地學數(shù)據(jù)可視化，也就是地球信息科學中的可視化（Visualization in Geoinformatics），可簡稱為地學可視化。

地學可視化是科學計算可視化與地球科學相結合而形成的概念，是關于地學數(shù)據(jù)的視覺表達與可視分析。把地學數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視的圖形這一工作，對地學專家而言并不新鮮。測繪學家的地形圖測繪與編制，地理學家和地質(zhì)學家使用的地學圖解或圖譜，地圖學家的專題制圖與綜合制圖等，都是用圖形（地圖）表達對地學世界現(xiàn)象與規(guī)律的認識和理解（陳述彭，1957、1991）。因而我們認為地學數(shù)據(jù)可視化包括了地圖可視化、地理數(shù)據(jù)可視化、GIS可視化、地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化及其他專業(yè)應用領域可視化（龔建華等，2000）。

1.地圖可視化

地圖可視化（Visualization in Cartography）即地圖學中的可視化或地圖信息的可視化。地圖信息實際上就是地學信息。過去和現(xiàn)在，地圖本身一直就是地學信息的載體。過去地學信息被地圖學家制成可視的紙質(zhì)地圖，像用圖形傳輸?shù)貙W信息，因而它本身也是一種可視化產(chǎn)品。陳述彭先生以其多年的地圖／地理工作的理論和實踐經(jīng)驗積累，從非可視化角度并遠早于科學計算可視化提出地學多維圖解模式，試圖應用地圖這個可視化工具來解決特定的地學問題，獲取對地學現(xiàn)象新的理解和認知。后來計算機科學技術發(fā)展，地圖學家把計算機引進地圖學，計算機制作地圖是先由地圖學家把地學信息生成數(shù)字地圖，然后通過符號化變成可視的屏幕電子地圖供用戶使用，所以地圖數(shù)據(jù)可視化就是把不可視的數(shù)字地圖或人腦中形成的心像地圖變成可視化電子地圖的過程。由于這一新型電子地圖的生成過程是由對原始地學信息的圖解處理過程得到的，所以又可稱其為“地學信息圖解”。地圖學家Taylor在1994年指出“可視化是現(xiàn)代地圖學的核心”（Taylor，1994），并倡議在1995年國際制圖學會（ICA）上成立了一個新的專門委員會，在1996年6月與計算機圖形協(xié)會（The Association for Computing Machinery’s Special Interest Group on Graphics，ACM SIGGRAPH）合作，開始一個名為“Carto Project”的研究項目，其目的是探索計算機圖形學的技術與方法如何更有效地應用在地圖學與空間數(shù)據(jù)分析方面，以促進科學計算可視化與地圖可視化的連接和交流。結論普遍認為，地圖可視化實質(zhì)上是視覺交流傳輸和認知分析兩個方面。陳述彭先生1998年又在地學信息多維圖解和科學計算可視化的基礎上提出了“地學信息圖譜”的概念（陳述彭，1998）。作者認為，“地學信息圖譜”就是現(xiàn)代地學信息圖解和地圖科學計算可視化的結果、產(chǎn)品或形式，就好像紙質(zhì)地圖是傳統(tǒng)地學圖解和手工制圖的結果、產(chǎn)品或形式一樣；或者好像電子地圖（含交互交融地圖、動態(tài)地圖、虛擬地圖、多媒體地圖或超媒體地圖等）是現(xiàn)代地學信息圖解和計算機多維動態(tài)制圖的結果、產(chǎn)品或形式一樣，即地學信息圖譜是一種綜合地學信息圖解的圖形圖像可視化表達與分析應用的工具、形式與手段（陳述彭，2001）。

所以，地圖可視化是地圖／地理學家把可視化引入地圖學而形成的概念，它是研究可視化在地圖學中的作用、理論和方法的科學。

2.地理數(shù)據(jù)可視化

地理數(shù)據(jù)可視化（Visualization in Geography）是地學可視化中另一個被使用的概念。地理數(shù)據(jù)可視化是地圖／地理學家把可視化引入地理科學而形成的概念，它是研究可視化在地理科學中的作用、理論和方法的科學。

Mac Eachren（1994）開始時采用地圖可視化，但他認為地理可視化要大于地圖可視化的研究范圍，如遙感圖像、圖表、攝影影像等現(xiàn)象中的可視化在地圖可視化中并不作為重點研究的對象，而是屬遙感數(shù)字圖像處理的遙感地學信息分析計算可視化。所以，目前他傾向于采用地理可視化，認為地理數(shù)據(jù)可視化包含了所有空間顯示工具，而所有空間顯示的集合就是現(xiàn)代地圖學中所指的可視化。

