确定来源分析

地质结构自身的复杂性、建模数据的稀疏性和误差、 建模的方法的随机性、建模人员认识上的不足、建模软件的局限性…

不确定性分析方法：
基于随机误差理论 ： 以置信区间描述点、线和多边形等空间实体的不确定性分布 ；
基于地质统计学的方法 ： 主要运用自协方差结构、变异函数或与其相关的自协变量或局部变量值的相似程度来描述地质属性的不确定性 ；
基于随机模拟 ： 通过大量模拟实现描述模型的可能分布 ， 分析模型不确定性 ；
基于概率论方法 ： 通过计算三维地质模型各处属性概率 ， 定量分析不确定性的分布 ；
基于信息论 ： 利用信息熵来分析地质模型的不确定性及误差敏感度。

第五章 三维模型的可视化

三维可视化引擎

模型显示技术：1.渲染管线；2.光照模型（Phong、Blinn-Phong、PBR），全局光照GI（光线追踪算法、辐射度法、全局照明、基于图像的照明）

关键技术：

  • 低代码化：低代码开发平台通过抽象和最小化手工编码的方式，为开发和部署定制化应用提速。作为最低标准，低代码平台必须具备低代码能力（如模型驱动、可编程的可视化开发方式等）。
  • PBR（Physically Based Rendering）：是基于物理的渲染。它是利用真实世界的原理和理论，通过各种数学方法推导或简化或模拟出一系列渲染方程，并依赖计算机硬件和图形API渲染出拟真画面的技术。
  • LOD（Level of Detail）：是计算机图形学中用来描述三维模型细节程度的一种度量标准。在实时渲染和虚拟现实中，LOD被用于优化渲染性能和减少计算资源消耗， 以达到更好的视觉效果和更流畅的用户体验。

引擎模块组成

  1. 渲染模块
  2. 物理引擎模块
  3. 场景管理器
  4. 事件处理模块

主流三维渲染引擎

Unity（不开源）、Unreal Engine、Osg和osgVerse

细节层次模型(LOD)

基于TIN的层次结构：统一思想：用面积更大的三角面取代了多个面积较小的三角面，以减小画面中三角面的数量，因而得到了对同一个地形场景模型各种复杂度的三角网格表示。

基于GRID的层次结构：对矩形网格采取了自上而下、分而治之的建立方法，形成一棵层次树。包括四叉树和二叉树。从原始场景的最低细节层出发，再根据需求通过递归和迭代来提高细节维度，最终形成一棵稳定的层次树，完成全部地形模型的组织建立。将叶子节点可视化，即是一个多分辨率模型。

地形LOD生成算法

  • 非连续LOD模型（静态LOD）
  • 连续性LOD模型（动态LOD)：基于顶点折叠的方法、基于边折叠的方法、基于面折叠的方法

地形裂缝

裂缝的产生：在建立地表模型时，如果只是单纯孤立地绘制各个分块，而不考虑它们之间的联系，那么就会出现块间的“裂痕”现象。相邻分块在公共边上的处理方式不一致。

处理方法：附加补丁（裙边算法）、限定四叉树、顶点调整

地表DEM赋色

  • 简单纹理
  • 合成纹理

三维地质结构模型可视化

LOD自动调度：

  1. 基于距离的调度算法
  2. 基于误差的调度算法
  3. 基于事件的调度算法

地质模型裂缝处理技术：三维地质模型的锁边LOD方法

UE引擎中的nanite技术

Nanite是虚幻引擎5的虚拟化几何体系统，它采用全新的内部网格体格式和渲染技术来渲染像素级别的细节以及海量对象。它可以智能地仅处理你能够感受到的细节。另外，Nanite采用高度压缩的数据格式，并且支持具有自动细节级别的细粒度流送。完全是由GPU驱动的可以处理大量的实例并且无需处理绘制调用的性能问题。

背景：Simplygon

三维地质属性模型可视化

渲染技术：

  • 光栅化：采用局部光照原理，根据光源照射到物体上直接可见的光照效果， 将场景中的几何图元映射到图像的像素点上。这种方式用硬件实现较为简单，且便于并行处理，通常用作实时渲染处理。
  • 光线追踪：采用全局光照模型，通过物理原理对光线和物质之间的交互行为进行建模，不仅考虑直接光照的效果，也考虑物体间相互光照影响，比传统的光栅化渲染效果更加立体，色彩更柔和更逼真，通常用于离线渲染处理。

