三維地質(zhì)模型可視化方法及應(yīng)用

摘要：三維地質(zhì)模型是一個(gè)較為直觀、有效的研究地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)容的方法。文章將三維地質(zhì)模型分為面模型、體模型和混合模型三類，并從曲面插值法、三角網(wǎng)剖分法和地質(zhì)斷層建模法三個(gè)方面理論化地闡述了三維地質(zhì)模型的可視化方法，最后就典型的體模型和虛擬鉆孔模型進(jìn)行了分析，描述了三維地質(zhì)模型可視化的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型；可視化方法；曲面插值法；三角網(wǎng)剖分法；地質(zhì)斷層建模法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P642 文章編號(hào)：1009-2374（2015）30-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.069

三維地質(zhì)建模技術(shù)（3D Geosciences Modeling Technology）是在地質(zhì)勘探過(guò)程中應(yīng)用空間信息處理技術(shù)和可視化技術(shù)，對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、組織和描述，并且構(gòu)建三維地質(zhì)模型，可以進(jìn)行三維信息的查詢，還可以結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的圖形化與可視化，同時(shí)正確分析已有數(shù)據(jù)，提高研究的準(zhǔn)確率和可靠性。三維地質(zhì)模型的研究逐漸成為熱點(diǎn)問(wèn)題，主要被應(yīng)用于數(shù)學(xué)地質(zhì)、GIS、巖土工程、石油勘探以及計(jì)算機(jī)可視化等領(lǐng)域。

1 三維地質(zhì)模型可視化技術(shù)

早在20世紀(jì)50年代，外國(guó)學(xué)者就已經(jīng)開始了有關(guān)三維地質(zhì)建模技術(shù)的研究。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，多種原始方法不斷被完善。歐洲地球科學(xué)家和工程師協(xié)會(huì)（EAGR）、美國(guó)勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)（SEG）建立的三維建模委員會(huì)于1992年成立。1993年，Simon W.Houlding提出了三維地質(zhì)建模技術(shù)的概念。1996～1999年間，分別在英國(guó)、新西蘭和美國(guó)等地舉辦了四次關(guān)于地質(zhì)建模、模擬和可視化的地質(zhì)計(jì)算機(jī)會(huì)議。1997年在西班牙舉辦的國(guó)際數(shù)學(xué)地質(zhì)會(huì)議上，地質(zhì)建模和可視化則被重點(diǎn)指出并強(qiáng)調(diào)其重要性。國(guó)內(nèi)對(duì)于三維地質(zhì)模型可視化的研究開展的較晚，處于探索和嘗試時(shí)期。近些年在三維地質(zhì)模型的可視化研究中，數(shù)據(jù)處理和三維交互實(shí)現(xiàn)等技術(shù)的研究有了很大的突破。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該方面的研究已有了一定的研究成果：2000年，李青元等對(duì)三維地質(zhì)模型的特點(diǎn)和典型的三維模型進(jìn)行了詳述；2001年，曹代勇等就三維地質(zhì)可視化模型的方法進(jìn)行了討論；寧書年在2002年就三維地質(zhì)可視化軟件的基本理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并提出了其研究方向；2004年程朋根等構(gòu)建了一個(gè)適用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維GIS原型。

2 三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)建模技術(shù)是1993年加拿大學(xué)者Simon W.Houlding提出的，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)三維環(huán)境實(shí)現(xiàn)空間信息管理、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)解譯以及圖形可視化等技術(shù)的結(jié)合，在構(gòu)建了三維模型的同時(shí)，還可以較好地描述地質(zhì)對(duì)象的多種特征，是地球空間信息科學(xué)的一部分，也是可視化研究的重要應(yīng)用領(lǐng)域，其特點(diǎn)是確定性、可視性和可修改性。常用的三維地質(zhì)模型有面模型、體模型和混合模型。

2.1 面模型

面模型構(gòu)建于多個(gè)面元組合基礎(chǔ)上，側(cè)重于3D空間實(shí)體的表面輪廓描述，常用的不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）與網(wǎng)格模型（Grid），多用于地形表面構(gòu)模；邊界模型（B-rep）可以較好地描述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三維物體，而在不規(guī)則三維物體的描述上卻效率很低；對(duì)于處理簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體，多層DEMs模型是一個(gè)較為有效且簡(jiǎn)便的方法。

2.2 體模型

體模型的基本結(jié)構(gòu)是一系列體元，其屬性可以被獨(dú)立描述和存儲(chǔ)，并易于進(jìn)行三維空間操作和分析，但在計(jì)算、顯示和刷新速度方面較慢。體模型可分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元：規(guī)則體元模型有結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型（CSG）、八叉樹模型（Octree）等模型；非規(guī)則體元模型常用的有四面體網(wǎng)格模型（TEN）、三棱柱模型（TP）、實(shí)體模型（Solid）等模型。

