地質(zhì)景觀成因動態(tài)模擬與仿真過程的可視化及仿真動畫

地質(zhì)景觀成因動態(tài)模擬與仿真過程的可視化及仿真動畫

0維可視化及仿真動畫技術(shù)。在地質(zhì)景觀中,三維可視化和模擬工程技術(shù)是地球信息表達的重要方法和熱點技術(shù)之一。地質(zhì)景觀是在內(nèi)、外動力地質(zhì)作用下形成的,其成因和形態(tài)是復(fù)雜多變的,實現(xiàn)地質(zhì)景觀形成演化在時間尺度上進行模擬和仿真表達是很重要的。在地質(zhì)景觀成因模擬及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測研究中,由于現(xiàn)有地質(zhì)資料零亂、冗余和不一致性,且大多是以定性、二維、靜態(tài)形式表達的,缺乏定量、三維和動態(tài)的形式表達。通過三維可視化及仿真動畫技術(shù),許多信息得到了有效組織和整合,建立起相互聯(lián)系,在充分表達時間和空間尺度信息的基礎(chǔ)上,以一種全新、直觀和形象的視覺方式提供給用戶使用,完全可以實現(xiàn)信息的三維動態(tài)表達。除此之外,以三維可視化與仿真動畫軟件——3DSMAX為例,利用該軟件的“動力學(xué)對象”進行地質(zhì)災(zāi)害方面的數(shù)值模擬,以及使用它提供的大量的動畫選項和腳本開發(fā)出更高一級的動畫控制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的鏈接,從而實現(xiàn)信息的定量表達。當前,使用該軟件進行人為景觀建模和動畫制作居多,而進行地質(zhì)景觀的建模和仿真動畫制作較少。本文利用3DSMAX對長白山火山1000a前爆發(fā)所形成的地質(zhì)景觀進行成因動態(tài)模擬與仿真研究,實現(xiàn)長白山火山景觀信息的科學(xué)和立體表達,以期應(yīng)用于科研、科普教育、環(huán)保和旅游資源開發(fā)等領(lǐng)域。1研究計劃1.1火山主體形成機制地質(zhì)研究表明,形成長白山火山主體地質(zhì)地貌和環(huán)境的火山活動期主要有3期,55.1～21萬a前的“白頭山期”形成了長白山火山復(fù)式巨型火山錐主體,而在1000a前的“赤峰期”和“園池期”發(fā)生的大規(guī)模爆發(fā)加高了火山錐主體,產(chǎn)生的火山口壁坍塌形成破火山口,積水成湖形成現(xiàn)在所見到的天池火山口湖,同時產(chǎn)生了大量的火山碎屑流和火山泥流帶。因此,根據(jù)以上3個火山活動期次的特點進行建模和制作動畫。在“白頭山期”,我們更注重火山主體的形成,即火山物質(zhì)堆積加高火山錐體的動態(tài)過程;對“赤峰期”和“園池期”的爆發(fā),更加強調(diào)規(guī)模性,通過模擬火山噴發(fā)柱的高度,噴發(fā)柱的垮塌,熾熱而快速運移的火山碎屑流、泥流與所接觸物質(zhì)的強烈作用來表現(xiàn)該次爆發(fā)是距今2000a以來地球上規(guī)模和強度最大的一次火山爆發(fā)之一。1.2模型的建立與合成基于GIS平臺,以1︰1萬比例尺地形圖作為高程數(shù)據(jù)源。在3DSMAX中建立各研究時期地下巖漿房、火山通道和地表火山主體的三維模型,在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上完成動態(tài)模型的制作,最后對生成的動畫進行視頻合成處理。采用自上而下的設(shè)計方法,設(shè)計工作流程如圖1所示。2時間序列的主要建模2.1型鋼火山錐體底部的玄武質(zhì)巖石該期火山主體模型較為簡單,長白山火山錐體尚未形成,在今天巨型火山錐體底部是比較平坦的玄武質(zhì)熔巖臺地。利用3DSMAX的“噪波”(Noise)修改工具,在所建立“平面”基礎(chǔ)上修改生成“白頭山期”前地表三維模型。2.2模型結(jié)構(gòu)的相對重要性由于“赤峰期”、“園池期”和“白頭山期”前地形、地貌已被之后噴發(fā)的火山物質(zhì)所覆蓋,對它們的建模只能通過已有資料推斷當時的地形地貌。