体数据的面渲染技术-体渲染：体渲染是通过模型表面能看到内部的一种类似于透视展示的一种渲染方法。

  • 直接体渲染
  • 光线投射原理

第六章 三维地学模型分析

DEM分析

地形因子分析：

  1. 微观坡面因子：
  • 坡度：过地表一点的切平面与水平面的夹角。描述地表面在该点的倾斜程度
  • 坡向：地表面上一点的切平面法线在水平面的投影与该点的正北方向的夹角
  • 坡长：沿最大坡度下降方向上，两点间的高程差在水平面上的投影长度
  • 坡度曲率：坡度在空间上的变化程度，即坡度沿某一方向的变化率
  • 坡向曲率：坡向在空间上的变化程度，即坡向沿某一方向的变化率
  • 平面曲率
  • 剖面曲率
  1. 宏观坡面因子：
  • 地形粗糙度：描述了地形表面的复杂程度和不规则性，是地表单元的曲面面积与投影面积之比
  • 地形起伏度：单位面积内最大相对高程差
  • 高程变异系数：地表高程数据的相对变化程度
  • 地表切割深度：地面某点的邻域范围的平均高程与该邻域范围内的最小高程的差值

通视分析：

  1. 视线通视：两点之间的通视性，主要判断任意两点之间能否通视，常见的实现方法有剖面法、射线追踪法
  2. 视域通视：即多点通视，从任一点出发，判断该区域内所有其他点的通视情况，经典的算法是R3算法

水文分析
提取流域的地形特征，模拟水流路径，估算流域的径流量等

  • 水流方向分析-D8算法
  • 汇流累积量：地表径流模拟过程中，通过计算上游栅格的水流方向，确定有多少栅格的水流最终汇流到某一点上。
  • 河流网络提取

地形特征提取
识别和量化地表的坡度、坡向、流域、河流网络等几何和物理属性的过程
地形特征点：山脊线、凹陷点、脊点、谷点、鞍部点

模型切割与网络剖分

三维模型切割中的模型网格

  • CSG（B-Rep）网格：表面是图形网格：表面可以是三角形、四边形、多边形和参数化图形；内部是空心。计算机的显卡内部渲染，都会转化成三角形网格
  • 场模型网络

三维模型切割中的交切对象
三维曲面（不封闭）、三维体（封闭面）、交切基元

模型切割类型
面面相切、面体相切、体体相切

静态切割数据检查与预处理
检查网格的特点和正确性、三角形法向统一方向、建立网络拓扑、网格偏移、旋转、缩放等操作

三角形网格OBB树构建：

  • 建立树状模型OBB
  • 对OBB进行逐级分解、直到每个三角形都构建了自己的OBB
  • 将OBB进行二叉树的树状组织

动态切割
常见的模型的动态切割方法利用构造实体几何模型（CSG）进行布尔运算完成
基本思路：三维模型实时切割主要利用构造实体几何的思想和帧缓存技术。每一帧中，依次计算单个基元哪些面可见， 哪些面被隐藏。同时，将模型的可见性信息存储在图形硬件的深度缓冲区中，通过缓冲区内信息构建切割后模型
算法步骤：

  • 可见部分存储临时深度缓冲区
  • 奇偶运算并标记可见部分
  • 合并缓冲区

网格剖分

  • 结构化网格剖分：对一些规则的区域进行剖分，且实现起来较为简单，但适用范围有限
  • 非结构化网格剖分：可以对任意复杂的区域进行剖分，适用于结构复杂的三维地质模型，不受模型边界的限制，可以保持剖分结果中边界的一致性

四面体剖分
八叉树法、推进前波法、Delaunay法

规则六面体剖分
几何变换法、映射法、基于网格填充法的六面体网格划分

第七章 三维地学模型的应用

资源勘探与应用、城市规划与基础设施、地质灾害与风险评估、地铁规划建设工程

第八章 三维地学建模软件实例