基于Voxler的煤炭地質(zhì)三維自動可視化應(yīng)用*

余永鵬，毛興軍，王 貝，馬永祥，王嘉文，陸愛國，譚 浩

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，寧夏 銀川 750000)

煤炭是關(guān)系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要能源[1-3]。1965年以來，能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭占比始終維持在55%以上[4]。煤炭勘查是煤炭開發(fā)利用的先行工作，合理布置勘查工作和利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行多維成果展示是相輔相成的，且尤為重要。傳統(tǒng)地質(zhì)工作中，資料分析或成果展示多數(shù)都是對單一方法采用一二維繪圖的方式實現(xiàn)，也有些情況是采用幾種方法的“套合圖”達(dá)到綜合分析的目的，都可能存在對地質(zhì)數(shù)據(jù)分析不足的缺點。

近年來，越來越多的領(lǐng)域利用三維可視化技術(shù)取得了顯著效果[5-8]，尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，三維重建成像技術(shù)對病灶的大小、位置、形態(tài)的展示更精準(zhǔn)[9]，極大提高了疾病救治效果。地質(zhì)三維可視化與醫(yī)學(xué)三維成像在技術(shù)上具有一定的相似性。地質(zhì)三維可視化模型能以一定比例模擬展示地質(zhì)情況，使地質(zhì)人員能以真實視角觀察和分析地質(zhì)現(xiàn)象，解釋地質(zhì)規(guī)律，研究和部署地質(zhì)勘查工作，提高地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視性，更好發(fā)揮地質(zhì)數(shù)據(jù)價值[10]。

從20世紀(jì)80年代開始，前人對地質(zhì)三維建模技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。經(jīng)過近40年的發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的使用已較為普遍，很多礦權(quán)交易市場都要求申請礦權(quán)交易的區(qū)塊提供三維地質(zhì)模型。國內(nèi)學(xué)者開展相關(guān)研究工作起步較晚，經(jīng)過無數(shù)科研工作者近30年的努力，近些年有若干功能較為穩(wěn)定的產(chǎn)品問世，如北京科技大學(xué)研制和改進(jìn)的“礦床三維可視化仿真系統(tǒng)”、中國礦業(yè)大學(xué)研制開發(fā)的“GeoMo3D”、中地數(shù)碼公司研發(fā)的“MapGIS”等，這些軟件已經(jīng)相對成熟，在國內(nèi)占據(jù)了一定市場[10-12]。

因勘查數(shù)據(jù)管理體系的不同和數(shù)據(jù)的多源性，三維地質(zhì)可視化技術(shù)在煤炭地質(zhì)領(lǐng)域的成功應(yīng)用案例還不多見。在一些中小型地質(zhì)勘查項目中，因建模流程相對繁瑣，不易推廣應(yīng)用。Voxler軟件是Golden Software公司出品的三維科學(xué)繪圖軟件，與Surfer軟件同出一源，其操作邏輯、數(shù)據(jù)格式等具有相似性和兼容性，近年來在地學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[13-18]。該軟件提供了豐富的二次開發(fā)接口，通過計算機編程或腳本“操作”軟件，定制開發(fā)適合自身的建模軟件，能有效降低地質(zhì)三維可視化模型的建立難度。

本文以寧夏某井田的煤炭地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)為例，利用Visual C++對Voxler軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了煤炭地質(zhì)三維可視化模型的自動建立，說明了該技術(shù)的優(yōu)勢。

1 煤炭地質(zhì)三維可視化技術(shù)

在煤炭勘查中會投入物探、鉆探、測繪等多種方法手段，建立煤炭地質(zhì)三維可視化模型的目的是通過多源數(shù)據(jù)的三維分析研究地層的展布、形態(tài)、煤層分布等情況。建模過程中重點研究的內(nèi)容有兩方面：一是鉆孔三維可視化模型建立；二是煤巖層底界三維可視化模型建立[18]。

1.1 鉆孔三維可視化

鉆探是一種直接的地質(zhì)勘查方法。建立鉆孔三維可視化模型對研究地層和巖性分布規(guī)律有重要意義，其主要內(nèi)容是建立鉆孔的三維軌跡，并在此基礎(chǔ)上展示地層和巖性。

