基于OpenGL三維地質(zhì)模型構(gòu)建

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

煤礦的三維建模對(duì)于研究地下煤層的構(gòu)造、儲(chǔ)煤量等諸多地質(zhì)問(wèn)題提供直觀上的模型數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足研究人員對(duì)于地層認(rèn)識(shí)和空間分析的需求，擺脫了二維模式下抽象的地質(zhì)符號(hào)以及繁雜的鉆孔數(shù)據(jù)(鉆孔最重要數(shù)據(jù)成果是三圖一表，即鉆孔柱狀圖、工程布置圖、勘探線(xiàn)剖面圖和樣品分析結(jié)果表)對(duì)研究地下煤層帶來(lái)的不便?；谀Ｐ偷臄?shù)值模擬和空間分析，能夠輔助用戶(hù)進(jìn)行科學(xué)決策和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于提高煤礦開(kāi)采的工作效率和增加經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。所謂的煤礦三維地質(zhì)模型構(gòu)建，就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支持，在三維環(huán)境下，把空間信息的分析管理、地質(zhì)環(huán)境的譯、空間信息的分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體資料分析以及計(jì)算機(jī)圖形可視化工具相結(jié)合，并在地質(zhì)分析上得以運(yùn)用的技術(shù)。構(gòu)建地質(zhì)三維模型是為了表達(dá)地質(zhì)資料的空間信息，實(shí)現(xiàn)三維模擬是模型顯示和分析根本。

一、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)支持，根據(jù)具體的建模需求調(diào)用不同的表格數(shù)據(jù)是能否完成模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。鉆井勘探數(shù)據(jù)是地質(zhì)研究的主要資料來(lái)源，更是地下地層理論研究的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)能夠影響可視化實(shí)現(xiàn)的正確性。

二、三維地質(zhì)建模的實(shí)現(xiàn)方法

地質(zhì)三維建模以插值擬合地層層面為重要的建模過(guò)程，所以插值算法在建模過(guò)程中有著舉足輕重的地位。鉆孔數(shù)據(jù)是一組離散的點(diǎn)集，使用插值的方法可以擬合符合地層的曲面，選擇合適的插值方法可以快速有效解決資料數(shù)據(jù)的不連續(xù)性從而實(shí)現(xiàn)地層的可視化。

根據(jù)實(shí)地鉆探獲取的鉆孔數(shù)據(jù)，調(diào)用OpenGL方法，完成長(zhǎng)坪礦地質(zhì)三維模型的構(gòu)建。礦山建模對(duì)于地層模型的效果及功能需求包括模型顯示(真實(shí)地質(zhì)效果、光照、紋理)、交互操作(旋轉(zhuǎn)、縮放、視點(diǎn))、模型變換等。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)目的成果：通過(guò)ADO.NET的方式讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔數(shù)據(jù)，將三維建模顯示用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在C#的List中，再根據(jù)List中的數(shù)據(jù)，繪制出煤礦的邊界，鉆孔的開(kāi)孔位置以及構(gòu)建出主要的地質(zhì)體三維模型，并能夠通過(guò)鍵盤(pán)交互。

三、主要模型的構(gòu)建

構(gòu)建地質(zhì)模型主要包括地層建模、鉆孔建模以及陷落柱建模。而地層建模中標(biāo)志層的選擇需根據(jù)不同的研究需求加以區(qū)分，本次建模的標(biāo)志層選擇k1-k10含水層以及M3煤層為建模的層面，同鉆孔、井田邊界線(xiàn)模型共同顯示，最后通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)退出、放大、縮小、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)等人機(jī)交互操作。

地層是指某一地質(zhì)年代因沉積作用以及巖漿噴出活動(dòng)形成的地層總稱(chēng)。地層模型選擇K1-K10的標(biāo)志層數(shù)據(jù)建立三維可視化模型，每一個(gè)標(biāo)志層賦予不同的顏色加以區(qū)分，并實(shí)現(xiàn)視角旋轉(zhuǎn)效果。