龔建華等認為，地圖學與地理學作為兩門經(jīng)典學科，其研究對象均為地球表層系統(tǒng)中的地理環(huán)境，但前者側重于地理空間信息的地圖表達與應用，后者則把地圖作為一種重要的研究工具來解決地理問題，而可視化具有的視覺交流傳輸和視覺認知分析特征，則可作為橋梁把地圖學與地理學緊密地聯(lián)結在一起。所以，雖然地理可視化可認為來自于可視化與地理學的結合，地圖可視化來自于可視化與地圖學的結合，但是由于可視化具有連接和融合地理學與地圖學的特點，自然而然，地圖可視化與地理可視化是應屬于本質(zhì)同一的兩個概念，只是常規(guī)學科領域的劃分以及研究團體的不同，導致在研究內(nèi)容及范圍的認識上有所側重。所以Mac Eachren采用地理可視化，而不傾向于地圖可視化的原因，仍然是從地理學與地圖學領域的經(jīng)典研究特征出發(fā)，而不是著眼于可視化的新技術特征，從而反映出學科領域劃分對問題認識所帶來的影響是多么深刻。

GIS可視化（Visualization in Geographic Information System）是研究地理信息系統(tǒng)中關于可視化的理論、方法和技術的科學（龔建華，2000）。20世紀60年代發(fā)展起來的基于計算機的地理信息系統(tǒng)開始形成時，就利用計算機圖形軟、硬件技術，把地理空間數(shù)據(jù)的圖形顯示與分析作為基本的、不可缺少的功能，因而GIS可視化的提出要早于科學計算可視化。GIS可視化早期受限于計算機二維圖形軟、硬件顯示技術的發(fā)展，大量的研究放在圖形顯示的算法上，如畫線、顏色設計、選擇符號填充、圖形打印等。繼二維可視化研究后，進一步發(fā)展為對地學等值面（如數(shù)字高程模型）的三維圖形顯示技術的研究，它是通過二維到二維的坐標轉(zhuǎn)換、隱藏線與如消除、陰影處理、光照模型等技術，把三維空間數(shù)據(jù)投影顯示在二維屏幕上。由于對地學數(shù)據(jù)場的表達是二維的，而不是真三維實體空間關系的描述，因此屬于2．5D可視化。但現(xiàn)實世界是真三維空間的，二維GIS無法表達諸如地質(zhì)體、礦山、海洋、大氣等地學真三維數(shù)據(jù)場，所以從20世紀80年代末以來，真三維GIS及其體可視化成為GIS的研究熱點。隨著全球變化、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境科學等的發(fā)展，時間維越來越受到重視。而計算機科學的發(fā)展，如處理速度加快、處理與存儲數(shù)據(jù)的容量加大、數(shù)據(jù)庫理論的發(fā)展等使得動態(tài)地處理具有復雜空間關系的大數(shù)據(jù)量成為可能，從而使得時態(tài)GIS（TGIS）、時空數(shù)據(jù)模型、圖形實時動態(tài)顯示與反饋等的研究方興未艾。所以從GIS及其可視化的發(fā)展看，GIS可視化著重于技術層次，如數(shù)據(jù)模型（空間數(shù)據(jù)模型、時空數(shù)據(jù)模型）的設計，二維、三維圖形的顯示，實時動態(tài)處理，時空多維動態(tài)模擬等，目標是用圖形圖像呈現(xiàn)地學處理和分析的結果。

3.地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化

地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化包括二維地質(zhì)圖可視化和三維地質(zhì)模型可視化。二維地質(zhì)圖可視化可以借鑒地圖可視化的手段來實現(xiàn)。而三維地質(zhì)模型可視化是地質(zhì)三維建模的基礎，是地質(zhì)信息科技領域的重要研究方向。近年來，隨著地質(zhì)礦產(chǎn)工作信息化的不斷推進，地質(zhì)三維建模技術和地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化問題受到越來越多的重視。所謂地質(zhì)三維建模，就是利用地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化技術進行地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的三維數(shù)字化抽象、重構和再現(xiàn)。實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化的目的，是便于在更加真實、直觀和形象的條件下進行現(xiàn)象分析、模型抽象、實體重構、科學計算、過程再現(xiàn)、知識發(fā)現(xiàn)、成果表達、評價決策和工程設計，也就是說不僅僅是為了好看，更主要的是為了好用。因此，地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維可視化具有科學研究、決策支持、輔助設計等多方面的屬性（吳沖龍，2011）。

