高密度電法的三維數據場可視化研究

■涂勇剛　王　君（新疆地礦局第一水文工程地質大隊新疆烏魯木齊830091）

高密度電法的三維數據場可視化研究

■涂勇剛王君
（新疆地礦局第一水文工程地質大隊新疆烏魯木齊830091）

就目前來看，得到廣泛應用的高密度電法在數據處理方面仍然局限于二維圖像。而完成三維地質體結構模型的構建，才能夠更好的進行電性異常的三維地質結構的反映。因此，本文對高密度電法的三維數據場可視化問題展開了研究，以便為關注這一話題的人們提供參考。

高密度電法三維數據場可視化

0　引言

在地下水勘探和工程地質研究等多個方面，高密度電法得到了有效的應用。而地下空間具有三維展布特征，所以僅利用二維剖面圖無法精確完成預測目標的空間分布的反映。因此，有必要建立基于高密度電法的三維地質體結構模型，以便通過實現三維數據場可視化為地質勘探工作提供更多的便利。

1　高密度電法與三維數據場可視化

作為常用的地球物理勘探方法，高密度電法可以利用地下巖石導電性差異完成地下穩定電流場的分布規律的觀測和研究，繼而反演出地質結構。所以，在工程地質和水文地質的研究方面，該方法得到了廣泛的應用。但是，通常的高密度電法反演出的剖面圖是二維的，需要利用視電阻率等直線剖面圖顯示地質結構。而二維剖面圖既無法將目標異常區域的走向顯示出來，也無法將異常區域的空間位置和形態展示出來，所以會給地質勘探工作帶來不便。因此，應該進行三維電性結構資料的采集和反演成像處理，以便開展高精度和高分辨率的地質勘探工作[1]。就目前來看，可以利用科學計算可視化技術進行高密度電法測量得出的數據的處理，以便實現地質結構二維剖面圖的三維可視化。而該技術的核心就是三維空間數據場的可視化，可以通過完成三維空間的采樣顯示出三維空間內部的詳細信息。

就目前來看，國內實現高密度電法的三維數據場可視化主要采用的三維網格化方式。但是，想要進行這一方式的利用，首先需要形成高密度電法測量的三維數據場。通常來講，高密度電法的測量結果為一組電阻率值。而每一個電阻率值將于唯一的一個空間位置相對應，所以可以將其看成是空間點的屬性，并當做是空間點的第四維變量。在完成所有的測線后，如果其測量范圍為與倒梯形剖面相對應，測量出的電阻率值就會在剖面上均勻分布（如下圖1）。在此基礎上，則可以利用不同顏色進行不同范圍的電阻率值的映射[2]。而此時，只要將平行或近似平行的測量剖面按照空間的實際順序排列起來，就可以形成高密度電法測量范圍的三維數據場。

圖1　高密度電法測線剖面的電阻率值分布

2　高密度電法的三維數據場可視化的實現

為了實現已有勘探數據的三維數據場可視化，并且完成地表起伏較大的區域的勘探，可以建立三維數據場可視化模型。就目前來看，三維柵格圖模型可以實現統一測區的不同空間位置的二維剖面圖的三維數據場可視化，并且對勘探設備沒有過多的要求，所以可以得到較好的應用。

2.1研究思路

一般的情況下，高密度電法的測線都是采取平行或相交布置方式（如圖2），所以可以將剖面圖中的任意一個方向軸當做是常量值，繼而完成三維柵格系統中的剖面繪制。而剖面的繪制方法與二維系統中的一致，但需要在一個三維系統中進行所有不同的剖面的集成，以便完成三維柵格圖的繪制。所以，所謂的三維柵格圖，其實就是二維高密度電法的視電阻率剖面圖。但是，利用高密度電法采集得到的數據是不規則的均勻格網數據，所以需要進行數據的等值處理，繼而得出數據的等值線圖。在此基礎上，通過完成等值線圖的填充，則可以得出高密度視電阻率剖面圖。而在應用等值線追蹤算法時，TN不規則三角網并不受邊界形狀的約束[3]。因此，需要利用經過邊界約束的Delaunay三角網進行等值線的追蹤。需要注意的是，想要實現三維柵狀圖，還要合理的完成直線區域值范圍的設置，并且采取適當的顏色完成區域的填充。

