基于IDL的三維地質(zhì)勘查方法

張 嵐，楊 斌，高德政

（1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010）

基于IDL的三維地質(zhì)勘查方法

張 嵐1，楊 斌1，高德政1

（1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010）

地質(zhì)勘察人員需要了解各種地質(zhì)體三維空間形態(tài)和內(nèi)部結構，還要能夠根據(jù)勘察工程的進行，數(shù)據(jù)資料的增加動態(tài)調(diào)整地質(zhì)體在三維空間上的形態(tài)及內(nèi)部結構上的變化。利用 IDL 語言強大的數(shù)據(jù)處理與圖形顯示功能，設計了地質(zhì)體三維建模系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維地質(zhì)體的動態(tài)調(diào)整；并將其應用于實際工程中，為數(shù)字礦山的應用提供了模型和方法參考。

地質(zhì)勘查；IDL；三維地質(zhì)體；可視化

三維地質(zhì)體可視化解決了二維平面圖不能顯示地質(zhì)體在三維空間上變化的問題，對于資源勘查有著十分重要的作用，是三維GIS研究的重要領域和熱點[1-4]。

目前尚無一個既能方便形成各種地質(zhì)圖，又能形成三維地質(zhì)體，還能動態(tài)地根據(jù)勘察工程進展不斷調(diào)整三維地質(zhì)體的形態(tài)和內(nèi)部結構的軟件系統(tǒng)。本文以宜昌某磷礦的鉆孔資料為源數(shù)據(jù)，探討了IDL在三維地質(zhì)體可視化中的應用，基本完成了對地質(zhì)勘察分析的三維可視化及成圖；再根據(jù)鉆孔資料的變化，改變地質(zhì)剖面圖及三維地質(zhì)體的形態(tài)和內(nèi)部結構，實現(xiàn)了三維地質(zhì)體的動態(tài)調(diào)整[5,6]。

1 系統(tǒng)開發(fā)平臺與環(huán)境

1.1 IDL語言

交互式數(shù)據(jù)語言——IDL，作為第4代可視化語言在圖像分析和三維可視化方面具有獨特優(yōu)勢[7,8]：①可方便地進行跨平臺的移植；②提供了大量封裝和參數(shù)化了的數(shù)學函數(shù)；③提供了豐富的二維、三維圖形圖像類，便于實現(xiàn)地質(zhì)體三維可視化[9,10]。鑒于IDL擁有簡單的學習步驟、豐富的功能函數(shù)和完美的處理結果,可以說它是理想的三維可視化環(huán)境的生成平臺[11]。

1.2 對象圖形系統(tǒng)

對象圖形系統(tǒng)指利用對象模型創(chuàng)建用于顯示的對象，然后在窗口中添加對象進行顯示的圖形系統(tǒng)。利用其編程技術和豐富的對象類大大提高了開發(fā)效率，本文采用該系統(tǒng)進行地質(zhì)體三維可視化,框架體系見圖1。

2 系統(tǒng)結構分析

地質(zhì)體三維建模系統(tǒng)由收集資料、整理數(shù)據(jù)、文本文檔的建立、模擬鉆孔柱狀圖、地層三維可視化和地質(zhì)體模型構建等模塊組成（圖2）。

圖1 對象圖形系統(tǒng)框架體系

圖2 地質(zhì)體三維可視化及分析體系結構

在讀取源數(shù)據(jù)后，利用對象圖形法中的IDLgrPolygon對象創(chuàng)建三維地質(zhì)鉆孔，模擬鉆孔柱狀圖；然后整理并生成規(guī)則插值網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，計算所有網(wǎng)格的節(jié)點坐標，并模擬各地層的表面和側面，生成單層DEM數(shù)據(jù)；生成單個地層分界面的 DEM 數(shù)據(jù)后，就可把它們納入到統(tǒng)一的地面坐標系中，實現(xiàn)對多個地層分界面 DEM 的疊加顯示，進行地層分界面的繪制；體繪制完成后，可對模擬的三維可視化幾何模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)、剖切等操作。

2.1 單層DEM的生成

根據(jù)要求指定格網(wǎng)間隔，將研究區(qū)域劃分為矩形網(wǎng)格，并通過每個網(wǎng)格節(jié)點作垂直線，與各地層表面交于一點；然后插值計算所有網(wǎng)格的節(jié)點坐標，并模擬各地層的表面和側面。以Kriging插值法為例：設某平面有n個離散節(jié)點（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），對 應 節(jié) 點 高 程 為f1，f2，…，fn，則 對 某 點（x， y），其節(jié)點高程為：

式中，aj可利用離散點坐標聯(lián)立方程求出；c為常數(shù)。

2.2 體數(shù)據(jù)的繪制

體繪制是指以體素作為基本單元，使用指定的模型和算法，由體數(shù)據(jù)直接生成三維虛擬實體映像的過程。使用體素表達的體素模型，不僅具有實體的外部形狀信息，而且還包含實體內(nèi)部的全部信息，在三維體素填充模型中，使用最多的是等邊長的正方體體元[12,13]。其算法流程如圖3所示，其中 m、n、l 分別為X、Y、Z方向的任意維數(shù)，stratum_num為地層總數(shù)。