1）地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化屬性

科學研究應當是地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的第一屬性。地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化具有科學研究屬性的原因在于地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程都不同程度地存在著結構信息不完全、關系信息不完全、參數(shù)信息不完全和演化信息不完全的情況。通常，在地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)過程分析，地質(zhì)礦產(chǎn)資源評價和開發(fā)利用決策時，對于大量的不確定因素，要依靠技術人員或者領導者本身進行定性理解、定量估算和關系描述，并結合時空數(shù)據(jù)模型和時空分析模型來進行分析、預測、評估和輔助決策。從數(shù)學邏輯的角度看，這是一種半結構化或不良結構化甚至非結構化問題。經(jīng)驗表明，數(shù)據(jù)可視化是描述、表達和理解各種半結構化甚至非結構化問題的關系和模型的最佳方法和手段。這也正是地礦研究與勘查成果總是用圖件形式來表達的原因。面對多維的地質(zhì)時空信息，僅僅有二維圖件是不夠的，需要實現(xiàn)三維建模與分析。

基于地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的科學研究屬性，其概念的外延大致包括科學計算可視化（Visuali－zation in Scientific Computing）、可視化分析（Visual Analysis）、可視化表達（Visual Represen－tation）、可視化顯示（Visual Display）等幾個組成部分。

地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的第二個屬性是空間決策支持。之所以如此，是因為地質(zhì)調(diào)查、工程勘查、礦床資源勘探的數(shù)據(jù)處理和應用，最終要提交區(qū)域地質(zhì)結構及其演化、工程地質(zhì)條件和礦產(chǎn)資源可利用性評價成果，為資源的開發(fā)利用和重大工程建設提供多方案比較、選優(yōu)的決策支持，而地質(zhì)與資源信息普遍具有空間信息特征，其決策支持屬于空間決策支持范疇?？臻g決策支持可視化同樣涉及可視化計算、可視化分析、可視化表達、可視化顯示等幾個部分。由于空間決策支持在國土資源，能源勘查、開發(fā)、管理，環(huán)境保護和地質(zhì)災害防治領域具有顯著的地位，空間決策支持可視化自然也就成為地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化的第二個重要屬性。這就是說，如何更好地為空間決策支持服務，是地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化研究必須面對的問題。

為了說明這個問題，有必要從GIS決策支持可視化研究談起。李峻曾經(jīng)從空間決策支持認知過程出發(fā)，系統(tǒng)地研究了如何在一個完整的空間認知過程中交互、動態(tài)地獲取并傳遞知識的問題。一般來講，空間決策支持認知過程可表達為數(shù)據(jù)（Data）→信息（Information）→知識（Knowledge）→智力（Intelligence）。在這個過程中，確定數(shù)據(jù)（Data）的形態(tài)、結構、關聯(lián)和一致性的操作將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔ⅲ↖nformation），對信息的科學歸納和對因果關系的探求將信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹R（Knowledge），而當把知識應用于新的思想并對時空關系和未來發(fā)展趨勢進行有目的的考察時，知識就轉(zhuǎn)變成了智力（Intelligence）。這個從知識到智力的認知過程，實際上與可視化工具概念模型中的認知過程是對應一致的，可以用一個基于決策支持的認知過程的可視化工作流程圖來表示（圖1-6）。

圖1-6 基于決策支持認知過程的可視化工作流程

在地質(zhì)空間決策支持的認知過程中，不僅要求實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和分析結果的可視化，還要求實現(xiàn)分析規(guī)則、分析過程和決策過程的可視化。這種具有認知、分析作用并完整地面向分析過程和結果的可視化，稱為探索可視化（Exploratory Visualization）或分析可視化（Analytical Visualization）。采用可視化的手段來進行數(shù)據(jù)探索，完成對半結構化或不良結構化問題的關系描述、信息提取、知識合成和智力表達，能夠直觀而形象地獲得針對目標問題的對象認知和解決辦法，進而顯著地提高空間決策支持的有效性，是空間信息科技的重要發(fā)展方向。

隨著空間信息技術和空間決策支持的興起，GIS研究的重點從空間數(shù)據(jù)管理逐漸向空間數(shù)據(jù)分析方向轉(zhuǎn)變，常規(guī)的空間量算、信息分類、疊加分析、網(wǎng)絡分析、緩沖分析、空間變換和內(nèi)插、空間統(tǒng)計分析等空間分析方法已經(jīng)不能滿足地質(zhì)信息決策支持的要求，常規(guī)的多維、多源數(shù)據(jù)及其分析結果的顯示技術，也不能滿足空間決策支持認知過程的可視化需求。人們已經(jīng)普遍意識到，對復雜空間決策支持問題的解決不是由單一結構化的空間分析或可視化顯示獨立完成的，而是由多個可視化顯示和空間分析模塊相互交融，在思維與分析層次上對空間知識進行挖掘、傳輸與交流的復合過程來完成的。為此，可視化的研究逐步從主要圍繞結果的表達與顯示、偏重于技術層次的狀況向思維與分析層次發(fā)展，即向多維動態(tài)、交互分析、數(shù)據(jù)挖掘、信息提取、信息傳輸、知識發(fā)現(xiàn)和智力表達的方向發(fā)展，并且聚焦于探索可視化分析（Exploratory Visual Analysis）?？臻g決策支持認知過程可視化技術隨之從空間探索、確認、合成、表達這一過程的兩端向中間靠攏，力求實現(xiàn)可視化思維和可視化交流的相互交融，形成一個兼有二者特點的工具。

