巖溶區(qū)三維地質(zhì)建模及可視化研究

向 峰，羅太近

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)（貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院），貴州 貴陽 550081）

隨著中國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為高新技術(shù)迅速崛起。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)立體的三維空間的虛擬場(chǎng)景，給使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官上的現(xiàn)實(shí)模擬。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用受到了地震預(yù)報(bào)、礦產(chǎn)資源勘探、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]。我國地域遼闊，地貌復(fù)雜，地質(zhì)也各不相同，通過三維的數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提升地質(zhì)調(diào)查的信息化水平，能有效地解決地質(zhì)環(huán)境問題和城市地質(zhì)、政府規(guī)劃決策問題。這一技術(shù)為今后巖溶區(qū)城市地質(zhì)工作的三維地質(zhì)建模和可視化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

1 建立三維地質(zhì)模型

（1）收集資料。針對(duì)巖溶區(qū)大區(qū)域三維模型的建立，我們首先要得到巖心數(shù)據(jù)，它包括巖心照片、巖心描述和巖心鉆孔分析數(shù)據(jù)，這是識(shí)別當(dāng)前地質(zhì)情況的首要資料，也是進(jìn)行下一步工作的基礎(chǔ)。

（2）構(gòu)造模型。①建立控制性實(shí)測(cè)剖面。繪制控制性實(shí)測(cè)剖面是進(jìn)行三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，剖面的布置密度決定了三維地質(zhì)模型的精度，利用制圖系統(tǒng)產(chǎn)狀剖面圖功能繪制剖面圖，結(jié)合地質(zhì)專家的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行修改完善。按照“單元格構(gòu)建～單元格合并～整個(gè)地質(zhì)體”的思路，利用交互三維建模。②建立層模型。建立層面模型可以通過斷層面中線投影在二維視圖中，設(shè)置網(wǎng)格大小、趨勢(shì)線、分割線、邊界線來建立骨架網(wǎng)格；關(guān)鍵層面的插值建?？梢酝ㄟ^數(shù)理統(tǒng)計(jì)法設(shè)置層面參數(shù)和斷層影響范圍；最后再通過樣條插值法和最小曲率法進(jìn)行層面內(nèi)插。由此反映的是儲(chǔ)存層面的基本構(gòu)架，通過斷層數(shù)據(jù)建立斷層模型，再根據(jù)斷層模型建立各個(gè)地層頂?shù)椎膶用婺Ｐ?，再以此為基礎(chǔ)，建立有一定網(wǎng)格分辨率的等時(shí)三維地層網(wǎng)格模型[2]。③建立參數(shù)模型。建立目的是定量的給出儲(chǔ)存體中各類屬性參數(shù)的空間分布。采用確定性建模方法，開始進(jìn)行地質(zhì)趨勢(shì)線性內(nèi)插。根據(jù)已有巖心鉆孔的控制點(diǎn)和原始樣本點(diǎn)的參數(shù)，進(jìn)行合理內(nèi)插、外推未鉆孔測(cè)試點(diǎn)的同一參數(shù)值，內(nèi)插值越小，精確度越高。通過測(cè)量得到地層壓力、孔隙度等有效參數(shù)，采用簡(jiǎn)單線性內(nèi)插、趨勢(shì)面作圖法進(jìn)行。在通過地震振幅、波阻抗等于巖心測(cè)井孔隙度確定關(guān)系，反演孔隙度，通過孔隙度推出滲透率。

2 可視化操作

可視化技術(shù)即為通過數(shù)字化概念，建立起一個(gè)多分辨率、三維模式表達(dá)的虛擬技術(shù)，是由三維空間中的構(gòu)造、地層振幅組合形成。通過上述的三維地質(zhì)建模，可視化技術(shù)通過把空間地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到虛擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，在保證實(shí)時(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)的前提下提高圖像質(zhì)量，展示更多更詳細(xì)的立體化細(xì)節(jié)。具體操作步驟如下：首先根據(jù)測(cè)試到的有效插值提取地質(zhì)的邊界輪廓線，構(gòu)造幾何圖形；然后設(shè)置圖形變換函數(shù)參數(shù)，生成新的圖像數(shù)據(jù)；最后把數(shù)據(jù)送入幀緩存中進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)可視化顯示。需要注意的是對(duì)局部區(qū)域的繪制。具體操作為在距離十視點(diǎn)近的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)增加點(diǎn)的數(shù)量，提高覆蓋密度；對(duì)投影等值線進(jìn)行填充時(shí)采用不同的色彩加以區(qū)分；在觀測(cè)井的抽水排水動(dòng)態(tài)模擬過程中，改變巖層的透明度。通過對(duì)局部區(qū)域數(shù)據(jù)特征優(yōu)化控制，使得到的圖像效果更加逼真。再者由于絕對(duì)定向要實(shí)現(xiàn)影像坐標(biāo)到地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，因此在絕對(duì)定向時(shí)利用數(shù)字?jǐn)z影在影像上選取地面控制點(diǎn)，并且盡量讓選取的控制點(diǎn)是均均勻分散在測(cè)量區(qū)域各處的。選取好連接點(diǎn)后建立同名核線，進(jìn)而形成線影像。同時(shí)我們還需要數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。我們運(yùn)用衛(wèi)星對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，并讓影像融合鑲嵌，最后再進(jìn)行影像裁剪，最終形成數(shù)字正射影像成果。

3 有效性測(cè)試

為了讓大家直觀立體的了解巖溶地區(qū)的地表狀況、地下地質(zhì)形態(tài)以及勘測(cè)點(diǎn)的布置位置等相關(guān)信息，運(yùn)用三維地質(zhì)建?？梢暬Ｐ蛯?duì)巖溶地區(qū)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，需要用到的機(jī)器設(shè)備如表1所示。

表1 三維建模可視化設(shè)備

通過合理運(yùn)用上述表格中的設(shè)備設(shè)施，來繪制巖溶地區(qū)的剖面圖，進(jìn)行三維建模，對(duì)模型進(jìn)行合并、紋理、賦色、賦屬性等相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)可視化的目的。

4 結(jié)果分析

為了論證三維地質(zhì)建?？梢暬Ｐ蛯?duì)獲取工作數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率有效性的影響，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)巖溶地區(qū)采用了三維地質(zhì)建?？梢暬Ｐ秃蛡鹘y(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，其驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示。

通過圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在多次試驗(yàn)的過程中，本文提到的三維地質(zhì)建模可視化模型條件下，工作數(shù)據(jù)的精確率在多次試實(shí)驗(yàn)下都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法工作下的精確率，這充分論證了巖溶區(qū)城市地質(zhì)發(fā)展離不開三維地質(zhì)建模及可視化模型。

圖1 實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果曲線

5 結(jié)語

巖溶區(qū)城市地質(zhì)的發(fā)展，離不開三維地質(zhì)建模和可視化模型的建立。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，運(yùn)用現(xiàn)代化科技形成先進(jìn)的三維地質(zhì)建模和可視化技術(shù)，不僅提高了工作的精確度，同時(shí)也提高了工作效率。這是社會(huì)發(fā)展的需求，也是科技現(xiàn)代化發(fā)展的必然產(chǎn)物。但就目前來說，三維地質(zhì)建模和可視化技術(shù)是復(fù)雜的，操作起來不僅需要大量的優(yōu)秀人才供給，還需要有龐大的建設(shè)使用資金的支持，這些條件在三維地質(zhì)建模和可視化上是不可忽視的。