圖3 體繪制算法流程圖

2.3 剖面分析

剖面分析是指沿著地質(zhì)體的任意方向做任意個剖面，可從多個剖面方向來觀察地質(zhì)體的地層屬性、構造分布等信息。該工具還可以用于觀察地質(zhì)界面信息以及對地質(zhì)體做剖切后的切塊信息，可清楚顯示地質(zhì)模型內(nèi)部的各個細節(jié)。

2.4 垂直切片的提取

提取體數(shù)據(jù)切片的方法有垂直切片的提取和任意方位切片的提取。垂直切片的提取是根據(jù)體數(shù)據(jù)的三維數(shù)組volume[x，y，z],提取與X方向垂直的切片。其具體方法為循環(huán)x的值，對于每個固定值xi，其對應的垂直切片為volume[xi，yi，zi]，利用write_*函數(shù)把該二維數(shù)組按照任意一種指定的圖像格式存入圖像文件；同理，可分別提取與Y、Z方向的垂直切片。

3 功能實現(xiàn)與結果分析

3.1 數(shù)據(jù)讀取

在IDL中讀寫ASCII碼文件時，先將一個邏輯設備號與文件進行關聯(lián)，然后對設備邏輯號進行讀、寫或更新等操作，本文應用自由讀寫的方法，其簡化語法為：

3.2 紋理貼圖

3.3 結果分析

本文利用IDL構建并實現(xiàn)了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)。圖4a是根據(jù)已知的鉆孔坐標模擬的鉆孔柱狀圖；圖4b是根據(jù)鉆孔柱狀圖形成的二維平面圖；圖4c是根據(jù)多層DEM數(shù)據(jù)插值后模擬的三維地質(zhì)體；圖4d是根據(jù)鉆孔資料的變化、增加而進行的三維地質(zhì)體動態(tài)調(diào)整；圖4e是根據(jù)遙感圖像、DEM數(shù)據(jù)進行紋理貼圖；圖4f～h是對三維地質(zhì)體實現(xiàn)剖切操作。

4 結 語

本文在科學可視化理論的基礎上，利用離散的鉆孔觀察資料，實現(xiàn)了簡單的可視化顯示、查詢和分析。地質(zhì)體三維可視化解決了二維平面圖和剖面圖不能直觀顯示三維地質(zhì)信息的問題，能夠指導實際的地質(zhì)分析，具有相當大的實用價值，也為數(shù)字礦山的應用提供了模型和方法參考。

地質(zhì)體的三維建模和可視化作為許多科研領域的研究熱點，是一個綜合性很強的研究方向，它的實現(xiàn)與創(chuàng)新需要結合計算機圖形學、科學可視化、地質(zhì)學等諸多科研成果，這從本質(zhì)上決定了任何關于三維可視化的理論與應用都會有它不足和有待提高之處，因此還需要進行更深入的研究。

圖4 地質(zhì)體三維可視化及分析系統(tǒng)部分功能

[1] 楊朝輝,陳映鷹. IDL 在三維地層可視化中的應用研究[J].工程勘察,2008(6):50-53

[2] 何全軍,程彬,許惠平.基于IDL的地形三維可視化實現(xiàn)[J].世界地質(zhì),2004,23(1): 85-89

[3] 楊朝輝.基于IDL的三維地質(zhì)剖面編繪系統(tǒng)的研制[J].測繪科學,2009,34(2):197-198

[4] 張敬博,賈瑞生.基于體繪制技術的層狀地層三維建模平臺的設計和實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件,2012,29(2):129-132

[5] 吳守亮.三維層狀地質(zhì)體可視化建模及分析研究[D]. 淮南:安徽理工大學,2011

[6] 王小利.基于IDL的礦體三維可視化開發(fā)與研究[D].昆明:昆明理工大學,2008

[7] 韓培友.IDL可視化分析與應用[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,2006

[8] 董彥卿.IDL程序設計[M].北京:高等教育出版社,2012

[9] 王振勝,王賢敏.基于IDL 的三維地質(zhì)礦產(chǎn)建模[J].測繪科學,2013,38(1):26-28

[10] 趙宏堅,周翠英.基于實體建模的三維地層構造[J].巖土力學,2010,31(4):1 258-1 263

[11] 賈瑞生,姜巖,孫紅梅,等.基于IDL三維地形建模及可視化技術研究[J].測繪科學,2008,33(6):1-3

[12] Bak P, Mill A. Three Dimension Representations in a Geoscientific Resource Management System for the Minerals Industry[J]. Three Dimensional Applications in Geographic Information Systems,1989,3(1):155-182

[13] Li R. Data Structures and Applications Issues in 3D Geographic Information Systems [J]. Geomantic,1994,18(6):209-224

P208

B

1672-4623（2016）03-0064-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.020

張嵐，碩士，主要研究方向為地質(zhì)勘查技術與方法。

2014-01-15。

項目來源：國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（LEDM2011B03）。