GIS領域的可視化技術研究進展對于地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化而言，有重要的借鑒作用。這種高級可視化將有效地提高對這種不良結構化或半結構化問題的感知力、洞察力、分析力和描述力，地質(zhì)信息科技正是在借鑒地理信息科技成果的基礎上取得進展的。經(jīng)過地質(zhì)信息科技領域廣大研究者的共同努力，地質(zhì)礦產(chǎn)信息系統(tǒng)的可視化技術不僅具備了信息和知識的交流傳遞作用，還具有很強的動態(tài)和交互特性，用戶可根據(jù)需要自行訂制待瀏覽對象、可視方法和顯示形式，并可對整個過程修改編輯，多角度地觀察復雜空間對象及其空間關系，直至獲得對科學決策的合理支持。簡言之，當前空間決策支持認知過程的可視化思維（Visual Thinking）的交互性和可視化交流（Visual Communication）的公眾性，已能較好地滿足地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)和工程建設領域空間決策支持的交互、反復和共享的操作要求。

地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化第三個屬性是工程設計。目前我國有一大批在建、待建的大型水利水電工程。這類工程涉及面廣，影響因素眾多（水文、地形、地質(zhì)等），且設計和建設周期長，其設計和施工非常復雜，如何借助地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化提高設計效率和施工管理水平是一個難題。通過大型水利水電工程三維動態(tài)可視化設計，可實現(xiàn)施工全過程的仿真建模、仿真計算和仿真成果的可視化分析，為描述和揭示復雜工程施工系統(tǒng)的內(nèi)部機理和規(guī)律提供了理論基礎；可實現(xiàn)大型地下廠房在真實地質(zhì)環(huán)境中的交互設計與優(yōu)化，完成地下硐室群施工過程與圍巖穩(wěn)定耦合的動態(tài)仿真模型，提出施工順序與機械設備配套的多方案優(yōu)化方法；可以為合理制訂施工進度計劃、施工動態(tài)實時分析、確定施工機械配置和施工支硐布置提供依據(jù)。當然地質(zhì)工程三維可視化設計遠遠不只在水利水電工程中應用，比如在固體礦床的三維開采設計、油氣鉆井三維軌跡設計、城市地下空間利用設計、滑坡治理工程設計等。因此地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化必須要能實現(xiàn)三維環(huán)境下的可視化設計。

2）地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化的分類

由于地質(zhì)工作性質(zhì)的特殊性，地質(zhì)信息系統(tǒng)可視化的內(nèi)容更為豐富，而形式也更為復雜。一般來說，在地理科技領域，人們主要關心諸如地形地貌、地物景觀等表面現(xiàn)象；而在地質(zhì)科技領域，人們最關心的是地下地質(zhì)結構和成分的空間分布。因此，在地理信息科技領域，人們多關注“面三維”可視化技術的開發(fā)和應用；而在地質(zhì)信息科技領域，人們多關注“體三維”可視化技術的開發(fā)和應用。從應用的角度看，地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化可分為表達可視化、分析可視化、過程可視化、設計可視化和決策可視化五類。

表達可視化泛指原始數(shù)據(jù)和計算成果以圖形或圖像的形式在屏幕或其他介質(zhì)上的顯示。其內(nèi)容從圖形圖像的角度看，大致包括原始數(shù)據(jù)的符號化顯示，一般科學計算結果的餅圖、直方圖、曲線圖、等值線圖和曲面圖顯示、放大、縮小、漫游、閃爍、拖動等，專業(yè)分析處理結果的柱狀圖、剖面圖、平面圖、三維地形圖、三維地質(zhì)圖和表格、文字、數(shù)字的顯示、放大、縮小、漫游、閃爍、拖動等。從地質(zhì)科學的角度看，則包括地下復雜結構表達可視化和成分表達可視化兩類。表達可視化是地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化的基礎，貫穿于其他各類可視化之中。

