基于巖性分層模型的鉆孔數(shù)據(jù)三維可視化方法研究

馬紹忠，朱 劍，馬驍馳

（廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，南寧 530000）

0 引言

創(chuàng)新與發(fā)展三維地理信息技術(shù)，形成地上、地表及地下自然資源與國土空間一體化三維管理機(jī)制，促進(jìn)自然資源科學(xué)化、精細(xì)化管理，是自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺建設(shè)的重要目標(biāo)[1]。鉆孔數(shù)據(jù)的可視化對于地下空間數(shù)據(jù)的挖掘與分析具有重要意義，傳統(tǒng)的方法以二維柱狀圖的方式表達(dá)鉆孔所揭示的地下分層情況，但鉆孔柱狀圖側(cè)重表現(xiàn)地質(zhì)鉆孔的縱向信息，無法展現(xiàn)鉆孔所處的空間位置，鉆孔之間地質(zhì)屬性的延展性不能較好體現(xiàn)。

在三維環(huán)境中顯示鉆孔數(shù)據(jù)，具有交互性強(qiáng)、直觀、靈活等特點(diǎn)，能夠在更加真實、形象的條件下進(jìn)行成果表達(dá)，從多角度、多維度觀察和探索某一區(qū)域地下空間情況。對于鉆孔數(shù)據(jù)的三維可視化，相關(guān)的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在鉆孔的三維模擬與顯示技術(shù)[2-6]和基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)[7-11]兩方面，其中比較突出的問題包括以下幾個方面。鉆孔數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和預(yù)處理步驟復(fù)雜、煩瑣，工作人員需要花費(fèi)大量的時間對原始記錄的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；由于部分三維平臺的功能局限，三維場景無法由地上無縫切換至地下；專業(yè)的地質(zhì)建模軟件在鉆孔可視化方面僅實現(xiàn)鉆孔軌跡的單一展示，不能有效地整合和利用其他專題數(shù)據(jù)，在鉆孔模型渲染、屬性信息查詢展示等方面靈活性較差。

本文提出一種使用Skyline 軟件原生幾何模型快速模擬和可視化鉆孔數(shù)據(jù)的方法，展現(xiàn)了具體的技術(shù)流程和實現(xiàn)細(xì)節(jié)，某礦山的應(yīng)用實例驗證了該方法的有效性。

1 鉆孔巖性分層數(shù)據(jù)模型

鉆孔數(shù)據(jù)一般存儲于電子表格，需進(jìn)行一定的預(yù)處理才能滿足三維可視化的需要。為了盡可能多地利用原始數(shù)據(jù)，最大限度減少數(shù)據(jù)處理的工作量，同時又滿足在三維場景中模擬和顯示鉆孔的應(yīng)用需求，本文以鉆孔數(shù)據(jù)的巖性分層為基礎(chǔ)，將鉆孔數(shù)據(jù)分為三類。

（1）鉆孔基本信息主要記錄鉆孔的基本情況，如鉆孔編號、孔口坐標(biāo)、孔深、孔徑、工作區(qū)名稱、施工單位、開工日期、終孔日期等。

（2）測斜信息主要記錄不同測段的信息，如測量序號、分段孔深、方位角、天頂角、測量時間、測量人員、偏距等。

（3）巖性分層信息主要記錄鉆孔所揭示的各個巖層的地質(zhì)、化學(xué)、水文、物理、工程等方面的參數(shù)信息，如分層號、換層深度、含水率、孔隙比、滲透率、飽和度、密度等。

鉆孔數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容因地質(zhì)工作專題的不同而略有差異，為了更好地表達(dá)各類專題鉆孔，鉆孔數(shù)據(jù)內(nèi)容被分為必要信息和擴(kuò)展信息。必要信息為鉆孔模型渲染提供參數(shù)，是可視化的位置和形態(tài)基礎(chǔ)；擴(kuò)展信息則可以根據(jù)專題內(nèi)容進(jìn)行選擇性地添加，目的是更好地管理鉆孔數(shù)據(jù)、查詢屬性、查看圖件報告等。鉆孔巖性分層數(shù)據(jù)模型如圖1 所示，其中，“*”代表主鍵，“#”代表外鍵；粗體代表必要信息，非粗體代表擴(kuò)展信息；鉆孔基本信息與測斜信息、巖層分層信息之間關(guān)系為一對多（1：n）。

