基于體視化的三維地質模型構建

蔡健文

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇 南京 210007）

體視化技術是將空間數(shù)據(jù)信息進行可視化呈現(xiàn)的科技手段，該技術具備操作便捷、可視化程度高等應用優(yōu)勢，目前已經在許多領域中得到了廣泛推廣。三維地質模型在目前的建筑領域得到了很好地應用，所組建的模型對于幫助技術人員及時糾錯，提高設計方案可操作性有著積極地作用，將體視化技術與三維地質模型進行融合，能夠進一步提高模型本身的利用價值，為后續(xù)施工方案的制定奠定堅實的基礎。

1 三維地質模型可視化的基本流程

在組建三維地質模型的過程中，會涉及到許多類型的空間數(shù)據(jù)信息，如矢量、標量、張量等，在進行模型可視化構建時，需要遵循以下應用流程：

（1）數(shù)據(jù)生成階段，即對所需數(shù)據(jù)進行采集，其內容包括現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)、鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)、地下水位數(shù)據(jù)等，通常情況下，這些數(shù)據(jù)信息都需要技術人員進入到勘察區(qū)域內，借助相關的測量儀器對數(shù)據(jù)展開采集，隨后借助計算機對數(shù)據(jù)信息進行整理，使其形成相應的數(shù)據(jù)文件。

（2）數(shù)據(jù)處理階段，在構建三維地質模型時，為了提升模型構建的準確性，需要采集大量的原始數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)信息中還含有一些重復或者錯誤的數(shù)據(jù)信息，對此需要對這些數(shù)據(jù)信息進行處理，提煉出應用價值較高的數(shù)據(jù)信息，從而起到簡化模型組建流程的作用。

（3）可視化映射階段，這也是整個應用流程的關鍵環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)完成提煉簡化處理之后，可以從數(shù)據(jù)信息中提取出鉆孔位置點、邊界線、等高線等參數(shù)，組成相應的地質圖原件，對于剩余的數(shù)據(jù)信息可以將其轉換為能夠進行繪制操作的幾何圖形。

（4）圖形繪制階段，在第（3）步驟中，已經提前將幾何圖形的數(shù)據(jù)完成了可視化映射，對此在對其進行繪制時，可以直接利用現(xiàn)有的處理技術對其進行進一步加工，而且可視化映射出的圖案元件還可以借助計算機顯示出對應的圖案。

（5）圖案顯示階段，已經完成圖案繪制的的圖像，可以借助計算機顯示屏，或者其他用來成像的顯示屏來進行顯示，在該過程中，圖形已經完成了三維處理，這樣呈現(xiàn)出的圖形為三維圖形，圖形本身的立體感也更加強烈。

2 體視化相關內容概述

2.1 基本定義及原理

體視化是以計算機圖形學、計算機視覺和圖像處理等技術為基礎，并融合了這些知識以后發(fā)展起來的一個復雜的學科。體視化主要是研究體數(shù)據(jù)如何在計算機中變化、操作和顯示等問題，所以對體視化的研究很有實際意義。體視化研究包含的信息很豐富、完整，能夠很好的表示一些無形的類似于煙云、霧等的三維實體。體繪制算法中，認為在離散的數(shù)據(jù)場中每個立方體體素都具有各自不同的屬性值，在圖像處理中，可以直接通過計算所有體素對光線的作用，就能夠獲得其投影圖像[1]。

2.2 體數(shù)據(jù)

體數(shù)據(jù)最基本的組成單位是體素。體素經常有兩種定義：①中心點與采樣點在同一位置的長方體，該長方體體內的值都與采樣點的值相等且是不變的。②以相鄰的八個網格點為頂點的一個長方體，以這個長方體作為一個體素，而其體內的值是變化的，該體素內任何一個點的值都可以利用這8個頂點的函數(shù)值，通過線性插值來計算得到。所以三維體數(shù)據(jù)可以看成是由一系列小長方體體格組成的。對于三維地質建模，三維地質可視化的數(shù)據(jù)來源，主要包括：一是直接觀測得到的數(shù)據(jù)，如野外測量，遙感、GPS數(shù)據(jù)等；二是通過鉆孔獲取，鉆孔可以得到巖芯資料和測井資料等[2]。

2.3 總體框架結構分析

體視化總體框架結構可以分為以下模塊：①數(shù)據(jù)采集模塊，不同于常規(guī)數(shù)據(jù)采集，體視化采集的數(shù)據(jù)信息以圖像為主，同時還會采集體素化后的數(shù)據(jù)。而且為了提高圖像的采集質量，還會對二維切片圖像進行增強處理，為后續(xù)處理提供便利[3]。②轉換模塊，在該環(huán)節(jié)采集到的數(shù)據(jù)信息會通過旋轉、平移、縮放等處理，最后轉換成用來成像的三維數(shù)據(jù)信息。③數(shù)據(jù)分類模塊，對于完成轉化的三維數(shù)據(jù)，需要參照相應的分類標準，對其進篩選，劃分后一部分數(shù)據(jù)用來進行物體三維重建，而另一部分則基于體素的特征，對其進行針對顯示。④顯示模塊，無論分流至哪一部分，最終都會通過模塊進行顯示，這也是主要目的所在。