分析可視化指在可視化環(huán)境中進行的各種地質(zhì)空間決策分析。其內(nèi)容大致包括各種地質(zhì)專業(yè)的二維或三維空間統(tǒng)計分析、多重分形分析、疊加分析、網(wǎng)格分析、緩沖分析、幾何量算、矢量剪切分析等。分析可視化是地質(zhì)空間決策支持認知過程可視化的核心，其實現(xiàn)需要通過表達可視化來完成。之所以將其單獨分出來，主要是強調(diào)地質(zhì)空間問題分析過程的可視化及其分析過程的沉浸感（Impressive）、動態(tài)性（Dynamic）和人機交互（Interactive）特征。

過程可視化指在體三維環(huán)境中開展各種可視化的地質(zhì)過程動態(tài)模擬，如造山作用動態(tài)模擬的可視化、構造變形作用動態(tài)模擬的可視化、沉積作用動態(tài)模擬的可視化、巖漿（侵入和火山）作用動態(tài)模擬的可視化、油氣成藏作用動態(tài)模擬的可視化、金屬礦產(chǎn)形成動態(tài)模擬的可視化、各類地質(zhì)災害形成作用動態(tài)模擬的可視化以及所有這些地質(zhì)作用的可視化虛擬仿真（虛擬現(xiàn)實）等。過程可視化同樣需要通過表達可視化來實現(xiàn)，單獨分為一類是因為計算機動態(tài)模擬是研究和認識地質(zhì)過程的重要途徑和方式，同時強調(diào)其自然過程的可視化重建和再現(xiàn)。

設計可視化指在體三維可視化環(huán)境中進行各種地質(zhì)工程設計，主要包括鉆孔（井）設計可視化、礦山地下井巷設計可視化、地質(zhì)災害治理工程設計可視化、引水工程設計可視化、水電工程設計可視化、鐵路公路隧道設計可視化、地下鐵路設計可視化、地下硐室工程設計可視化等。同樣，設計可視化也要通過表達可視化這一途徑來實現(xiàn)。單獨分為一類也是因為地質(zhì)工程設計本身的重要性以及地質(zhì)工程設計工作對可視化的需求最為強烈。地質(zhì)工程設計歷來是采用二維可視化方式進行的（即2DCAD），向三維可視化方式（即3DCAD）發(fā)展是必然的趨勢。

決策可視化指在體三維可視化環(huán)境中進行礦產(chǎn)資源潛力或工程地質(zhì)條件評價，進行各類礦產(chǎn)資源開發(fā)和地質(zhì)工程設計的多方案比較選優(yōu)決策，也包括地質(zhì)災害預警、防治、應急預案制定、決策可視化和抗災救災的現(xiàn)場應急指揮等。在三維可視化條件下，領導者或決策者可以直觀、形象地了解專家的決策認知過程、依據(jù)和成果，如同身臨其境地考察各個決策方案的合理性，進而作出自己的判斷和決策，甚而實施應急指揮。在實現(xiàn)了地質(zhì)空間決策認知過程各環(huán)節(jié)可視化的基礎上，有必要進一步實現(xiàn)決策可視化。特別是當?shù)刭|(zhì)結構和成分復雜而決策者和指揮者又非專業(yè)人員時，這種空間決策可視化就顯得更為重要了。

圖1-7 地質(zhì)體三維可視化建模與挖刻分析實例

目前，上述各種面向過程、具有地質(zhì)空間認知能力的可視化技術，在國內(nèi)已經(jīng)成功地應用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、城市地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)勘查設計、礦產(chǎn)和水文地質(zhì)勘查、礦山和油田資源開發(fā)、礦權管理、儲量估算、水利水電工程和地質(zhì)災害勘查治理等專業(yè)領域的決策支持中，有力地提高了地礦資源的分析、評價、管理和輔助決策水平。地礦勘查和管理人員可以根據(jù)實際需要，利用三維可視化技術對指定范圍內(nèi)的地質(zhì)體和資源量進行統(tǒng)計分析，可以對地質(zhì)體進行任意方向的矢量化剪切和截取任意形態(tài)的剖面圖、切面圖、柵狀圖，并且可以在感興趣的區(qū)域內(nèi)任意地進行刻槽、挖坑和穿洞分析（圖1-7）。利用三維動態(tài)顯示技術和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術提供的具有沉浸感（Impressive）、構想性（Imagination）、交互性（Interactive）的環(huán)境和工具，還可以開展盆地和造山帶地質(zhì)過程分析、工程地質(zhì)條件和資源可利用性評價，開展盆地構造演化過程、層序地層生成過程、造山帶構造演化過程、油氣生排運聚散過程和地質(zhì)災害發(fā)生、發(fā)展、應急過程的三維動態(tài)模擬和仿真，并且從任意角度以不同分辨率來瀏覽模擬或仿真結果（圖1-7）。