因為這2個時期天池火山錐體、熔巖高原及熔巖臺地已形成,所以,1000a前的那次大爆發(fā)只是加高火山錐體、熔巖高原和熔巖臺地的過程,只要將其變化部分從當前天池火山錐體模型(2.3節(jié))中適量減去即可,而地表植被類型隨高度分布的規(guī)律是不變的。另一方面,對于一個三維模型而言,人的視覺系統(tǒng)只是擅長比較模型之間的比例和相互位置,而不是模型的絕對尺度,所以,建模時需要控制模型的比例和位置關(guān)系的準確性。以天池火山口為中心,根據(jù)已有數(shù)據(jù)進行適當?shù)耐茢嗪拖胂蟛⒔Y(jié)合模型簡化的思想,建立了“赤峰期”和“園池期”前的長白山主體模型。2.3模型真實的增加根據(jù)地形數(shù)據(jù)生成地形暈渲圖,在3DSMAX中創(chuàng)建模型,賦予所需材質(zhì),以增加模型的真實感。當然,也可以進行子物體貼圖,將一些拍攝時角度良好的照片構(gòu)成的貼圖通過“復(fù)合材質(zhì)”組織起來。選擇“面”并結(jié)合“多重/次對象材質(zhì)(Multi/Sub-Object)”,完成子物體貼圖(圖2)。2.4模型建立的關(guān)鍵根據(jù)“長白山各噴發(fā)玄武巖漿及粗面-堿流巖漿房形成剖面圖”,來模擬火山通道和巖漿房的形態(tài);模型建立的逼真程度關(guān)鍵在于已有數(shù)據(jù)表達的合理性和科學(xué)性?；鹕酵ǖ馈r漿房幾何體與地層對象進行布爾減運算。建模的過程中,使用標尺對地下一定的深度進行量測,保證模型的各組成部分(火山通道、巖漿房、地層)比例和位置關(guān)系相互協(xié)調(diào),與實際資料相符。2.5水體材質(zhì)設(shè)置河流、湖泊三維模型的建立主要包括3方面的內(nèi)容:①形態(tài)的正確性;②表面具有真實感;③隨時間的變化性。本文按以上3方面建立了乘槎河和天池的三維動態(tài)模型。河流、湖泊是否具有真實感,關(guān)鍵要看水體材質(zhì)能否正確設(shè)置。我們實現(xiàn)了乘槎河和天池的水體流動效果也是通過設(shè)置其材質(zhì)來完成,通過設(shè)置材質(zhì)的“主色貼圖(DiffuseMap)”為“漸變貼圖(GradientMap)”,“凹凸貼圖(BumpMap)”為“噪波貼圖(NoiseMap)”及“反射貼圖(ReflectionMap)”為“光線跟蹤貼圖(RaytraceMap)”表現(xiàn)水體的自然視覺效果。除了用貼圖表現(xiàn)大范圍的地表植被景觀外,對于近距離的場景需要單獨建立植被個體模型。對常見的樹種、草、花,可以使用已有植被模型庫中的模型。對長白山特有的樹種,如岳樺、紅松和云杉等,采用外掛模塊進行建模。3火山噴發(fā)壓火的自然過程模擬動畫制作的對象主要是所研究火山活動期內(nèi)的長白山火山主體、地下火山通道和巖漿房的動態(tài)變化,以及少量位于熔巖高原和熔巖臺地上的小火山錐體的簡單噴發(fā)溢流過程。具體細化為以下6種動畫制作:①長白山火山錐體的形成;②形成天池破火山口的3次火山口內(nèi)壁坍塌;③地下巖漿房各噴發(fā)期次的動態(tài)演化(位置、成分);④火山噴發(fā)柱(高度、成分)變化及噴射巖漿、噴氣、噴煙、噴灰效果;⑤火山噴發(fā)柱垮塌形成的火山碎屑流(灰云浪和底浪)運動;⑥火山泥流沿河谷凹地的運動(大量剝蝕地表物質(zhì))及爬坡。在3DSMAX中,對自然現(xiàn)象和過程的模擬和仿真,需要合理地選擇動畫制作方法,以上動畫制作通過基礎(chǔ)動畫、變形動畫、路徑動畫、材質(zhì)動畫、粒子系統(tǒng)、布爾動畫、子物體動畫、環(huán)境效果(燃燒效果、霧效果和體積光效果)以及動畫制作后期的視頻合成來完成。本文以地下巖漿運移、長白山火山錐體的形成以及地表巖漿的噴射和流動為例,說明基于火山動態(tài)模型的仿真動畫制作過程。3.1“幾何體大小參數(shù)動態(tài)修改”根據(jù)地質(zhì)信息,本文確立了巖漿運移的模擬和仿真方案,即在計算機虛擬環(huán)境中,設(shè)置用于模擬巖漿的“粒子系統(tǒng)”的運動開始和結(jié)束時間,同時用“幾何體大小參數(shù)動態(tài)修改”方法(也可以用幾何體的熔化逆過程)動態(tài)改變巖漿房的大小,使巖漿房從無到有,動態(tài)膨脹收縮。