3 基于體視化的三維地質模型構建方法

3.1 實體模型法

在體視化技術應用基礎上，實體模型法屬于應用時間較長的模型構建方法，該方法主要借助一些簡單的面集合，來展現(xiàn)出實體表面具體形狀的一種方法。在實際應用過程中，會借助多邊形網格來圈定待測區(qū)域的邊界，然后在已經圈定好的區(qū)域內，利用三角面來完成覆蓋，三角形相較于其他多邊形，其應用靈活性較高，可以完成邊界結構的全面覆蓋，從而提高實體模型的構建效果。但是該方法在應用中，也面臨著一些問題，例如，結構輪廓線如何進行有效對應，對于內部分支如何進行處理，這些內容都是在應用過程中需要重點關注的部分，以提高該方法的實際應用價值[4]。

3.2 塊體模型法

與實體模型法形成互補的方法便是塊體模型法，該方法在應用過程中，會將整個實體結構當做是一個整體結構，同時在應用過程中還需要將這些空間結構劃分為多組規(guī)則的體元元素，隨后借助勘察手段，對體元內部的基礎屬性進行計算，匯總后得出可展現(xiàn)結構特征的模型結構。該方法在實際應用中，具備操作便捷度高、容易實現(xiàn)等應用優(yōu)勢，有利于技術人員對三維模型結構展開細致分析。不過該方法在應用中，其形體結構比較單一（長方體或正方體），這樣很難實現(xiàn)結構的靈活轉化，對此在面對復雜地形區(qū)域時，會與實體模型法共同使用，從而提高三維模型構建的準確性。

3.3 四面體模型法

所謂四面體模型法是在二維模型基礎上，向三維空間結構擴展的模型構建方法。該方法在實際應用過程中，會將散布在空間中的散亂點剖分成若干個四面體，這些四面體體元表面是四個三角形，可以把它看做是實體模型法的升級應用。同樣，四面體模型法在實際應用中具備較高的應用靈活性，將四面體任一面、一邊、一點進行調整，都可以再次構造出和原來 實體相似的四面體結構，而且利用該結構能夠快速得出結構的內部屬性，在面對地形復雜的區(qū)域時，具備著非常強的適用性。

3.4 類三棱柱模型法

從嚴格意義上來講，類三棱柱并不是三棱柱，其最大的特征是上下兩個面之間并不是呈平行狀態(tài)，而且三個側面的形狀也不盡相同。該模型方法的主要作用是可以對區(qū)域內部進行分割，使其能夠分解成若干個三維空間。并且在應用中還會將其與TIN建模技術關聯(lián)在一起，從而達到結構內部屬性數(shù)據(jù)采集的目的。該技術在實際應用中，不僅可以準確表達出結構特征，而且在滿足精準度要求的情況下，還能夠減少空間冗余數(shù)據(jù)的堆積。

3.5 混合模型法

所謂混合模型法是指在三維地質模型構建過程中，同時使用兩種及兩種以上的模型構建方法，該方法主要適用于一些地形非常復雜的區(qū)域，如上文中提到的，實體模型法經常與塊體模型法結合在一起進行使用，從而起到互補缺陷的作用。目前混合模型法可以分為以下幾種組合類型：第一種，互補式組合，即兩種技術呈現(xiàn)出相互彌補的特征，從而提高建模的精準度。第二種，鏈接式組合，該模式主要考慮到數(shù)據(jù)信息調用頻次較高，以此為媒介來完成信息組合，從而保持模型之間的拓撲關系。第三種，轉換式組合，在三維地質模型組建的過程中，有時需要對同一類實體進行不同情況的展示，該過程只是依靠于某一模型法很難實現(xiàn)，對此需要借助具備轉換特性的模型法來完成這一操作過程。第四種，集成式組合，根據(jù)用戶提出的需求，同一個實體對象也可以匯總出不同的數(shù)據(jù)結構，此時可以借助通用數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)管理，同時匹配相應的模型構建方法，以提高數(shù)據(jù)信息的利用價值。

4 結語

綜上所述，在科學技術水平快速提升的背景下，人們對于數(shù)據(jù)采集的精準度也有了新的要求。三維地質模型的構建，可以幫助人們更加直觀的了解采集數(shù)據(jù)的準確性和完整性，而體視化技術的應用，不僅可以進一步優(yōu)化模型的成像水平，而且能夠加快模型構建速度，提高數(shù)據(jù)信息的利用價值。