三維地質(zhì)模型可視化方法及應用

摘要：三維地質(zhì)模型是一個較為直觀、有效的研究地質(zhì)領域內(nèi)容的方法。文章將三維地質(zhì)模型分為面模型、體模型和混合模型三類，并從曲面插值法、三角網(wǎng)剖分法和地質(zhì)斷層建模法三個方面理論化地闡述了三維地質(zhì)模型的可視化方法，最后就典型的體模型和虛擬鉆孔模型進行了分析，描述了三維地質(zhì)模型可視化的應用。

關鍵詞：三維地質(zhì)模型；可視化方法；曲面插值法；三角網(wǎng)剖分法；地質(zhì)斷層建模法 文獻標識碼：A

中圖分類號：P642 文章編號：1009-2374（2015）30-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.069

三維地質(zhì)建模技術（3D Geosciences Modeling Technology）是在地質(zhì)勘探過程中應用空間信息處理技術和可視化技術，對地質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析、處理、組織和描述，并且構建三維地質(zhì)模型，可以進行三維信息的查詢，還可以結合計算機技術實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的圖形化與可視化，同時正確分析已有數(shù)據(jù)，提高研究的準確率和可靠性。三維地質(zhì)模型的研究逐漸成為熱點問題，主要被應用于數(shù)學地質(zhì)、GIS、巖土工程、石油勘探以及計算機可視化等領域。

1 三維地質(zhì)模型可視化技術

早在20世紀50年代，外國學者就已經(jīng)開始了有關三維地質(zhì)建模技術的研究。伴隨著計算機技術的不斷發(fā)展，多種原始方法不斷被完善。歐洲地球科學家和工程師協(xié)會（EAGR）、美國勘探地球物理學家協(xié)會（SEG）建立的三維建模委員會于1992年成立。1993年，Simon W.Houlding提出了三維地質(zhì)建模技術的概念。1996～1999年間，分別在英國、新西蘭和美國等地舉辦了四次關于地質(zhì)建模、模擬和可視化的地質(zhì)計算機會議。1997年在西班牙舉辦的國際數(shù)學地質(zhì)會議上，地質(zhì)建模和可視化則被重點指出并強調(diào)其重要性。國內(nèi)對于三維地質(zhì)模型可視化的研究開展的較晚，處于探索和嘗試時期。近些年在三維地質(zhì)模型的可視化研究中，數(shù)據(jù)處理和三維交互實現(xiàn)等技術的研究有了很大的突破。國內(nèi)學者在該方面的研究已有了一定的研究成果：2000年，李青元等對三維地質(zhì)模型的特點和典型的三維模型進行了詳述；2001年，曹代勇等就三維地質(zhì)可視化模型的方法進行了討論；寧書年在2002年就三維地質(zhì)可視化軟件的基本理論和結構進行了分析，并提出了其研究方向；2004年程朋根等構建了一個適用于地質(zhì)領域的三維GIS原型。

2 三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)建模技術是1993年加拿大學者Simon W.Houlding提出的，以計算機技術為基礎，通過三維環(huán)境實現(xiàn)空間信息管理、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、地質(zhì)解譯以及圖形可視化等技術的結合，在構建了三維模型的同時，還可以較好地描述地質(zhì)對象的多種特征，是地球空間信息科學的一部分，也是可視化研究的重要應用領域，其特點是確定性、可視性和可修改性。常用的三維地質(zhì)模型有面模型、體模型和混合模型。

2.1 面模型

面模型構建于多個面元組合基礎上，側重于3D空間實體的表面輪廓描述，常用的不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）與網(wǎng)格模型（Grid），多用于地形表面構模；邊界模型（B-rep）可以較好地描述結構簡單的三維物體，而在不規(guī)則三維物體的描述上卻效率很低；對于處理簡單層狀地質(zhì)體，多層DEMs模型是一個較為有效且簡便的方法。

2.2 體模型

體模型的基本結構是一系列體元，其屬性可以被獨立描述和存儲，并易于進行三維空間操作和分析，但在計算、顯示和刷新速度方面較慢。體模型可分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元：規(guī)則體元模型有結構實體幾何模型（CSG）、八叉樹模型（Octree）等模型；非規(guī)則體元模型常用的有四面體網(wǎng)格模型（TEN）、三棱柱模型（TP）、實體模型（Solid）等模型。

