地質(zhì)勘探可視化關(guān)鍵技術(shù)研究

郭 冰

（河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052）

礦山地質(zhì)材料3D 可視化技術(shù)是地質(zhì)研究的創(chuàng)新領(lǐng)域，研究目的是應(yīng)用3D 計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，以3D 方式顯示礦井地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)中的地質(zhì)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更直觀。為礦井勘探開(kāi)發(fā)提供更好的決策支持。礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)的3D 可視化是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及學(xué)科眾多。地面導(dǎo)航關(guān)鍵數(shù)據(jù)的組織與可視化，地下地質(zhì)對(duì)象的3D 建模與可視化是與礦產(chǎn)資源開(kāi)采密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，探討地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化，利用地質(zhì)建模技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)模型，將地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形，有助于直觀呈現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層的內(nèi)在屬性特征，有助于地質(zhì)學(xué)家進(jìn)行地質(zhì)分析和評(píng)估。

1 礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化基本流程

可視化技術(shù)為研究人員提供了處理和解釋地質(zhì)數(shù)據(jù)的有效途徑，可以幫助研究人員理解數(shù)據(jù)內(nèi)在意義，地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化基本流程如下。

圖1 地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化基本流程

首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。此時(shí)，由于數(shù)據(jù)源和可視化數(shù)據(jù)格式不同，原始數(shù)據(jù)被預(yù)處理為渲染器可以處理的數(shù)據(jù)格式。如果原始數(shù)據(jù)被壓縮，則應(yīng)在此階段對(duì)其進(jìn)行解壓縮。

其次，映射成幾何數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)制圖使用特定的點(diǎn)、線(xiàn)、面等來(lái)表示數(shù)據(jù)中包含的抽象的或不可見(jiàn)的科學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象。通常使用向量場(chǎng)、張量場(chǎng)、標(biāo)量場(chǎng)表示。其中，標(biāo)量場(chǎng)包括提取二維輪廓，重建和可視化三維表面以及生成可視化三維標(biāo)量場(chǎng)的等值面等方法。矢量場(chǎng)包括流線(xiàn)、流面、粒子動(dòng)畫(huà)生成、矢量場(chǎng)拓?fù)浔硎?、?shù)據(jù)特征可視化等方法。張量場(chǎng)包含圓柱箭頭或超流線(xiàn)表示方法。

再次，幾何數(shù)據(jù)繪制成圖像數(shù)據(jù)：在屏幕上繪制點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何結(jié)構(gòu)，表示通過(guò)整理數(shù)據(jù)得到的原始對(duì)象的結(jié)構(gòu)和屬性。

最后，呈現(xiàn)可視化結(jié)果并為研究人員提供反饋機(jī)制，幫助用戶(hù)利用可視化數(shù)據(jù)，指導(dǎo)研究人員進(jìn)行研究工作?，F(xiàn)有的地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化工具主要有VTK、Open Inventor、DirectX、OpenOL等，可以通過(guò)角點(diǎn)網(wǎng)格形式呈現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

2 礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化方法分析

2.1 基于角點(diǎn)網(wǎng)格的地質(zhì)構(gòu)造模型3D可視化

基于角點(diǎn)網(wǎng)格建立地質(zhì)構(gòu)造模型的具體過(guò)程如下。

首先，預(yù)處理3D 地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以直接操作的坐標(biāo)和屬性值；其次，將3D 地質(zhì)模型定義為網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元作為一個(gè)體元素，每個(gè)體元素定義了自己的8 點(diǎn)空間坐標(biāo)值、激活控制值和values 屬性值?？臻g坐標(biāo)值可以確定體元素在空間中的位置；激活控制值來(lái)控制是否繪制體元素；屬性參數(shù)值通過(guò)顏色信息顯示儲(chǔ)層屬性信息。使用紋理映射的體積渲染方法按順序依次繪制體元素；最后，使用射線(xiàn)投影算法將3D 空間地質(zhì)信息投影到屏幕上進(jìn)行顯示。圖2 為基于角點(diǎn)網(wǎng)格的礦井地質(zhì)構(gòu)造網(wǎng)格模型，圖3 為單個(gè)體元素構(gòu)成的礦井地質(zhì)構(gòu)造模型。

圖2 礦井地質(zhì)構(gòu)造的角點(diǎn)網(wǎng)格模型

圖3 單個(gè)體元素組成的礦井地質(zhì)構(gòu)造模型

2.2 顏色屬性映射

地質(zhì)構(gòu)造模型可以呈現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造，但無(wú)法表示儲(chǔ)層屬性的性質(zhì)。因此，應(yīng)該使用每個(gè)體元素的儲(chǔ)層屬性值來(lái)表示地質(zhì)儲(chǔ)層特征和其他特征?？梢暬^(guò)程使用顏色信息來(lái)表示儲(chǔ)層的屬性特性。此過(guò)程主要基于顏色屬性映射方法。基本流程如下。