鉆孔又稱(chēng)鉆井，是從地表開(kāi)始利用專(zhuān)業(yè)的鉆探設(shè)備向地下鉆成的深度較大直徑較小的柱狀圓孔。通過(guò)鉆孔勘探得到的鉆孔數(shù)據(jù)是后期地下地層形成狀態(tài)和構(gòu)造關(guān)系研究的數(shù)據(jù)來(lái)源，鉆孔模型依據(jù)實(shí)地勘探的鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，實(shí)現(xiàn)三維柱狀模型，并實(shí)現(xiàn)模型顯示、視角變換和人機(jī)交互的功能。

四、程序?qū)崿F(xiàn)

(一)數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換

在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的位置信息是基于世界坐標(biāo)系。屏幕上顯示的圖形都是二維坐標(biāo)里圖形，而真實(shí)地質(zhì)體卻是三維模型所以世界坐標(biāo)是三維坐標(biāo)，在計(jì)算機(jī)處理圖形數(shù)據(jù)時(shí)，必然要把三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到二維坐標(biāo)系下。如果要想將其顯示到設(shè)備屏幕上，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。進(jìn)行坐標(biāo)變換之前，首先要能從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取到整個(gè)煤礦的X最大值及最小值，Y最大值和最小值，分別向減就可以得到煤礦的長(zhǎng)度和寬度。每個(gè)點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)等于每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值減去X和Y的最小值。再求出屏幕的長(zhǎng)度和寬度。

(二)繪制鉆孔

1.繪制鉆孔界限。通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，調(diào)用Geography數(shù)據(jù)庫(kù)中的拐點(diǎn)坐標(biāo)表格，把拐點(diǎn)坐標(biāo)表格中的每條記錄當(dāng)做一個(gè)對(duì)象，把該記錄的某些字段與InflectionPoint類(lèi)中的屬性進(jìn)行綁定，遍歷每一條記錄，然后將其加入到borderPoints列表中，即可把所有邊界點(diǎn)信息都存儲(chǔ)起來(lái)。

2.繪制離散點(diǎn)。調(diào)用的鉆孔數(shù)據(jù)在屏幕坐標(biāo)系上是離散的坐標(biāo)點(diǎn)，建立鉆孔的地層層面編號(hào)，得到各地層層面的采樣點(diǎn)，為插值擬合地層層面做準(zhǔn)備，然后采用反距離權(quán)重插值算法對(duì)各地層層面進(jìn)行曲面擬合。

(三)繪制并渲染地層

把鉆孔數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)通過(guò)反距離插值的方法獲得格網(wǎng)點(diǎn)的高程值，然后通過(guò)繪制不規(guī)則三角網(wǎng)擬合地層層面。對(duì)擬合過(guò)的三角網(wǎng)可見(jiàn)面添加自然光照效果，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的真實(shí)顯示?；竟庹漳Ｐ椭械陌l(fā)光體一般限于點(diǎn)光源。基于單個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)度的計(jì)算模型稱(chēng)為光照模型。基本光照模型包括環(huán)境光、漫反射、鏡面反射，表面光照效果包括光的反射、透射性、表面紋理和陰影。

圖1 三維地質(zhì)模型

五、結(jié)論

三維地質(zhì)建模項(xiàng)目終于實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸、地層層面(K1-K10標(biāo)志層)建模、鉆孔建模以及鉆孔邊界線(xiàn)建模。雖然實(shí)現(xiàn)了Geology數(shù)據(jù)庫(kù)所存儲(chǔ)的兩種模型的構(gòu)建，但是陷落柱模型與巷道模型構(gòu)建卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。陷落柱建模與地層建模大體是相似的，只是少了網(wǎng)格的擬合，而是通過(guò)不規(guī)則三角網(wǎng)直接形成模型，構(gòu)建三角網(wǎng)的有許多常用插值方法，包括樣條插值、二次插值以及Delaunay插值。