鉆孔三維軌跡是利用一系列離散測點上的孔斜數(shù)據(jù)(測點深度、傾角、方位角)，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算后獲得。鉆孔軌跡的計算方法有最小曲率法、平均角度法、平衡切線法等數(shù)十種方法，不同方法計算得到的結(jié)果也存在一定差異，目前應(yīng)用較多的是最小曲率法[19-20]。得到鉆孔軌跡數(shù)據(jù)后，與地層和巖層頂?shù)装迳疃葦?shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，即可顯示鉆孔柱狀。

建立鉆孔模型所需數(shù)據(jù)有3類，分別為鉆孔孔口基本數(shù)據(jù)、測斜數(shù)據(jù)和地層分層數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表1、表2和表3所示。為了提高柱狀模型可視性和展示效果，巖性由柱狀顏色表示，地層年代由柱狀直徑(粗細(xì))表示。地層和巖性也需采用數(shù)字代號代替。建成的鉆孔三維模型效果如圖1所示。

表1 鉆孔孔口基本數(shù)據(jù)一覽表

表2 鉆孔測斜數(shù)據(jù)一覽表

表3 鉆孔地層分層數(shù)據(jù)一覽表

圖1 鉆孔柱狀三維可視化模型示意圖

1.2 煤巖層底界三維可視化

在煤炭地質(zhì)勘查中，通過煤巖層底界形態(tài)可以研究地層展布和構(gòu)造發(fā)育情況[11]。在二維圖形中，一般通過繪制煤層底板等高線圖或剖面圖進(jìn)行研究，存在難以進(jìn)行立體對比分析的不足。三維模型可以直接展示地層的高低起伏，能“看見”地層的展布形態(tài)，對構(gòu)造等進(jìn)行直接分析。

煤巖層底界三維模型通過建立數(shù)字高程模型(DEM)或規(guī)則矩形網(wǎng)格(GRD)實現(xiàn)，即通過鉆孔(或其他勘查方法)提取煤巖層底板上一系列點的三維坐標(biāo)，然后對離散點進(jìn)行內(nèi)插值的方式形成DEM模型或GRD網(wǎng)格，目前有很多軟件和算法可以實現(xiàn)[21-22]。與Voxler兼容較好的軟件是Surfer，該軟件提供了多種網(wǎng)格化的方法[23]，其中，平均角度法、平衡切線法、最小曲率法和切線法等方法可以加載斷層或斷裂，生成的GRD文件中可以顯示斷層信息。

2 自動可視化建模方法

2.1 Voxler建模方法

Voxler是一款三維科學(xué)可視化軟件，能展示矢量圖、等值面圖、切片圖、流線圖、散點圖、體積渲染圖、鉆孔柱狀等三維圖形，對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種復(fù)雜分析和運算。

該軟件對模型采用模塊化的方式管理。模塊基本分為數(shù)據(jù)源模塊、計算模塊和圖形輸出模塊3類，與此對應(yīng)的建模步驟也分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和圖形輸出3步。模塊之間通過“堆積”和“連接”方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出，修改模塊屬性可實現(xiàn)不同功能，如通過修改數(shù)據(jù)源模塊屬性可以匹配源數(shù)據(jù)的格式和類型。

2.2 基于Voxler的自動可視化建模流程

通過人工操作方式建模時，通常由操作者判定每一步操作的正確性和合理性。自動可視化建模是通過計算機“操作”和“控制”建模軟件的運行，基本流程操作、模塊屬性修改、圖形修飾工作均由計算機完成。因此，自動可視化建模必須要建立正確合理的流程，在建模過程中無需判定操作的正確性與合理性，最后由操作者判斷模型是否可用，是否有必要進(jìn)行修飾工作。

通過對煤炭地質(zhì)三維可視化技術(shù)的研究，結(jié)合操作流程和Voxler軟件功能特征，建立了煤炭地質(zhì)三維自動可視化建模流程，如圖2所示。該流程主要由鉆孔三維自動可視化建模和煤巖層底板三維自動可視化建模兩個子流程組成。

圖2 煤炭地質(zhì)三維自動可視化建模流程圖

鉆孔自動建模中，一次性導(dǎo)入鉆孔建模所需的3類數(shù)據(jù)后形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)源模塊，在各數(shù)據(jù)源模塊中修改相應(yīng)屬性，以匹配鉆孔數(shù)據(jù)特有的數(shù)據(jù)格式后，全部“連接”至“WellData”模塊，對3類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理計算，然后,通過“WellRender”模塊實現(xiàn)三維可視化展示。

煤巖層底板自動建模中，流程可細(xì)分為兩部分：第一部分為一次性批量導(dǎo)入一個或多個底板文件，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)源模塊；第二部分是依次用“HeightField”模塊生成三維模型圖?？紤]到模塊名稱沖突的問題，需要對每個新建模塊重命名。