圖1 鉆孔巖性分層數(shù)據(jù)模型

2 鉆孔數(shù)據(jù)三維可視化

鉆孔數(shù)據(jù)三維可視化包括幾何和屬性的三維視覺化表達(dá)。幾何的視覺化使用符號或幾何圖形將鉆孔顯示到三維場景，屬性的視覺化則通過靜態(tài)標(biāo)注或動態(tài)交互操作的方式將特定鉆孔的屬性信息展示在三維場景。Skyline 軟件通過兩種方式實現(xiàn)鉆孔的可視化表達(dá)。

第一種方式直接根據(jù)孔口位置或巖性分層點(diǎn)位置在三維場景中繪制幾何對象，這種方式存在以下不足。

（1）每段鉆孔模型均為獨(dú)立存在的幾何對象，都會被加載到數(shù)據(jù)目錄樹，分層數(shù)量較多時存在管理不便且無法統(tǒng)一設(shè)置和更改模型對象渲染方式的問題。

（2）僅能瀏覽鉆孔的空間形態(tài)，無法查看每個鉆孔或巖性分層的詳細(xì)屬性信息。

（3）鉆孔模型只能在Skyline 軟件中查看，無法另存為圖層，不利于數(shù)據(jù)的共享與交換。

第二種方式將孔口位置或巖性分層點(diǎn)位置作為一個獨(dú)立的圖層加載到三維場景，通過設(shè)置圖層的顯示方式及參數(shù)完成可視化表達(dá)。這種方式能有效地避免第一種方式存在的問題，使用起來方便、靈活，本文采用此方式實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)的三維可視化。

為了在Skyline 軟件中實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)地表、地下二三維一體化表達(dá)鉆孔，需利用二次開發(fā)接口讀取電子表格中規(guī)范化處理的鉆孔數(shù)據(jù)，計算生成孔口位置點(diǎn)圖層和巖性分層點(diǎn)圖層，均以ESRI Shapefile（*.shp）格式進(jìn)行存儲。在TerraExplorer 模塊中加載圖層，設(shè)置鉆孔點(diǎn)位及巖層模型的渲染符號和空間位置、形態(tài)參數(shù)，配置屬性查詢的方式和內(nèi)容，即可實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)三維可視化。加載研究區(qū)內(nèi)相關(guān)專題數(shù)據(jù)，與鉆孔模型集成展示，根據(jù)需要靈活調(diào)整鉆孔模型的渲染方式，查看鉆孔及每個巖層的屬性，瀏覽相應(yīng)的圖件報告等，以更加直觀的方式挖掘鉆孔數(shù)據(jù)提供的信息。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 鉆孔數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)流程

2.1 孔口位置點(diǎn)圖層生成

孔口位置點(diǎn)圖層記錄每個鉆孔的位置及其屬性信息，將孔口位置疊加顯示在地表，可以快速直觀地展現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)鉆孔的分布情況。圖層中的每個點(diǎn)代表一個鉆孔，其位置為孔口坐標(biāo)，屬性為鉆孔的必要信息和擴(kuò)展信息，孔口位置點(diǎn)圖層的必要屬性字段如表1 所示，擴(kuò)展屬性字段根據(jù)需要添加。

表1 孔口位置點(diǎn)圖層的必要屬性字段

2.2 巖性分層點(diǎn)圖層生成

巖性分層點(diǎn)圖層記錄巖性分層的空間位置、空間形態(tài)及屬性信息。每個點(diǎn)代表一個巖性分層，點(diǎn)的坐標(biāo)記錄當(dāng)前巖層與下伏巖層分界位置。巖層以獨(dú)立特征點(diǎn)的形式存儲在圖層，這樣能夠更好地表達(dá)傾斜鉆孔、關(guān)聯(lián)查詢巖性分層的屬性信息與圖件報告等。每個特征點(diǎn)的屬性信息繼承自鉆孔的巖性分層表和測斜表，而空間位置和空間形態(tài)信息則由孔口位置和測斜信息逐段計算。巖性分層點(diǎn)圖層的必要屬性字段如表2 所示，擴(kuò)展屬性字段根據(jù)需要添加。

