地質結構三維建模及其可視化方法研究

摘 要：在對前人的研究成果進行了比較分析的基礎上提出了一種地質結構三維建模與可視化方法。該方法從多源數據融合角度出發，融合基礎地理數據、鉆孔數據、物探解譯剖面數據，利用空間插值技術構建三維空間數據場，采用三維硬件紋理直接體繪制技術進行體視化，以真三維形式表達了研究區域地層結構的空間分布特征與內部屬性信息。與前人研究相比，該方法反映地質結構更加準確，數據場建立速度更快。

關鍵詞：三維可視化； 三維空間數據場； 體繪制； 地質結構

中圖分類號：TP311.12文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0150-02

體繪制技術是指直接由三維空間數據場產生屏幕上的二維圖像的可視化技術。與傳統方法不同，直接體繪制技術避免了將原始數據的部分屬性映射成平面或曲面，而直接對精練及處理后的數據進行繪制，以生成二維圖像。這種技術能夠產生三維數據場的整體圖像，包括每一個細節，并具有圖像質量高，便于并行處理等優點［1］。利用直接體繪制技術進行地質結構的三維建模，可以從地質研究與真三維角度反映地質結構的空間分布特征與內部屬性信息，具有良好的應用前景。它一直是三維GIS與科學計算可視化研究領域一個重要的研究熱點。

針對地質數據具有的數據量大、特征值分布雜亂、沒有清晰光滑的分界面、需要表現的是地層變化的整體規律等特點，黃文靜等人［2］提出改進的光線投射算法對地質數據進行可視化；李仲學等人［3－7］將直接體繪制技術運用于采礦工程三維建模與可視化。上述研究成果主要是從采用體繪制算法進行體繪制方面進行闡述，沒有給出構建三維空間數據場的解決思路。馬仁安以三維地震數據為原始數據進行直接體繪制反演研究區域的地質結構，但由于三維地震數據獲取成本較高并受使用地域條件的限制，難以在城市地質方面應用［9－11］。顏輝武采用空間插值算法和光線投射算法將直接體繪制技術應用于水文地質體的可視化研究，對水文地質層及其內部的物理化學屬性進行了體視化，給出了從鉆孔資料構建三維空間數據場到采用體繪制算法進行體繪制的完整解決思路［12］。但其方法是先構建幾何曲面來描述水文地質層界面后，再進行規則采樣生成數據場。這種方法沒有發揮直接體繪制技術不需要構建中間幾何圖元的特點，而且實現速度較慢，難以達到實時繪制的效果。

1 地質結構的三維空間數據場構建

直接體繪制算法按照三維空間數據場的類型可以分為規則數據場直接體繪制和非規則數據場直接體繪制兩種。本文采用規則數據場直接體繪制技術進行地質結構的建模與可視化。

三維空間規則數據場中，數據分布在長方體組成的三維網格點上，即在x、y、z三個方向上，網格點間的距離不等，但在同一方向內則是相等的。對于地質結構的三維空間規則數據場，其XY平面一般都是地表平面，Z方向為地表向地下的延伸，因此可以將地質結構的三維空間規則數據場，看成XY平面上二維網格的各個節點在Z向上的延伸。假想可以在XY平面上二維網格的各個節點處都分布勘察鉆孔，那么就可以直接利用獲得的鉆孔數據構建出所要的三維空間數據場。但在現實中這顯然是不可能的問題。然而，可以得到構建地質結構三維空間數據場的一個重要思路，就是如何得到這些密集的、規則排列的假想鉆孔數據。

與馬仁安等人［9－11］的研究中采用的三維地震數據相比，在地質領域更易獲得的是空間上分布不均、稀疏的地質鉆孔數據與少量物探解譯剖面數據，以及描述地表結構的地面高程數據。于是，構建研究區域的地質結構三維空間數據場的任務，被轉換為如何利用這些少量的、不規則分布的已知地質勘察資料獲得前文所提的假想鉆孔數據。由于是構建假想鉆孔數據，筆者首先將原始數據盡可能統一到標準鉆孔數據模型上。本文采用的標準鉆孔數據模型如圖1所示。

圖1 標準鉆孔數據模型

必須將物探解譯剖面資料轉換為鉆孔數據，才能實現與原始鉆孔數據的融合。因此，筆者進行基于剖面的鉆孔數據挖掘［13］引入虛擬鉆孔，使其按一定間隔掃描整個剖面。虛擬鉆孔與地層相交的過程中，每個地層有上、下界兩個相交點，取其下界的相交點，計算該點的深度作為標準鉆孔數據模型中地層的地板深度。虛擬鉆孔的橫、縱坐標可以從物探剖面在地圖上分布信息中獲得，地面高程信息可從DEM中獲得。將這類從物探解譯剖面資料中挖掘的鉆孔數據稱為虛擬鉆孔數據。