每個子流程的最后，都通過軟件進(jìn)行自動化圖形修飾工作。如圖2所示，在兩個子流程中均加入了“變換”模塊，該模塊可以實現(xiàn)模型在不同方向的比例變換，能提高模型的可視性。在流程管理中，還將常用的參數(shù)(如初始文件路徑)存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，便于程序啟動時直接調(diào)用，達(dá)到操作便捷的目的。

自動化流程的控制主要有兩種方式：一種是通過預(yù)先設(shè)置控制條件；另一種是通過程序運行過程中的提示和人機交互控制。多數(shù)建模工作類似于“流水線”式的作業(yè)，建議采用第一種方式更便捷。

3 自動可視化建模方法實現(xiàn)

3.1 Volxer的Automation技術(shù)與對象模型

Voxler提供了對ActiveX Automation技術(shù)的支持，并提供了自動化腳本的編程語言和工具(ScripterTM)，也能通過使用訪問自動化對象的編程工具對其進(jìn)行“二次開發(fā)”，包括Visual C++，WSH(Windows Scripting Host)等。自動化技術(shù)的優(yōu)勢是可以利用編程技術(shù)讓軟件自動執(zhí)行重復(fù)和復(fù)雜的任務(wù)，能讓使用者無需熟悉Voxler軟件即可訪問Voxler功能。

軟件中的功能都對應(yīng)相應(yīng)的對象，每一個對象都具有自己的屬性和方法。用戶通過Automation技術(shù)對軟件進(jìn)行的所有操作，都是對“對象”進(jìn)行的。Voxler采用層次化的方式組織其自動化對象，其中，應(yīng)用程序(Application)對象位于層次結(jié)構(gòu)的頂部，所有其他對象都要從應(yīng)用程序?qū)ο笾苯踊蜷g接獲得，各個對象的獲得都需要一層一層的進(jìn)行，如圖3所示，為Voxler自動化對象層次結(jié)構(gòu)圖。

圖3 Voxler軟件自動化對象層次結(jié)構(gòu)圖

3.2 自動可視化建模方法實現(xiàn)

筆者在Visual Studio 2019平臺上利用Visual C++語言對Voxler二次開發(fā)，實現(xiàn)了煤炭地質(zhì)三維自動可視化建模程序，程序啟動后的主界面如圖4所示。

圖4 三維自動化建模程序主界面

在建模過程中，需要將原地質(zhì)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為Voxler軟件兼容的數(shù)據(jù)格式，但很多單位都有相對固定的地質(zhì)數(shù)據(jù)管理體系和數(shù)據(jù)格式，因此，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換可以通過計算機編程實現(xiàn)，達(dá)到地質(zhì)數(shù)據(jù)與建模軟件的“無縫銜接”。為了方便管理建模過程中產(chǎn)生的各類“中間”數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)工作目錄進(jìn)行存放，并將該目錄保存在圖2所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，操作者不再參與數(shù)據(jù)文件的管理。在程序的一些操作中，程序默認(rèn)選擇該目錄下的數(shù)據(jù)文件，而無需手動選擇。

程序的流程控制是通過預(yù)先設(shè)置條件的方式，即通過設(shè)置復(fù)選框按鈕的狀態(tài)實現(xiàn)。圖中的復(fù)選框共有4類，分別為“導(dǎo)入文件”、“生成圖形”、“顏色填充”、“顯示色標(biāo)”，其中，“導(dǎo)入文件”控制導(dǎo)入數(shù)據(jù)并生成源數(shù)據(jù)模塊，“生成圖形”為建立三維模型過程，“顏色填充”和“顯示色標(biāo)”為圖形修飾內(nèi)容。4類復(fù)選框存在遞進(jìn)關(guān)系，須依次選擇，否則部分復(fù)選框為只讀且未選中狀態(tài)。

在鉆孔建模部分，界面顯示已經(jīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀入了工作目錄路徑，并選中了該目錄下默認(rèn)的鉆孔數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)不存在，則程序運行會報錯，也可以點擊“基礎(chǔ)信息”、“孔斜數(shù)據(jù)”、“鉆孔柱狀”按鈕，選擇其他路徑下的數(shù)據(jù)文件。