總之，可視化已經(jīng)成為目前地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程時空分析、地質(zhì)礦產(chǎn)資源評價與空間決策支持所不可或缺的技術和手段。鑒于上述“五個可視化”在地質(zhì)空間決策支持認知過程方面具有重要意義以及其實現(xiàn)具有較高的技術難度，能否真實而又完全地實現(xiàn)“五個可視化”已經(jīng)成為檢驗所有三維可視化地質(zhì)信息系統(tǒng)軟件的水平和質(zhì)量的試金石。

3）地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的關鍵技術

三維地質(zhì)建模與分析技術是實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的基礎，其中包括合理的基礎三維數(shù)據(jù)結構、海量三維數(shù)據(jù)體的存儲和快速調(diào)度、三維地質(zhì)體的數(shù)字化的快速建模技術、三維數(shù)字地質(zhì)體的局部快速動態(tài)更新技術、三維數(shù)字地質(zhì)體的快速任意矢量剪切技術、三維數(shù)字地質(zhì)體的多樣化空間分析技術和三維數(shù)字地質(zhì)體的快速動態(tài)建模技術。三維地質(zhì)建模與分析技術是實現(xiàn)上述“五個可視化”的基本保證，也是目前地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的關鍵技術和研究熱點所在。

（1）合理的基礎三維數(shù)據(jù)結構。合理而有效的三維數(shù)據(jù)結構是實現(xiàn)地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的“五個可視化”的核心問題。目前在地質(zhì)空間采用的三維數(shù)據(jù)結構模型一般分為幾何對象模型、屬性對象模型和拓撲關系模型。這三個模型分屬三個不同的層次和方面：幾何模型用于描述地質(zhì)體的形態(tài)和空間展布；屬性模型用于存儲、管理地質(zhì)實體的定性或定量的描述信息；拓撲關系模型則主要用于描述兩個和兩個以上地質(zhì)實體之間的關系以及單個復雜地質(zhì)實體內(nèi)部的各個子實體之間的拓撲關系。屬性模型和幾何模型之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。當對屬性模型進行可視化時，其實質(zhì)就是屬性模型向幾何模型的轉(zhuǎn)換；當對幾何模型進行查詢統(tǒng)計時，其實質(zhì)就是幾何模型向?qū)傩阅Ｐ偷霓D(zhuǎn)換。地質(zhì)體本身是一個整體，其描述模型的劃分只是人為的結果，這種劃分在很大程度上限制了三維地質(zhì)體模型的動態(tài)重構與局部快速更新。能否用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構模型來表達和管理真實的三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，是需要進一步解決的重大關鍵技術問題之一。近年來，國內(nèi)許多研究者都曾經(jīng)對地質(zhì)體的三維數(shù)據(jù)結構模型做過一些深入的探討。

（2）海量三維數(shù)據(jù)體的存儲和快速調(diào)度技術。海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)的存儲和快速調(diào)度是實現(xiàn)地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的“五個可視化”的基礎。為了實現(xiàn)分析、設計和決策可視化，地質(zhì)信息系統(tǒng)必須能展現(xiàn)和管理非均質(zhì)和非參數(shù)化的實體，單個地質(zhì)體的幾何數(shù)據(jù)量往往是地表普通建筑物的幾何數(shù)據(jù)量的幾十倍乃至幾十萬倍，外加相關的屬性數(shù)據(jù)和拓撲關系數(shù)據(jù)，對于大范圍的海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量已遠遠超出現(xiàn)有常規(guī)GIS的三維空間數(shù)據(jù)管理和處理能力。多線程動態(tài)調(diào)度方法、自適應的三維空間數(shù)據(jù)多級緩存方法、基于可視化計算與調(diào)度任務關聯(lián)信息的預調(diào)度機制以及多級三維空間索引技術的提出，或許能夠推進海量三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)有效存儲和管理問題的解決。

（3）三維地質(zhì)體的快速建模技術。三維地質(zhì)體的快速建模技術是三維地質(zhì)信息系統(tǒng)大規(guī)模推廣應用的前提條件。三維地質(zhì)體的建模速度決定了三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的實用性能。最理想的情況是軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠復雜地質(zhì)體和地質(zhì)過程的全自動建模，但迄今為止并未完全實現(xiàn)。為了提高三維地質(zhì)信息系統(tǒng)的實用性，必須對三維地質(zhì)體的快速建模方法進行研究，主要包括研究如何提供方便快捷的交互建模工具、研究限定條件下三維地質(zhì)體模型的自動或半自動建模問題等關鍵技術問題。