由于地質勘探數據在空間分布上稀疏不均，僅僅依靠從原始勘探數據（包括原始鉆孔數據和物探解譯剖面資料）獲得的信息，還無法準確反映研究區域的地質結構。有必要引入用戶的交互，結合工程人員專家知識經驗，對研究區域的地質結構信息進行適當的修正。該方法屬于半自動的地質結構建模，方法簡單直觀，具有很大的靈活性和較強的可操作性，只需提供簡單的基于基礎地理圖的鉆孔信息添加功能即可實現。筆者將這類根據用戶專家知識經驗添加的鉆孔數據稱為專家鉆孔數據。

將原始鉆孔數據、虛擬鉆孔數據和專家鉆孔數據作為原始數據，采用特定的空間插值算法，對地質結構參數進行適當的內插外推，估計地質結構的空間展布規律，得到前文所提的假想鉆孔數據。筆者將這種通過原始數據進行空間插值得到的鉆孔數據，稱為擬合鉆孔數據。本文研究中采用Kriging插值算法進行空間插值。地面高程信息從研究區域的DEM中獲取。

擬合鉆孔數據在XY二維平面上規則分布，但在Z軸方向上僅描述了必要的地質參數，如地層分層。因此要構成三維規則體數據場還需要在Z軸方向上進行采樣。本文以地層的底板為分界線，對擬合鉆孔按照事先指定的Z軸采樣步長進行采樣，得到規則體數據場。體數據場算法流程如圖2所示。

圖2 三維空間體數據場生成算法流程

顏輝武的方法是要比較一個采樣點和擬合出來的地層界面的關系，要判斷點和面的拓撲關系，因此速度較慢。而本文中的規則網格采樣是在垂直Z軸方向，比較兩點Z值大小，速度相比，要快很多。

2 基于三維硬件紋理的直接體繪制

基于三維硬件紋理的體繪制方法由Cullip等人［14］首先提出，并在近幾年得到了發展。該方法分為紋理生成與紋理繪制兩步實現。在紋理生成階段，首先定義一組物質分類表，將數據場內不同的物質賦予不同的顏色值（RGB）與不透明度（A）。物質分類表反映了物質的分類及轉換函數。體數據場通過轉換函數被定義為三維紋理并轉入紋理內存。由于紋理內存有限，大規模體數據場必須分成多個三維紋理塊。在體繪制階段，當視線方向確定后，紋理空間與對象空間的映射關系也得以確定，并按照從后至前的順序，將三維紋理塊依次裝入內存。對每一紋理塊，借助紋理映射功能，從后向前用一系列相互平行的等距多邊形對體數據場的三維紋理進行重采樣。最后，將這些多邊形的重采樣結果合成為結果圖像［1］。重采樣分為圖像空間法和對象空間法。本文采用對象空間法。

3 實例分析

應用上述研究成果，筆者采用Visual C#和Visual C++為開發語言、Open Inventor為可視化工具、ArcEngine為GIS平臺開發了地質結構三維可視化系統。以南京市仙林地區為研究對象，建立地質結構的三維空間數據場，進行直接體繪制，實現了地質結構的真三維顯示，驗證了該可視化方法的可行性。研究區域基礎地理圖和地質結構直接體繪制圖如圖3、4所示。

圖3 研究區域基礎地理圖

圖4 研究區域地質結構直接體繪制

4 結束語

本文從多源數據融合角度出發，通過融合原始鉆孔勘探資料、物探解譯剖面資料和專家知識，利用空間插值技術構建研究區域地質結構三維空間數據場，并采用三維硬件紋理直接體繪制技術進行體視化，以真三維的形式進行了研究區域地質結構的三維可視化，取得了良好的效果，為研究地質結構提供較好的手段。實驗表明，該方法充分利用了多種地質勘測數據，融合了三維空間中的點、線、面多源數據，更加準確地描述了地質結構。本文研究僅進行了地層結構的三維建模與可視化，還沒有考慮復雜地質構造因素，如斷層、褶皺等。如何獲取地質結構構造信息，建立復雜地質體空間數據模型，并將其融入到構建三維空間數據場和體視化中，還有待于進一步深入研究。

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