2.3 混合模型

所謂混合模型，就是將面模型和體模型結(jié)合后構(gòu)建出的面向?qū)嶓w的三維模型，常用的有TIN-CSG模型、Octree-TEN模型等。

3 三維地質(zhì)建模可視化方法

3.1 曲面插值法

對(duì)于離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理，是利用曲面插值法來(lái)構(gòu)建三維空間曲面。適用于中、小規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法主要有徑向基函數(shù)插值法、與距離成反比的加權(quán)法和薄板樣條法；適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法有B樣條大規(guī)模插值法、多層次B樣條插值法以及自適應(yīng)多層次B樣條插值方法。

3.2 三角網(wǎng)剖分法

三角形是構(gòu)成立體圖形的首選圖元，三角剖分是近些年的研究熱點(diǎn)，集中在網(wǎng)格優(yōu)化性、邊界一致性和網(wǎng)格算法生成的健壯性等方面的研究。Delaunay三角網(wǎng)剖分（DT，Delaunay Triangulation）是指在平面域上有多個(gè)離散點(diǎn)的集合，一定存在一種剖分算法，可以形成一個(gè)鄰接且不重疊的三角形的集合，使所有三角形最小內(nèi)角和最大，并且每個(gè)三角形外接圓均不含有其他任意一個(gè)三角形的頂點(diǎn)。約束Delaunay三角網(wǎng)剖分法常用的方法主要包括逐點(diǎn)插入法、分而治之算法、區(qū)域子分算法和聯(lián)動(dòng)剖分算法等。

3.3 地質(zhì)斷層建模法

斷層是主要的地質(zhì)構(gòu)造類型之一。對(duì)于地質(zhì)斷層的建模方法建立在TIN基礎(chǔ)上。但是地質(zhì)斷層的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以在建模方法上也有不同的處理方式。對(duì)于單一斷層而言，可以通過(guò)局部法和整體法對(duì)斷層兩側(cè)不連續(xù)標(biāo)志面的形態(tài)進(jìn)行處理。對(duì)于多條斷層而言，首先要明確斷層切錯(cuò)之間存在的時(shí)間序列，晚期形成的斷層切錯(cuò)要優(yōu)先于早期形成的斷層，并按照順序利用做斷層TIN面的方法逐個(gè)處理；若斷層之間沒(méi)有切錯(cuò)關(guān)系，則可以通過(guò)整體法或局部法進(jìn)行單獨(dú)處理。

4 三維地質(zhì)模型可視化的應(yīng)用

4.1 基于四面體體元的三維地質(zhì)建模方法

以體模型為基本思想，以四面體為基本體元，選用合適的插值方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行加密處理成多層網(wǎng)格，并運(yùn)用同種插值方法對(duì)于每層網(wǎng)格都進(jìn)行差值處理，將不同層內(nèi)相應(yīng)的坐標(biāo)的數(shù)據(jù)連接之后，可以構(gòu)成多個(gè)四棱柱組合體，再按照一定規(guī)則將其分解成易于分析和處理的四面體體元，再進(jìn)行切割和分解，最后構(gòu)建規(guī)則的數(shù)字高程模型的地層。

4.2 基于虛擬鉆孔的三維地質(zhì)建模方法

鉆孔數(shù)據(jù)是眾多地質(zhì)數(shù)據(jù)中最為基本的數(shù)據(jù)，由于鉆孔費(fèi)用較高，這就衍生出利用虛擬鉆孔來(lái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，虛擬鉆孔在地質(zhì)不連續(xù)、邊界控制點(diǎn)稀少的區(qū)域研究中發(fā)揮了較為重要的作用。虛擬鉆孔的確定方法是根據(jù)模型的不同而不同的，若以三棱柱為基本體元，那么模型中對(duì)于虛擬鉆孔的確定方法就是分別計(jì)算直線與其他各面的交點(diǎn)。

4.3 三維地質(zhì)模型的可視化效果

對(duì)于三維地質(zhì)模型的可視化顯示效果，要凸顯其可視性，有多種顯示方式，主要有基本三維景觀方式、掀蓋層三維景觀方式、透視方式、切面方式以及投影等值線方式。

5 結(jié)語(yǔ)

三維地質(zhì)模型的研究已有很大的進(jìn)展，但是仍有很多亟待解決的問(wèn)題，比如數(shù)據(jù)不規(guī)則且數(shù)量較大，地質(zhì)數(shù)據(jù)的離散型、片面性，模型的空間分析功能與實(shí)際工程需求相差加大等，所以三維地質(zhì)模型依舊處于探索階段，還有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉蘇（1989-），女，遼寧沈陽(yáng)人，供職于遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，研究方向：礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查及三維地質(zhì)

建模。

（責(zé)任編輯：蔣建華）endprint