當然,巖漿運移的通道也需要用這種方法模擬。需要說明的是,為了保證“粒子”在“地下通道”中運移,需要建立若干個“導(dǎo)向板”和“導(dǎo)向物體”,這樣“粒子”便只會在巖壁之間的空隙中移動,而不會隨便進入到巖體中。3.2“培養(yǎng)動畫”的應(yīng)用長白山火山錐體形成是一個動態(tài)變化的過程,具體表現(xiàn)在長白山火山口噴出物質(zhì)不斷加高火山錐體,本文采用“布爾動畫”實現(xiàn)了這一過程。具體步驟是,首先對“白頭山期”形成的火山錐體與自定義的柱體(其半徑大小隨時間幀的變化始終與火山口半徑大小相等)進行“布爾減”運算,錐體減掉同一時期的柱體部分之后,產(chǎn)生更“早一時期”的錐體和火山口,從而實現(xiàn)了火山錐體動態(tài)加高過程(圖3)。3.3使用粒子系統(tǒng)生成熱壓火山物質(zhì)的噴射和運移模擬是火山形成、演化與爆發(fā)的計算機三維動態(tài)模擬與仿真的關(guān)鍵步驟。對于巖漿的建模和動畫制作,其材質(zhì)和運動性很重要。巖漿的熾熱高溫往往要通過其材質(zhì)和適量的環(huán)境效果來表現(xiàn),其粘稠度等流體特性要通過運動狀態(tài)來體現(xiàn),如酸性巖漿和基性巖漿、侵出巖漿和噴溢巖漿的運動狀態(tài)均有所不同。通過建立幾種不同形態(tài)的巖漿材質(zhì),將它們用于火山巖漿的模擬和仿真,取得了良好的效果。在使用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)巖漿流動與噴溢時,需要注意的是粒子參數(shù)輸入要合理,即表現(xiàn)出熔巖流呈液體狀,這便需要將粒子類型修改為“Triangle”類型。與此類似的是,火山碎屑流和火山泥流的運動性也可以通過“粒子系統(tǒng)”來表現(xiàn),獨特的材質(zhì)效果和光熱等環(huán)境效果,同樣會使這2種火山流態(tài)物質(zhì)看起來更逼真。4動畫面質(zhì)量的改善動畫的后期制作內(nèi)容包括使所錄制的聲音與后期預(yù)渲染輸出的動畫同步播出,對所得的動畫畫面進行加工處理,如有些畫面不需要十分清晰,需要加上模糊效果。更重要的是,許多模型物體的效果,比如說巖漿的熾熱效果,需要在后期制作時加上某種濾鏡來實現(xiàn)。在改善畫面質(zhì)量的同時,后期制作還需要將已渲染輸出的動畫文件與預(yù)渲染輸出的動畫合并到一起,并實現(xiàn)其間的自然過渡。視頻合成包括靜態(tài)視頻合成和動態(tài)視頻合成,軌跡視圖用來進行聲音與后期預(yù)渲染輸出動畫畫面的同步操作。在渲染時,設(shè)置“幀速”為自定義(Custom),修改“FPS(每秒幀數(shù))”為30幀以形成電影效果,當然也可以產(chǎn)生一些“特寫效果”,但必須要求每秒幀數(shù)至少為15幀,以保證生成的動畫沒有明顯的停頓感。最終生成的動畫文件可以獨立在微機上播放,還可以轉(zhuǎn)換成MPEG-1格式在VCD影碟機上播放,也可以成為重要的屬性信息加入到電子地圖中。5模擬和仿真相結(jié)合的火山現(xiàn)象在對長白山火山成因動態(tài)模擬和仿真的基礎(chǔ)上,探討了地質(zhì)景觀成因動態(tài)模擬和仿真的一般步驟、方法和技巧,其形成演化是可用仿真動畫再現(xiàn)的時間序列,而該序列中的任何一個狀態(tài)都是和其他狀態(tài)密切相關(guān)的三維模型。更強調(diào)用3DSMAX進行視覺上的模擬,通過對火山形成、演化和爆發(fā)模擬和仿真產(chǎn)生近真實的視覺效果,來表現(xiàn)火山實體及火山現(xiàn)象的定性、半定量乃至定量信息。另一方面,也可采用單獨的實體(真三維)模型,來突出更強調(diào)實體內(nèi)部信息的火山地質(zhì)體,實現(xiàn)實時動畫、剖切和各種屬性查詢操作,并將操作的結(jié)果用3DSMAX的視頻合成工具合