基于多層DEM—GTP混合模型的地層三維可視化

張園園

摘?要：地層的三維可視化是獲取地下空間信息，真實(shí)表達(dá)地層結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系的重要手段，本文在綜合分析了多層DEM和GTP模型表達(dá)三維地質(zhì)體的基礎(chǔ)上，利用鉆孔數(shù)據(jù)、柱狀圖、地質(zhì)剖面圖等資料構(gòu)建多層DEM—GTP三維混合模型，并利用ArcGIS平臺二次開發(fā)工具開發(fā)三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地層的三維可視化，最后運(yùn)用實(shí)例數(shù)據(jù)對理論成果進(jìn)行測試，用于輔助相關(guān)地學(xué)研究和決策，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：多層DEM—GTP模型;三維地質(zhì)體;可視化

Research on 3D Geological Visualization Based

on Multi-layer DEM-GTP Mixed Model

Zhang Yuanyuan

Guangzhou Marine Geology Survey?GuangdongGuangzhou?510760

Abstract：Three-dimensional visualization of strata is an important means to acquire underground space information and truly express strata structure and spatial relations.Based on the comprehensive analysis of multi-layer DEM and GTP models to express three-dimensional geological bodies，this paper constructs a multi-layer DEM-GTP three-dimensional entity hybrid model by using borehole data，columnar maps，geological profile maps and other data.Realize three-dimensional stratum visualization and assist related geoscience research and decision-making.A three-dimensional visualization system is developed by using the secondary development tool of ArcGIS platform，and the relevant theoretical results are tested by using case data，and good results are achieved.

Key words：multi-layer DEM-GTP model;three-dimensional geological body;visualization

1 概述

隨著3DGIS研究不斷深入，利用3DGIS原理和方法構(gòu)建三維地質(zhì)體模型已成為地學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)。[1-3]近年來國內(nèi)外學(xué)者們已提出幾十種三維空間建模方法，總體上可分為面模型、體模型和混合模型三類。面模型結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但它只是對實(shí)體表面建模不能表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部信息，不具備空間分析能力。體模型構(gòu)建基本體元進(jìn)行三維建模，可準(zhǔn)確表達(dá)地質(zhì)體內(nèi)部信息，具有空間分析能力，但數(shù)據(jù)量非常大運(yùn)算太耗時，實(shí)現(xiàn)難度也很大。混合模型是綜合兩種或兩種以上的建模方法，取長補(bǔ)短，更適合實(shí)際應(yīng)用。多層DEM—GTP混合模型是綜合面模型多層DEM和體模型GTP模型的基礎(chǔ)上建立的，它不受棱邊平行限制，由上下兩個TIN面的不平行三角形來表達(dá)不同的地層面，GTP側(cè)面四邊形面來描述層面間的空間關(guān)系，用GTP柱體表達(dá)層與層之間的內(nèi)部實(shí)體。[4-5]該模型適合層狀空間實(shí)體三維建模，方便對模型內(nèi)部進(jìn)行空間查詢分析，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于存儲等優(yōu)點(diǎn)。[6]

2 地層的三維可視化

基于多層DEM-GTP混合模型進(jìn)行三維地層可視化的總體思路：按鉆孔方向、巖性、空間位置對地質(zhì)體進(jìn)行分層，再由鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建地表不規(guī)則三角網(wǎng)（簡稱TIN），[7]以地表TIN為模板對各分層的表面也建立各自TIN，從而完成構(gòu)建多層數(shù)字高程模型（簡稱多層DEM），[8]對相鄰TIN面上的三角形構(gòu)建廣義三棱柱模型（簡稱GTP模型），再進(jìn)行地層尖滅與地層層面交叉處理。完成三維地層模型的構(gòu)建。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到地層缺失等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，運(yùn)用GTP模型能夠靈活的解決此類問題。地層的三維可視化[9]的具體步驟：