在底板建模中，通過點擊按鈕可以批量選擇一個或多個底板網(wǎng)格文件導(dǎo)入并建模。在計算機程序中，采用兩個循環(huán)實現(xiàn)圖2中底板三維自動可視化流程的兩個部分，即依次導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)源模塊和依次建立每個底板網(wǎng)格的三維可視化模型。

模型建立完成后，通過“比例調(diào)整”中的按鈕可以實時調(diào)整模型在三個方向的顯示比例，也可以在Voxler中通過鼠標(biāo)實時任意放大、縮小和旋轉(zhuǎn)模型。

因軟件操作上具有相似性，以下僅展示部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)的代碼。

(1)程序調(diào)用(啟動)Voxler軟件，定義相關(guān)對象，新建Voxler項目工程。

#import "C:Program FilesGolden SoftwareVoxler 4Voxler.exe" no_namespace //調(diào)用Voxler前，需先導(dǎo)入Voxler的類型庫

IApplicationPtr pApp; //定義Voxler類相關(guān)對象

ICommandApiPtr pDocs; //定義Voxler的CommandApi對象，對程序的所有操作都是基于該對象

IApplicationPtr pApp(__uuidof(Application)); //創(chuàng)建Voxler應(yīng)用程序?qū)ο髉Docs = pApp->CommandApi; //訪問Api對象

pDocs->Construct("NewNet"); //通過Construct方法調(diào)用“創(chuàng)建新項目”命令

pDocs->Do(); //執(zhí)行語句，Construct中列出的操作須通過該語句執(zhí)行

(2)導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)，形成以數(shù)據(jù)文件名稱命名的數(shù)據(jù)源模塊，設(shè)置屬性以匹配數(shù)據(jù)格式。

pDocs->Construct("Import"); //通過Construct方法調(diào)用“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”命令

pDocs->Option("Path", (_bstr_t)m_holeparapath); //設(shè)置導(dǎo)入文件的路徑，變量m_holeparapath中為數(shù)據(jù)文件的完整路徑，數(shù)據(jù)文件的名稱為“holepara.dat”

pDocs->Do(); //執(zhí)行Construct方法后的語句

pDocs->Construct("ModifyModule"); //通過Construct方法調(diào)用“修改模塊屬性”命令

pDocs->Option("Module", "holepara.dat"); //要修改的模塊名稱為“holepara.dat”

pDocs->Option("OutputType", "1"); //設(shè)置數(shù)據(jù)源類型，“1”為鉆孔數(shù)據(jù)

pDocs->Option("WellSheetType", "1"); //設(shè)置鉆孔數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，“1”為鉆孔孔口基本數(shù)據(jù)

pDocs->Option("WellColID", "1"); //設(shè)置鉆孔孔號為數(shù)據(jù)文件第1列

…//設(shè)置數(shù)據(jù)各列與軟件匹配

pDocs->Do(); //執(zhí)行Construct方法后的語句

鉆孔測斜數(shù)據(jù)和分層數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，生成的數(shù)據(jù)源模塊名稱分別為“dip.dat”和“holebase.dat”。

(3)創(chuàng)建鉆孔數(shù)據(jù)模塊(WellData)，連接源數(shù)據(jù)模塊。

pDocs->Construct("CreateModule"); //通過Construct方法調(diào)用“創(chuàng)建模塊”命令

pDocs->Option("AutoConnect", "False");//設(shè)置創(chuàng)建的模塊不連接數(shù)據(jù)源

pDocs->Option("Type", "WellData");//設(shè)置新建的模塊類型為“WellData”，默認(rèn)的模塊名稱亦為“WellData”

pDocs->Do();//執(zhí)行語句

pDocs->Construct("ConnectModules");//通過Construct方法調(diào)用“連接模塊”命令

pDocs->Option("SourceModule", "holepara.dat");//連接輸入端模塊的名稱，為“holepara.dat”

pDocs->Option("TargetModule", "WellData");//連接輸出端模塊的名稱，為“WellData”

pDocs->Option("TargetPort", "1");//目標(biāo)模塊的輸入端口索引號為1，依次為2,3…

pDocs->Do();//執(zhí)行語句

(4)創(chuàng)建鉆孔數(shù)據(jù)變換模塊(Transform)和模型輸出模塊(WellRender)?！癟ransform”模塊的輸入模塊為“WellData”模塊，輸出模塊為“WellRender”模塊。