表2 巖性分層點(diǎn)圖層的必要屬性字段

巖性分層點(diǎn)圖層是鉆孔柱狀模型表達(dá)的關(guān)鍵，各分層點(diǎn)的位置需綜合計算記錄鉆孔信息的3 個表格。計算之前先按照換層深度對所有的巖性分層點(diǎn)進(jìn)行排序，若測斜表中2 個測段交接處不是巖性分層點(diǎn)，該位置作為一個虛擬的巖性分層被增加到分層記錄。假設(shè)巖層S為鉆孔的某一巖性分層，首先，根據(jù)鉆孔編號從巖性分層記錄表中提取上一分層點(diǎn)的位置和換層深度以及當(dāng)前分層的換層深度，若當(dāng)前計算的分層為鉆孔的第一個分層，則取孔口位置表中對應(yīng)鉆孔的孔口位置且換層深度賦值為0；然后，根據(jù)鉆孔編號及當(dāng)前分層的換層深度從測斜表中提取對應(yīng)測段的方位角、天頂角；最后，計算巖層S的分層點(diǎn)位置，公式如公式（1）。

式中：d1為上一分層點(diǎn)的換層深度；d2為巖層S的換層深度；d為巖層S的厚度；α為對應(yīng)測段的方位角；β為對應(yīng)測段的天頂角；Px、Py和Pz分別為上一分層點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程；Sx、Sy和Sz分別為巖層S的分層位置點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高程。

分別取每個鉆孔的所有分層，按照以上步驟逐層計算分層點(diǎn)的位置，屬性信息則復(fù)制所在位置對應(yīng)的巖性分層信息。

2.3 孔口位置模型參數(shù)配置

孔口位置可視化包括孔口空間位置的圖標(biāo)和鉆孔的說明性標(biāo)注（一般為鉆孔編號）。將孔口位置點(diǎn)圖層加載到三維場景中，顯示符號的Type設(shè)置為Image Label，路徑設(shè)置為預(yù)先處理好的鉆孔符號圖片存放路徑。其他參數(shù)的設(shè)置分如下2 種情況。

（1）普通屬性參數(shù)。設(shè)置屬性對話框類型為Attributes，定義每個屬性的名稱、描述、值及提示。

（2）附件屬性參數(shù)。一般將圖片、文檔等文件存儲于文件服務(wù)器，依據(jù)鉆孔編號將文件路徑賦值到孔口位置點(diǎn)圖層的屬性，在Skyline 軟件中通過參數(shù)設(shè)置的方式實現(xiàn)關(guān)聯(lián)查看。若附件為圖片則設(shè)置屬性對話框類型為HTML/Image；若附件為普通文檔則將屬性對話框類型設(shè)置為File，并設(shè)置每個鉆孔所要關(guān)聯(lián)查看的附件路徑。對于鉆孔的說明性標(biāo)注，僅需將顯示符號設(shè)置為Text Label，并設(shè)置標(biāo)注的屬性字段，調(diào)整文字參數(shù)。

2.4 巖性分層模型參數(shù)配置

本文將巖性分層點(diǎn)圖層加載到三維場景，設(shè)置顯示符號的Type 為Cylinder，設(shè)置Attitude、Height、Yaw、Pitch 參數(shù)，這些參數(shù)分別對應(yīng)巖性分層點(diǎn)圖層的高程、層厚、方位角、天頂角屬性字段。柱狀模型的參數(shù)設(shè)置方法與孔口位置點(diǎn)圖層的設(shè)置類似，同樣區(qū)分不同的參數(shù)類型。

地質(zhì)鉆孔在水平方向的幾何尺寸較小，而深度則可達(dá)幾十米甚至數(shù)百米，依照實際孔徑直接繪制的柱狀模型往往呈比例極不協(xié)調(diào)的線狀，不便于在小比例尺場景下瀏覽。為解決這一問題，本文使用孔徑縮放系數(shù)調(diào)整鉆孔柱狀模型在水平方向上的縮放比例，在Skyline 軟件中動態(tài)設(shè)定Radius X 參數(shù)為孔徑縮放系數(shù)。此外，為了保證三維場景同時加載的數(shù)據(jù)不至于過多，提高模型渲染的效率和交互響應(yīng)速度，同時又能在大比例尺下查看鉆孔的細(xì)節(jié)，需要根據(jù)實際情況設(shè)置鉆孔柱狀模型的最大可見距離（Max.Visibility Distance）和最小可見距離（Min.Visibility Distance）。

