[发明专利]一种在数字地球软件平台上模拟和显示地质钻孔信息的方法

权利要求书

1.一种在数字地球软件平台上模拟和显示地质钻孔信息的方法，其特征在于：建立一个统一的钻孔数据库标准，设置三维建模控制参数，依次将钻探点位信息、钻孔分层散点信息和钻孔管段信息组织成KML格式的钻探点位模型、钻孔分层散点模型和钻孔管段模型，构建基于细节层次模型的海量钻孔模型多尺度表达机制，最后将模型加载到数字地球软件平台中进行可视化及查询、分析；其具体步骤是：

步骤1、钻孔数据规范化及建库

首先，将钻孔资料所蕴含的信息分为三类：钻孔基本信息、地层几何结构信息和地层属性参数信息；

然后，设计四个通用的数据库表格来存储钻孔的基本信息和地层几何结构信息，具体包括：（1）钻孔类别表，存储钻孔类别名称及其对应的代码；（2）钻孔基本信息表，存储钻孔的编号、名称、类别、地理坐标、孔口标高、深度、地下水位、孔径、开工日期、完工日期、现场工程师等基本信息；（3）钻孔分层信息表，存储钻孔中各个地层的分层序号、地层编号、层顶埋深、层底埋深和详细描述；（4）整体地层信息表，存储整体地层序号、地层编号、地层名称、形成年代、地质成因、填充颜色、总体描述等数据项；

接着，使用Microsoft Excel创建一个电子表格文件，并在这个电子表格文件中创建钻孔类别表、钻孔基本信息表、钻孔分层信息表和整体地层信息表等四个工作表，将整理好的钻孔数据导入或录入到相应的工作表中，实现钻孔信息的统一存储、建库；

步骤2、设置三维建模控制参数

设置横向缩放系数S_H、纵向缩放系数S_V和整体抬升高度U三个参数来控制钻孔三维模型的几何尺寸以及钻孔模型在地球空间中的放置高度，其中：横向缩放系数S_H用于控制钻孔在水平方向上的缩放比例；纵向缩放系数S_V用于控制钻孔在竖直方向上的缩放比例；整体抬升高度U用于将钻孔抬升到地形面以上，从而使钻孔三维模型悬挂于实际钻探点位的上方；

使用以下公式计算缩放变换后的孔径（Diameter）和孔深（Depth）：

Diameter = Diameter^’ × S_H；

Depth = Depth^’ × S_V；

式中，Diameter^’为钻孔基本信息表中存储的实际孔径，Diameter为重构钻孔三维模型时需要绘制的孔径，Depth^’为钻孔的实际深度，Depth为重构钻孔三维模型时需要绘制的深度，S_H为横向缩放系数，S_V为纵向缩放系数；

使用以下公式计算整体抬升后的孔口标高Z₀：

Z₀ = Z₀^’ + U；

式中，Z₀^’为钻孔基本信息表中存储的孔口实际标高，Z₀为抬升后的孔口标高，U为整体抬升高度；

步骤3、根据孔口地理坐标生成钻探点位

首先使用KML中的<Style>标签定义钻探点位地标的外观样式，然后从钻孔基本信息表中提取孔口坐标，并使用<Placemark>标签定义钻探点位的地理位置和描述信息，从而以地标的形式来表达地质钻孔在地表的空间分布情况；

定义钻探点位地标的外观样式包括两部分工作：一是代表钻探点位的图标样式，需要定义图标的颜色以及图标文件的引用地址；一是地标说明气泡框样式，需要设置气泡框的背景色、文本前景色和气泡框中显示的文本；

钻探点位所处的地理位置，包括孔口经度和纬度直接从钻孔基本信息表中提取，然后用<Point>标签来定义；与钻探点位相关的描述信息主要是该点位所代表的钻孔的基本信息，从钻孔基本信息表中提取，然后以地标说明气泡框的形式展现出来；使用标准的超文本标记语言（HTML）来描述这类信息，并将其放入CDATA标签，与<Point>标签定义的钻探点位坐标组合在一起，形成钻探点位地标的完整定义；

步骤4、根据钻孔分层信息生成钻孔分层散点

首先从钻孔分层信息表中提取地层分层数据，然后结合钻孔基本信息表中的孔口地理坐标，计算出各个分层散点的三维坐标，接着使用KML中的<Style>标签定义钻孔分层散点的外观样式，最后使用<Placemark>标签定义钻孔分层散点的空间位置及附属信息，以重现钻孔中各个分层散点在三维空间中的相对位置；

钻孔分层散点的经度、纬度与该孔的孔口经度、纬度相同，直接从钻孔基本信息表中提取；为计算钻孔分层散点的高程，须首先从钻孔分层信息表中提取该孔第i层地层的层顶埋深Z_{i_From}、层底埋深Z_{i_To}，其中i ≥ 1，然后使用以下公式计算各个分层散点的高程值：

Z_i= Z₀ - Z_{i_From} × S_V ;

Z_i+1 = Z₀ - Z_{i_To} × S_V ;