（4）三維數(shù)字地質(zhì)體的局部快速動態(tài)更新技術。三維數(shù)字地質(zhì)體的局部快速動態(tài)更新技術是目前地質(zhì)空間建模研究的熱點與難點問題之一。地質(zhì)空間建模按照技術層次分為五個階段，即模型可視化階段、模型度量階段、模型分析階段、模型更新階段和時態(tài)建模階段。前三個階段屬于靜態(tài)建模，后兩個階段屬于動態(tài)建模。三維靜態(tài)建模方法與動態(tài)建模方法的本質(zhì)區(qū)別在于建立的三維地質(zhì)模型是否可以進行模型的快速更新與重構，地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的勘探研究都是一個漸進的過程，這就要求三維地質(zhì)體模型的建模也是一個增量建模的完善過程，能實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的局部快速動態(tài)更新?；阢@孔的連續(xù)地層序列匹配、基于非共面剖面拓撲推理和基于凸包剪切、限定散點集剖分的動態(tài)重構算法是該領域近期的新研究成果。該方法對于研究區(qū)域地質(zhì)背景有假定前提，還不能適應任意復雜的地質(zhì)環(huán)境。顯然，要妥善地解決這個問題，還需要進一步加強對三維數(shù)據(jù)結構及其相關三維實體重構方法等關鍵技術的研究和開發(fā)。

（5）三維數(shù)字地質(zhì)體的快速矢量剪切技術。在建立了三維數(shù)字地質(zhì)體模型的基礎上，可進行各種挖刻和剪切分析，進而可統(tǒng)計開挖量或分析地質(zhì)結構，為地質(zhì)條件研究、地下工程建設、采礦生產(chǎn)安排提供分析、設計工具。根據(jù)所采用的空間數(shù)據(jù)模型，矢量剪切分析有體剪切技術、空間分區(qū)二叉樹技術、面剪切技術等。它包括規(guī)則的空間線、面、體等之間的矢量剪切，也包括不規(guī)則的空間線、面、體等之間的矢量剪切。如復雜的地表面與工程實體之間的矢量剪切分析、復雜的地質(zhì)體與工程實體之間的矢量剪切分析。對于具有三維復雜結構的大規(guī)模數(shù)字地質(zhì)體矢量剪切分析，可采用三維空間索引、多級緩存技術和基于BSP（Binary Space Partition，空間二分樹）的快速面片裁剪算法，對三維索引邊界進行并行快速布爾運算判定，再通過后臺裁剪運算快速重構裁剪后的三維空間實體關系，并提高其準確性、可靠性和效率。

（6）三維數(shù)字地質(zhì)體的多樣化空間分析技術?；谌S數(shù)字地質(zhì)體的真三維空間分析功能，既是地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化軟件區(qū)別于二維軟件和計算機圖形學的主要特征之一，也是評價一個三維地質(zhì)礦產(chǎn)信息系統(tǒng)功能的主要指標之一。三維空間分析涉及到大量空間數(shù)據(jù)的運算和復雜空間關系的判斷，如何保證針對異構的三維數(shù)字地質(zhì)體空間分析的準確性、效率和可靠性，適應地礦勘查工作的多主題要求，是地質(zhì)信息技術的共性難點問題。目前，建立有效的、多樣的空間分析方法模型，為地質(zhì)礦產(chǎn)信息系統(tǒng)提供更多、更強大的功能，已成為當前地質(zhì)信息科學領域研究和應用中十分重要的任務。三維數(shù)字地質(zhì)體的空間分析技術通過分析三維地質(zhì)礦產(chǎn)信息系統(tǒng)空間分析的基本內(nèi)容，抽象出三維空間分析的原子分析算法，如三維相交檢測、布爾運算、點集區(qū)域查詢等，具有普適性、多樣化的特征。它既包括通用的三維空間分析技術，如疊置分析、緩沖區(qū)分析、三維網(wǎng)絡分析、三維查詢與度量分析、三維表面分析、三維幾何分析、統(tǒng)計分析等，又在此基礎上針對地質(zhì)礦產(chǎn)信息工作典型的領域開展諸如地質(zhì)體剖面分析、刻槽挖洞分析、柵欄圖分析、管線分析、流域分析、水淹分析、地下工程模擬開挖分析、礦產(chǎn)儲量分析、構造體平衡分析、地層沉降正反演分析等。利用面向地質(zhì)礦產(chǎn)信息的多樣化的三維數(shù)字地質(zhì)體空間分析功能，可以分析地質(zhì)體內(nèi)部的特征和屬性，為了解和掌握地質(zhì)體的組成、結構、穩(wěn)定性、活動規(guī)律和運動機制提供途徑。