2.3 混合模型

所謂混合模型，就是將面模型和體模型結合后構建出的面向實體的三維模型，常用的有TIN-CSG模型、Octree-TEN模型等。

3 三維地質(zhì)建模可視化方法

3.1 曲面插值法

對于離散數(shù)據(jù)點的處理，是利用曲面插值法來構建三維空間曲面。適用于中、小規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法主要有徑向基函數(shù)插值法、與距離成反比的加權法和薄板樣條法；適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法有B樣條大規(guī)模插值法、多層次B樣條插值法以及自適應多層次B樣條插值方法。

3.2 三角網(wǎng)剖分法

三角形是構成立體圖形的首選圖元，三角剖分是近些年的研究熱點，集中在網(wǎng)格優(yōu)化性、邊界一致性和網(wǎng)格算法生成的健壯性等方面的研究。Delaunay三角網(wǎng)剖分（DT，Delaunay Triangulation）是指在平面域上有多個離散點的集合，一定存在一種剖分算法，可以形成一個鄰接且不重疊的三角形的集合，使所有三角形最小內(nèi)角和最大，并且每個三角形外接圓均不含有其他任意一個三角形的頂點。約束Delaunay三角網(wǎng)剖分法常用的方法主要包括逐點插入法、分而治之算法、區(qū)域子分算法和聯(lián)動剖分算法等。

3.3 地質(zhì)斷層建模法

斷層是主要的地質(zhì)構造類型之一。對于地質(zhì)斷層的建模方法建立在TIN基礎上。但是地質(zhì)斷層的結構十分復雜，所以在建模方法上也有不同的處理方式。對于單一斷層而言，可以通過局部法和整體法對斷層兩側不連續(xù)標志面的形態(tài)進行處理。對于多條斷層而言，首先要明確斷層切錯之間存在的時間序列，晚期形成的斷層切錯要優(yōu)先于早期形成的斷層，并按照順序利用做斷層TIN面的方法逐個處理；若斷層之間沒有切錯關系，則可以通過整體法或局部法進行單獨處理。

4 三維地質(zhì)模型可視化的應用

4.1 基于四面體體元的三維地質(zhì)建模方法

以體模型為基本思想，以四面體為基本體元，選用合適的插值方法對研究區(qū)域進行加密處理成多層網(wǎng)格，并運用同種插值方法對于每層網(wǎng)格都進行差值處理，將不同層內(nèi)相應的坐標的數(shù)據(jù)連接之后，可以構成多個四棱柱組合體，再按照一定規(guī)則將其分解成易于分析和處理的四面體體元，再進行切割和分解，最后構建規(guī)則的數(shù)字高程模型的地層。

4.2 基于虛擬鉆孔的三維地質(zhì)建模方法

鉆孔數(shù)據(jù)是眾多地質(zhì)數(shù)據(jù)中最為基本的數(shù)據(jù)，由于鉆孔費用較高，這就衍生出利用虛擬鉆孔來進行三維地質(zhì)建模，虛擬鉆孔在地質(zhì)不連續(xù)、邊界控制點稀少的區(qū)域研究中發(fā)揮了較為重要的作用。虛擬鉆孔的確定方法是根據(jù)模型的不同而不同的，若以三棱柱為基本體元，那么模型中對于虛擬鉆孔的確定方法就是分別計算直線與其他各面的交點。

4.3 三維地質(zhì)模型的可視化效果

對于三維地質(zhì)模型的可視化顯示效果，要凸顯其可視性，有多種顯示方式，主要有基本三維景觀方式、掀蓋層三維景觀方式、透視方式、切面方式以及投影等值線方式。

5 結語

三維地質(zhì)模型的研究已有很大的進展，但是仍有很多亟待解決的問題，比如數(shù)據(jù)不規(guī)則且數(shù)量較大，地質(zhì)數(shù)據(jù)的離散型、片面性，模型的空間分析功能與實際工程需求相差加大等，所以三維地質(zhì)模型依舊處于探索階段，還有待進一步的研究和發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：劉蘇（1989-），女，遼寧沈陽人，供職于遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，研究方向：礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查及三維地質(zhì)

建模。

（責任編輯：蔣建華）endprint