式中，Z_i为该孔第i个分层散点的高程，Z_i+1为第（i+1）个分层散点的高程，Z₀为整体抬升后的孔口标高，Z_{i_From}为第i层的层顶埋深，Z_{i_To}为第i层的层底埋深，S_V为纵向缩放系数；

定义钻孔分层散点的外观样式包括三部分工作：一是代表钻孔分层散点的图标样式，需要定义图标的颜色以及图标文件的引用地址；二是用来标示每个分层散点高程的高程标注样式，需要定义高程标注的颜色及缩放比例；三是钻孔分层散点说明气泡框样式，需要设置气泡框的背景色、文本前景色和气泡框中显示的文本；

计算出钻孔分层散点的三维坐标之后，使用<Point>标签来定义各个散点的空间位置；与钻孔分层散点相关联的描述信息包括该散点的上覆地层信息、下伏地层信息以及该散点所属的钻孔的基本信息，可放入分层散点说明气泡框来展现；使用标准的HTML来定义这类描述信息，并将其放入CDATA标签，然后将其与<Point>标签定义的钻孔分层散点坐标组合在一起，形成钻孔分层散点地标的完整定义；

步骤5、根据钻孔分层信息生成管状实体模型

首先从钻孔分层信息表中提取地层分层信息，然后结合钻孔基本信息表中的孔口地理坐标，计算出各个管段控制节点的三维坐标，接着使用KML中的<MultiGeometry>标签定义管段的空间位置，使用<Style>标签定义管段的外观样式，使用标准的HTML定义管段的描述信息，最后将以上信息统一放入<Placemark>标签内，以重现钻孔的三维立体形态；

使用正十二棱柱来模拟钻孔的各个管段；对于一个特定的管段，通过以下公式计算出正十二棱柱顶面上各个顶点的三维坐标即经度、纬度和高程：

X_j = X_From + Diameter / 2 × Sin(30⁰ × j) ;

Y_j = Y_From + Diameter / 2 × Cos(30⁰ × j) ;

Z_j = Z_From;

式中：j为正十二棱柱顶面上各顶点的序号，j = 1,…,12; X_j、Y_j、Z_j分别为第j个顶点（P_j）的经度、纬度和高程；X_From、Y_From、Z_From为该顶面上地层分层散点（P_From）的经度、纬度和高程；Diameter为缩放变换后的孔径；

使用上面的公式，同样可计算出正十二棱柱底面上各个顶点的三维坐标；

这时，须用位于正十二棱柱底面的地层分层散点（P_To）的经度（X_To）、纬度（Y_To）和高程（Z_To）代替P_From的坐标； 

计算出管段控制节点的三维坐标之后，即可使用KML中的<MultiGeometry>标签来定义钻孔管段的空间位置；每个管段均由14个多边形围成，包括1个顶面（正十二边形）、1个底面为正十二边形和12个侧面为矩形；使用<Polygon>标签定义这14个多边形；

定义钻孔管段的外观样式包括两部分工作：一是代表钻孔管段的正十二棱柱的各个多边形的样式，需要定义多边形的填充颜色；一是钻孔管段说明气泡框样式，需要设置气泡框的背景色、文本前景色和气泡框中显示的文本；

与钻孔管段相关联的描述信息包括该管段所代表的地层信息以及该管段所属钻孔的基本信息，这些信息可放入钻孔管段说明气泡框来展现；使用标准的HTML来定义这类描述信息，并将其放入CDATA标签，与<MultiGeometry>标签定义的钻孔管段多边形组合在一起，形成钻孔管段的完整定义；

步骤6、构建基于LOD的海量钻孔模型多尺度表达机制

首先将前述各步生成的模型归并为两种不同的尺度：一种是适合于宏观大范围场景显示的低细节层次的模型，包括钻探点位模型；另一种是适合于局部区域小范围显示的高细节层次的模型，包括钻孔分层散点及管状实体模型，然后使用KML中的<Region>、<Lod>、<NetworkLink>标签，定义控制多尺度钻孔模型加载及显示的参数，以实现海量钻孔模型在数字地球平台上的快速存取、及时更新和实时渲染；

作为低细节层次的模型，钻探点位模型的数据结构比较简单，数据量也很小，适合于在大范围低分辨率场景下展示大量的地质钻孔的场合；钻孔管段及分层散点模型则是高细节层次的模型，其数据结构复杂，数据量也比较大，只适合于在局部区域小范围高分辨率场景下显示少量钻孔的内部细节的场合；

步骤7、在数字地球平台上进行三维可视化及查询、分析操作

将生成的钻孔模型加载到数字地球平台如Google Earth、NASA World Wind、Microsoft Virtual Earth、ESRI ArcGIS Explorer中，进行可视化展示与三维分析；基于数字地球软件平台，不仅将钻探点位直接展示在起伏的地形以及清晰的遥感影像图上，还浏览、分析钻孔的三维模型；通过鼠标和键盘等交互设备，在三维空间中选取特定的钻探点位、钻孔管段及分层散点，查询与这些空间对象相关联的属性信息。