首先定義色譜，色譜最初是指一組系統(tǒng)或用戶(hù)定義的顏色值。色譜通常由RGB 顏色模型表示。優(yōu)點(diǎn)是顯示更方便，渲染效果更好。但是，如果在顏色映射過(guò)程中需要頻繁調(diào)整色譜，通常需要將RGB 顏色模型轉(zhuǎn)換為HSV 顏色模型，以方便后續(xù)的顏色調(diào)整；其次，定義儲(chǔ)層屬性映射規(guī)則。其目的是構(gòu)建儲(chǔ)層屬性信息與顏色信息的映射關(guān)系。即屬性值與顏色值匹配。先確定屬性參數(shù)地質(zhì)儲(chǔ)層的最大值Pmax 和最小Pmin 值，計(jì)算屬性參數(shù)值大小區(qū)間Prange=(Pmax -Pmin)。通常采用256 級(jí)顏色色譜，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)以及用戶(hù)的視覺(jué)要求，為精簡(jiǎn)計(jì)算，提高效率，映射時(shí)不做顏色插值處理；最后，根據(jù)已經(jīng)定義的映射規(guī)則，將地質(zhì)儲(chǔ)層屬性參數(shù)映射到顏色信息上，顏色屬性映射。

2.3 地質(zhì)剖面可視化

通過(guò)地質(zhì)剖面可以體現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)儲(chǔ)層特征。實(shí)踐中，可用地質(zhì)剖面來(lái)評(píng)估地質(zhì)結(jié)構(gòu)。地質(zhì)剖面是一種通過(guò)人機(jī)交互獲得的地質(zhì)分析數(shù)據(jù)。在獲得地質(zhì)剖面之后可以進(jìn)行地質(zhì)剖面3D 可視化。地質(zhì)剖面3D 可視化旨在以逼真的3D 畫(huà)面顯示離散剖面的坐標(biāo)信息和地質(zhì)儲(chǔ)層的屬性信息。由于從剖面得到的坐標(biāo)信息是基于角點(diǎn)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的，因此剖面可以用四邊形網(wǎng)格的形式表示，剖面結(jié)構(gòu)中積元素的儲(chǔ)層屬性信息被處理成剖面紋理。運(yùn)用紋理映射技術(shù)可以在剖面上繪制屬性紋理，完成剖面渲染。圖4 顯示了礦井地質(zhì)剖面3D 可視化。

圖4 礦井地質(zhì)剖面3D 可視化

3 礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)3D可視化系統(tǒng)

Open Inventor 是一個(gè)面向?qū)ο蟮?D 圖形用戶(hù)界面，提供強(qiáng)大的3D 圖形設(shè)計(jì)庫(kù)、內(nèi)容庫(kù)以及文件接口，還提供了豐富的插件，如VolumeViz、MeshViz 可是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化，大場(chǎng)景投影等功能。可以參考OpendTect3D 可視化模塊設(shè)計(jì)原理，借助其開(kāi)發(fā)庫(kù)進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)3D 可視化模塊開(kāi)發(fā)，將Open Inventor3D可視化方法進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)3D可視化。

根據(jù)圖5 可以看到，地質(zhì)3D 數(shù)據(jù)通過(guò)封裝的與對(duì)應(yīng)工廠類(lèi)接口得到3D 數(shù)據(jù)實(shí)例。使用3D 場(chǎng)景查看器可視化3D 數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)用Open Inventor 可視化方法，例如通過(guò)生成具有不同數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式的可視化工廠來(lái)實(shí)現(xiàn)地震線(xiàn)強(qiáng)度屬性的3D 可視化。

圖5 OpendTect 3D 可視化模塊構(gòu)成圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)礦井地質(zhì)勘查采用多種地球物理勘探方法，不同的勘察方法產(chǎn)生不同的結(jié)果。隨著礦井地質(zhì)勘探技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，各類(lèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)。如何有效地整合和展示礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵性問(wèn)題?；诮屈c(diǎn)網(wǎng)格的地質(zhì)構(gòu)造模型實(shí)現(xiàn)了礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)3D 可視化，通過(guò)顏色屬性映射方式來(lái)顯示地質(zhì)對(duì)象屬性。通過(guò)分析OpendTect 平臺(tái)開(kāi)源的3D 可視化模塊，分析如何實(shí)現(xiàn)3D 可視化系統(tǒng)，促進(jìn)地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)效率的提升，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。