海底多维综合数据建模及可视化技术研究
海底调查和科学研究工作是一项多学科、综合性的海洋调查研究活动。长期的海洋调查研究积累了大量的多源、异构、多维、动态、海量的海底综合数据信息，复杂的数据特点和应用需求为这些海底综合数据动态高效的集成、管理、共享、应用以及显示提出了新的挑战。随着“数字地球”、“数字海洋”的发展，“数字海底”理论和技术正日趋成熟，并且进行着广泛的应用，利用先进的空间信息技术对海底多维综合数据进行管理和共享已经成为近几年的趋势。论文分析了目前“数字海底”发展过程中存在的问题，并且针对其中亟待解决的技术——海底多维综合数据建模技术和可视化技术进行了研究，并将研究结果进行了应用和实践。
论文首先对海底调查和研究的工作流程和数据特点进行了详细的分析，设计了海底调查研究概念模式图，直观地描述了海底调查研究工作复杂的数据流程、内容以及特点。然后采用面向对象的建模方法，运用UML建模语言，从基本特征要素模型、海洋调查基础数据模型和海洋地学研究数据模型几个方面对海底多维综合数据进行了分析和建模，简洁、直观地对复杂的海底调查研究活动以及数据对象的结构和相互关系进行了表达，为海底多维综合数据的集成管理和表达提供了标准的模板和指导。
基于海底多维数据模型对渤海工程地质数据库以及应用系统进行了设计和建设，以渤海海域工程地质钻孔、地质、地球物理勘查信息为主，在整个渤海范围内按空间坐标将海底地形、地貌、底质属性、海底以下浅部地层结构以及海上工程建设资料等所有数据组织起来，提供动态查询、空间分析、专业分析以及网络发布等功能，实现海洋工程地质数据快速高效的存储、共享、应用和显示。
针对海底综合信息三维可视化表达的不足，论文详细分析了地学三维空间构模方法的发展现状，基于海底多维空间信息的应用需求和特点，提出了“剖面-钻孔”海底空间数据构模方法，并对该方法的建模流程、数据模型、剖切算法以及三棱柱体元剖分算法进行了详细的阐述。同时，为了更好地对海底综合信息进行分析，详细表现其内部构造特征，论文对海底可视化交互技术进行了研究，讨论了空间坐标变换、三维跟踪球算法以及二维屏幕坐标向三维空间坐标的映射等技术以及实现方法，为海底多维综合信息在真三维环境下的全面、直观表达和交互分析提供理论和技术基础。
最后，论文基于“剖面-钻孔”海底空间构模方法和可视化交互技术，使用渤海工程地质钻孔资料和剖面资料，采用VC++编程平台和OpenGL图形库，设计开发了海底三维可视化原型系统，并且运用组件技术对系统功能模块进行封装和调用，在实现海底空间对象构造特征的可视化表达的同时，还提供了丰富的交互工具以使用户对海底空间对象进行操作和分析，从而获取对海底空间现象、构造特征和分布规律更全面、直观的认识。
在研究过程中，论文主要在以下几个方面取得了技术突破：
(1)海底多维综合数据建模技术
海底综合调查研究活动专业性强，工作流程和数据特点复杂，多源、异构、多维、动态的特点对海底综合数据的集成管理、共享和应用提出了挑战。目前，海底多维综合数据模型的研究工作还没有系统深入地展开，没有一个很好的方式来简单直观地表达海底调查研究工作的数据流程、内容以及特点。论文通过对海底调查研究工作流程和数据特点进行分析和研究，对海底综合数据对象进行了综合和抽象，提出了反映海底调查研究复杂工作数据流的概念模式图。在此基础上，论文运用面向对象的建模方法和UML建模语言，针对海底多维综合数据的特点，研究并设计了海底多维综合数据模型。该模型能够详细、全面、直观地描述海底综合数据对象的分类、相互关系以及数据类型和结构。该模型采用标准的建模语言，并且独立于数据库管理系统和操作系统平台，不仅有利于用户与开发人员之间的沟通和交流，而且系统开发人员可以很容易的根据该模型进行数据库建设和系统开发。因此，该模型可以为“数字海底”数据库以及应用系统的设计和开发提供模板和指导。
(2)海底综合数据的真三维可视化表达和交互分析技术
目前的地学三维空间构模方法主要集中在利用钻孔数据对地质体进行重构，如果将这些方法应用在钻孔数据稀少的海底空间构模中，其准确性和表达力显然达不到要求。论文针对海洋地学调查研究的应用需求和特点，提出了“剖面-钻孔”海底对象空间构模方法，将海底地质剖面资料和钻孔资料相结合，利用剖面数据的区域覆盖性和有限钻孔数据的准确性，采用剖面地层采样点作为空间构模的主体数据，采用钻孔地层界面点作为空间构模的控制点数据，构建反映海底区域地质构造特征和分布规律的空间模型。同时论文又研究了三维环境下可视化交互分析技术，提出了一套实现海底多维综合数据的可视化表达和交互分析的技术方案。
数字海底;数据建模;三维可视化;剖面钻孔
中国海洋大学
博士
海洋地质
翟世奎;刘保华
2006
中文
P736.12
137
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）