（7）三維數(shù)字地質(zhì)體的快速動態(tài)建模技術。基于剖面資料建立的三維數(shù)字地質(zhì)體模型不能動態(tài)重建的問題，長期以來一直困擾著該領域的專家學者。從20世紀90年代末期開始，人們已經(jīng)能夠通過單純的剖分算法來實現(xiàn)空間實體或者規(guī)則空間實體模型的動態(tài)構模，但復雜地質(zhì)體模型是通過大量的人工交互作業(yè)建立的，其中包含過多地質(zhì)知識和人工智能推理過程，單純的剖分算法難以實現(xiàn)其動態(tài)重建。

人們對三維地質(zhì)體動態(tài)建模方法的研究，經(jīng)歷了從純粹的空間構模數(shù)據(jù)結構與算法研究轉(zhuǎn)變?yōu)榻＿^程中的地質(zhì)知識表達、推理與應用研究的過程。人們先后提出了基于表面模型（Subsurface Model）的時空約束規(guī)則及其診斷問題，探討了空間與時態(tài)推理在地質(zhì)建模中的應用可能；基于地質(zhì)語義的概念，對地質(zhì)一致性（Geological Consistency）問題進行了探討；討論了地質(zhì)解釋過程中的人工智能推理算法，提出了不確定性下的地質(zhì)推理分析并將其應用于地下水體重構研究，研究了基于用例推理的地質(zhì)構造建模方法和基于SEM（Shared Earth Model）、面模型的油氣盆地模型知識驅(qū)動重建方法。

顯然，這些研究成果為基于剖面的地質(zhì)體動態(tài)建模的實現(xiàn)提供了新的思路和途徑，在一定程度上推進了空間推理在地質(zhì)體動態(tài)建模中的應用研究。

目前，在三維地質(zhì)建模方面已經(jīng)出現(xiàn)了一些比較完善的三維地質(zhì)建模軟件，國外的如GOCAD、MVS、Micro Station、Surpac等，國內(nèi)的如Quanty View（原名Geo View）、Geo Mo3D、Titan 3DM等。這些軟件都提供了通過鉆孔（井）、剖面、平面資料進行三維地質(zhì)建模和分析的工具。這些軟件實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)三維綜合建模、顯示和分析，但目前的主要建模方式仍然是靜態(tài)交互的。

總之，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化，不僅僅是為了好看更是為了好用。一個優(yōu)秀的地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化軟件，應當能夠?qū)崿F(xiàn)“表達可視化、分析可視化、過程可視化、設計可視化和決策可視化”五個方面的功能。此外，還需要具備真三維圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化管理和編輯功能，所生成的三維數(shù)字地質(zhì)結構和數(shù)字地質(zhì)體可以支持空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的雙重可視化查詢；要支持采用鉆孔、平硐、槽探、豎井、勘探剖面圖、構造平面圖等進行三維地質(zhì)結構和地質(zhì)體混合建模，還要提供各種專業(yè)化工具，支持DLL庫、控件、組件等多種二次開發(fā)方式。地質(zhì)數(shù)據(jù)三維可視化技術的發(fā)展十分迅速，其未來趨勢是實現(xiàn)地上、地下、地理、地質(zhì)數(shù)據(jù)一體化三維可視化采集、存儲、管理、處理和集成應用以及地質(zhì)建模和數(shù)據(jù)更新的快速化、高效化、動態(tài)化。復雜地質(zhì)結構的表達和快速動態(tài)建模方法與技術，仍將是未來一段時間的研究重點，知識驅(qū)動、數(shù)據(jù)挖掘、本體論思路、方法的引進和應用，可能是解決這些問題的有效途徑。

4.其他專業(yè)應用領域可視化

從應用方面看，不同的地學專業(yè)領域，地學現(xiàn)象與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出很大的不同，如海洋現(xiàn)象是時空四維的，并且隨時在時空結構上發(fā)生變化；而城市與區(qū)域系統(tǒng)則更多的是人文景觀，即表現(xiàn)為多維動態(tài)，并且該空間是人類非常熟悉的（由于人類不能鉆進地下或地塊以及不能在海洋、大氣中自由行走，所以對地質(zhì)、海洋和大氣的時空感知及認知比較艱難和陌生）。根據(jù)實踐與理論方法之間的相互關系，專業(yè)應用領域地學現(xiàn)象的可視化對地學可視化深入發(fā)展并得以持續(xù)的應用與演化將有著重要的意義（龔建華，2000）。