（1）結(jié)合空間位置數(shù)據(jù)、鉆孔、柱狀圖、地質(zhì)剖面圖、構(gòu)造圖等資料，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，總結(jié)出鉆孔點(diǎn)各個地層的巖性、深度、厚度、總地層數(shù)、按其鄰接關(guān)系對地層進(jìn)行順序編號，編號按照沉積順序從老到新，逐層遞進(jìn)，構(gòu)建鉆孔信息數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建位置、深度、巖性等字段，將數(shù)據(jù)錄入。

（2）以鉆孔坐標(biāo)和表層層高為基準(zhǔn)，結(jié)合建模區(qū)域邊界條件，采用Delaunay三角網(wǎng)剖分生成地表TIN，[10]使離散的鉆孔點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。以地表TIN為模板約定其他各層TIN的三角形個數(shù)，構(gòu)建帶約束的各層TIN面，保證各個地層層面具有確定的、上下一致的拓?fù)潢P(guān)系，來簡化插值的時間復(fù)雜度。

（3）由相鄰TIN層中的三角形的點(diǎn)，沿鉆孔方向構(gòu)建GTP模型的側(cè)面四邊形，從而保證四邊形的側(cè)棱邊在同一條鉆孔上。從地表TIN開始遍歷所有地層層面，當(dāng)出現(xiàn)層面缺失的現(xiàn)象（尖滅），要重新賦值缺失層高值地層層面上達(dá)到點(diǎn)，如下圖第2層中點(diǎn)層高值缺失時，需將臨近層點(diǎn)1的層高值賦值給點(diǎn)2，地層3到地層1之間，地層2的厚度為0。

（4）當(dāng)出現(xiàn)相鄰層TIN面對應(yīng)三角形交叉現(xiàn)象時，按實(shí)際地層嚴(yán)格的沉積順序，對交叉地層進(jìn)行重賦予層高值，1層和2層相交，將地層1上TIN點(diǎn)的層高值賦值給地層2。保障各個體元間是相互鄰接關(guān)系，上下相鄰地層間無交叉情況。

（5）選擇表層TIN中一個點(diǎn)為起點(diǎn)，遍歷所有TIN面，構(gòu)建DEM-GTP模型體元，即完成三維地層模型。

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于多層DEM-GTP的混合模型建模理論和方法，[11]測試數(shù)據(jù)以研究區(qū)域內(nèi)15個實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，在windows7環(huán)境下，采用面向?qū)ο蟮木幊汤砟睿贏rcGIS Engine平臺進(jìn)行二次開發(fā)三維地層可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)是對混合模型建模結(jié)果的展示是通過組件Scene Control來實(shí)現(xiàn)。在少量人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)對地層任意剖面的三維顯示，屬性查詢、圖例的自動生成與顯示、地層的分層顯示等功能。

系統(tǒng)窗口下的各種操作都是實(shí)時的、快速的，方便用戶全方位多角度瀏覽。自定義繪制用戶需要的裁切多邊形，來實(shí)現(xiàn)任意剖面裁切，強(qiáng)化人機(jī)交互功能，地層經(jīng)任意面裁切的結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié)論

基于多層DEM-GTP模型實(shí)現(xiàn)三維地層可視化，充分運(yùn)用了單一模型多層DEM和GTP模型的優(yōu)點(diǎn)，方便有效的獲取于地層形態(tài)和屬性，地層的三維可視化能直觀、準(zhǔn)確的表達(dá)地質(zhì)實(shí)體空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)，全方位動態(tài)的顯示能方便用戶實(shí)時的進(jìn)行空間查詢與分析，更好地輔助決策，能為地質(zhì)工作者提供了可靠的地層信息。但三維地層數(shù)據(jù)的獲取還相對較難，鉆孔總體上也很稀疏，數(shù)據(jù)量比較少，建模效果也比較粗糙，不夠精細(xì)。在下一步工作中，建議結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)增加虛擬鉆孔，增加表達(dá)帶斷層的復(fù)雜地層。同時還能看出，ArcGIS平臺的二次開發(fā)工具有開發(fā)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，3DGIS技術(shù)的快速發(fā)展，未來在地質(zhì)調(diào)查和勘查工作中將發(fā)揮更大的作用。

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