(5)鉆孔模型可視化。通過“WellRender”模塊的屬性實現(xiàn)。

pDocs->Construct("ModifyModule"); //通過Construct方法調(diào)用“修改模塊屬性”命令

pDocs->Option("Module", "WellRender"); //要修改的模塊名稱為“WellRender”

pDocs->Option("WellRenderShowPath", "True");//設(shè)置顯示鉆孔軌跡

…//設(shè)置鉆孔軌跡顏色、柱狀粗細(xì)均通過數(shù)據(jù)展示，分別對應(yīng)巖性、地層年代。

pDocs->Do();//執(zhí)行語句

為了實現(xiàn)模型的整體統(tǒng)一比例變換，需要統(tǒng)一修改“變換模塊”的屬性。建模過程中，所有的“變換模塊”名稱保存在一個專門的數(shù)組中。模型建立后，每設(shè)置一次模型比例，程序獲得比例數(shù)值后依次修改“數(shù)組”中各“變換模塊”的屬性。

在程序中，通過判斷語句和選擇語句，控制程序運行過程。

4 應(yīng)用實例

為說明本文研究建立的煤炭地質(zhì)三維自動可視化建模方法的優(yōu)勢和效果，以寧夏某井田以往煤炭地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)為例，利用程序建立了該井田的煤炭地質(zhì)三維可視化模型，驗證了建模流程。結(jié)果表明，自動可視化技術(shù)在一定程度上可以替代人工建模。

該模型的模塊聯(lián)絡(luò)圖如圖5所示，聯(lián)絡(luò)器中展示了通過自動化程序創(chuàng)建的模塊和連接情況。圖中 “holepara.dat”、“dip.dat”、“holebase.dat”分別為鉆孔井口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、測斜數(shù)據(jù)和柱狀分層數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源模塊，模塊“WellData”為鉆孔數(shù)據(jù)特有的數(shù)據(jù)處理模塊，“WellRender”模塊為鉆孔三維模型輸出模塊。在煤層底板三維模型中，“**.grd”為**煤層的底板GRD網(wǎng)格文件，右側(cè)的模塊“**”為煤層底板的三維模型輸出模塊。聯(lián)絡(luò)器中的“**_Tr”模塊為數(shù)據(jù)變換模塊。

圖5 自動化建模形成的模塊聯(lián)絡(luò)圖

自動化技術(shù)建立的井田(局部)煤炭三維可視化模型如圖6所示，圖中完整展示了所有的鉆孔三維軌跡、地層界線、鉆孔見煤情況、煤層底板的三維起伏形態(tài)和構(gòu)造展布等情況。三維可視化模型可以使地質(zhì)工作者在三維空間中研究地質(zhì)構(gòu)造的變化規(guī)律和展布形態(tài)，布置下一步的地質(zhì)工作。還可以在此模型上疊加煤質(zhì)、地溫、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行其他地質(zhì)問題的研究。

圖6 自動化建立的煤炭地質(zhì)三維可視化模型

總體而言，通過自動化技術(shù)能點擊一次鼠標(biāo)完成多個鉆孔或地層三維可視化模型的建立，讓操作者無需再熟悉建模軟件的功能和繁雜的操作。相對傳統(tǒng)人工建模技術(shù)，該技術(shù)能有效提高建模的效率和質(zhì)量，降低建模難度，為地質(zhì)技術(shù)人員分析地質(zhì)資料提供了一種新的途徑，對提高地質(zhì)勘查質(zhì)量有促進(jìn)意義。

5 結(jié) 論

(1)通過Voxler軟件及自動化技術(shù)可以實現(xiàn)高效、便捷地自動化建模技術(shù)，使用者無需熟悉Voxler軟件的功能即可使用Voxler軟件建模。

(2)本文建立的自動化建模流程，基本適合多數(shù)情況下的煤炭地質(zhì)勘查項目，通過一次設(shè)置建模參數(shù)和點擊一次鼠標(biāo)，即可實現(xiàn)建模過程的全自動化管理，提高了建模效率和質(zhì)量，工作量越大，效果越明顯，具有經(jīng)濟性和推廣價值。

(3)本文只是實現(xiàn)了鉆孔和底板的自動化建模技術(shù)，為地質(zhì)多源數(shù)據(jù)的三維分析提供了新途徑，研究成果在地質(zhì)數(shù)據(jù)分析、地球物理三維成像等多源數(shù)據(jù)的三—四維分析方面更具價值。

(4)文中僅給出了核心流程、代碼和數(shù)據(jù)格式，為使用者提供一種思路，可以根據(jù)自身工作需要利用計算機編程實現(xiàn)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理體系的無縫銜接。