2.5 模型渲染及多源數(shù)據(jù)集成展示

除了空間位置和空間形態(tài)外，顏色和紋理對于鉆孔模型的渲染也是必不可少的。實際應(yīng)用往往根據(jù)數(shù)據(jù)展示和分析的需要，靈活設(shè)置模型的顏色和紋理。為了查看巖性分層情況，可以根據(jù)巖層的分層編號進(jìn)行唯一值渲染；為了直觀表現(xiàn)鉆孔深度，可以根據(jù)巖層的深度使用顏色帶渲染；為了突出顯示見礦巖層，可以結(jié)合屬性表中的見礦屬性字段，采用自定義顏色突出顯示見礦巖層，關(guān)閉或弱化其他巖層的顯示；為了便于與傳統(tǒng)柱狀圖比較，可以為模型設(shè)置規(guī)范的紋理圖案或巖心照片。

要進(jìn)一步分析地下空間特征信息，需查看鉆孔記錄的原始信息、分析報告、圖片資料等。Skyline 軟件提供了豐富的屬性查看方式，如鼠標(biāo)懸停提示、標(biāo)簽提示、對話框展示、網(wǎng)頁顯示等，可根據(jù)需要設(shè)置屬性的顯示方式和需要顯示的屬性信息。

除了鉆孔數(shù)據(jù)外，地表地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)專題數(shù)據(jù)、無人機(jī)傾斜攝影模型等，均能從不同角度為地下空間特征研究、礦山設(shè)計開采、自然資源管理提供有用的信息。本文將鉆孔三維模型與不同專題、不同來源的數(shù)據(jù)集成展示，從不同視角瀏覽鉆孔數(shù)據(jù)，查看各個專題數(shù)據(jù)的屬性信息，動態(tài)、直觀地展示研究區(qū)域內(nèi)地下和地表的空間特征及狀態(tài)，更好地輔助決策分析。

3 應(yīng)用實例

為了驗證方法的有效性，本文選取了某礦山的鉆孔數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維可視化。使用的Skyline 軟件版本為V6.5，TerraExplorer、TerraBuilder 模塊運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境為視窗（Windows）10 操作系統(tǒng)，TerraGate 模塊運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境為視窗服務(wù)器（Windows Server）2012 操作系統(tǒng)。本文共收集19 條鉆孔數(shù)據(jù)，按照巖性分層模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理并存儲在表格中，鉆孔的深度為210～550m，測段數(shù)為5～14 段，巖性分層數(shù)為22～60 層。數(shù)字高程模型與遙感影像通過TerraBuilder 生成MPT 格式文件，該文件被加載到TerraExplorer 中并作為三維場景的底圖，其他專題數(shù)據(jù)均已通過ArcGIS Server（服務(wù)器）發(fā)布為表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（representational state transfer，REST）服務(wù)或通過TerraGate 發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（web feature service，WFS），可直接在TerraExplorer 中集成顯示，數(shù)據(jù)的空間參考系統(tǒng)為2000國家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。

加載孔口位置點(diǎn)圖層和巖性分層點(diǎn)圖層，設(shè)置顯示符號和標(biāo)注參數(shù)，從地表和地下分別展示鉆孔及巖層分層點(diǎn)在空間位置上的分布。為鉆孔模型設(shè)置不同的渲染顏色和紋理，從不同角度挖掘鉆孔揭示的地下空間信息，如圖3 所示。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊孔口位置點(diǎn)符號或鉆孔柱狀模型，查看鉆孔基本信息、鉆孔柱狀圖、巖層屬性信息、巖心照片。將礦業(yè)權(quán)范圍、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、無人機(jī)傾斜攝影模型等加載到三維場景中并與鉆孔模型集成顯示，如圖4 所示，動態(tài)、直觀地展示研究區(qū)內(nèi)地表和地下的空間特征及狀態(tài)。

圖3 不同方式渲染鉆孔模型

圖4 鉆孔模型與多源數(shù)據(jù)集成顯示

4 結(jié)語

本文研究了在Skyline 軟件中使用原生幾何模型按巖性分層進(jìn)行鉆孔三維模擬和可視化的方法，從多角度、多維度顯示和查看鉆孔信息。應(yīng)用實例表明，該方法無需過多的數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)過程簡單、路徑清晰、易于理解，鉆孔模型渲染配置靈活，地上、地下場景無縫切換，多源數(shù)據(jù)集成能力強(qiáng)，能快速、直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)各個鉆孔的空間分布情況以及鉆孔所揭示的地下空間特征信息。該方法的應(yīng)用將有助于專業(yè)人員對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，為地質(zhì)決策服務(wù)提供更加直觀、準(zhǔn)確的信息。本文研究成果對于鉆孔數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理、三維地質(zhì)建模、自然資源三維立體“一張圖”建設(shè)等具有一定的借鑒意義。