圖2　高密度電法的測線布置

2.2三維建模

三維柵格圖模型的建立需要依次完成約束三角網、等值線圖和拓撲成區的生成。在此基礎上，則可以完成等值剖面的三維柵狀化，繼而得到相應的三維柵格圖模型。

首先，在編寫等值線追蹤代碼時，利用約束三角網可以輕松完成程序代碼的編寫。而在高密度電法剖面中，利用邊界約束三角網則可以使所有開曲線與邊界相交，繼而避免懸掛線和懸掛橋在處理等值線拓撲時出現。而想要生產約束三角網(如下圖3)，則需要先獲取高密度電法剖面的邊界，然后利用高密度電法剖面邊界進行生成的三角網的約束，并將邊界以外的三角形刪除。

圖3　約束三角網

其次，在實現高密度電法視電阻率等值線圖時，需要使生成的線圖與原始剖面圖保持一致。具體來講，就是需要使等值線數值的對數序列與剖面視電阻率值一致。而想要達成這一目的，首先需要進行包含開曲線和閉曲線的所有等值線的追蹤，并且完成懸掛線的處理，以便完成初步的拓撲檢查。而在此基礎上，則需要將所有的曲線轉換成弧段，以便拓撲區的形成。其中，開曲線和閉曲線可以直接轉換成弧段。而在將邊界轉換成弧段時，則需要得到邊界邊與等值線的所有交點[4]。通過將邊界邊所有點順時針排序，并按順時針完成邊界邊的連接，則可以將邊界邊與等值線之間的分割線段轉換成弧段。

再者，在實現拓撲成區之前，需要確保等值線之間沒有重復點，繼而避免等值線的相交。同時，需要確保開曲線線頭在邊界上，并在拓撲區形成后利用拓撲關系進行等值線區域的管理。在進行拓撲成區的顏色填充時，可以根據值域范圍完成填充，并通過設置區域紋理完成區域屬性的統計，繼而使系統功能的擴展更加方便。比如，在用600到1000Ωm之間的電阻率代替花崗巖時，就可以將該值域范圍區域的紋理設置為花崗巖圖案，繼而獲得更加直觀的剖面圖。

最后，在實現等值線剖面圖的三維柵狀化時，需要將二維等值線剖面鑲嵌在三維系統中。具體來講，就是進行等值線剖面圖的相交剖面的融合處理，并且進行區域顏色的設置和繪制。一方面，需要根據測線之間的關系完成剖面平面坐標值的設定，并完成區域的點坐標的三維轉換。此外，還要進行相交剖面的數據誤差融合處理，以便完成測量數據的預處理。另一方面，需要根據剖面列表進行二維等值線區域圖的生成，并完成區域顏色和紋理對象的設定。而在完成上述步驟后，則可以按照空間位置關系進行柵狀圖的繪制。但由于高密度電法是分別完成剖面的采集的，所以其剖面相交處的數據可能出現不一致的問題。此時，需要進行剖面數據的整合處理，以便使圖形更加美觀[5]。但是，數據的變化容易引起剖面其他數據的變化，所以需要完成剖面相交線的計算，并完成線上的離散點的平均誤差的計算。而在此基礎上，則可以通過窗口滑動完成誤差的移動，繼而使剖面得到更好的整合。

2.3模型實現

在進行三維柵格圖模型的實現時，可以利用VC和Open GL完成模型程序的編寫。而為了使模型代碼具有較強的可讀性，并且具有一定的擴展性，則需要利用面向對象的方式完成功能模塊代碼的編寫。但等值線區域不屬于普通多邊形，其中可能嵌套有多個島[6]。因此，需要用Open GL提供的凹多邊形區域的繪制方式進行等值線區域的繪制。

3　高密度電法的三維數據場可視化的應用

3.1在水文地質領域的應用

在水文地質領域，高密度電法的三維數據場可視化主要用于分析地下空間的電性差異特征，以便使地質實體的空間變異狀況得以精確反映出來。而由于該方法即具有電探測的特點，同時又能清楚反映出地質斷面影像，所以可以用于進行含水地層的圈定，并且能夠完成水介質中富水性和污染情況的調查。一方面，在進行地下水資源勘查時，利用該方法可以完成水層位置、儲量和空間分布的探測。具體來講，就是通過完成大范圍地電數據的采集，然后利用三維反演軟件進行數據的反演成像，繼而直觀展現出地質空間中的含水介質精細結構。而通過觀測這一影像，則可以對含水介質的富水性和位置進行全面的了解。另一方面，在水質監測方面，該方法可以通過獲取電阻率三維影像完成介質含鹽量變化的間接反映。同時，由于水中污染物濃度變化將引起水體的導電性發生變化，所以將導致污染區和非污染區之間形成一定的電性界面[7]。而利用高密度電法的三維數據場可視化方法則可以完成地質體的電性差異的描繪，并進行污染范圍的圈定，繼而確定水介質的污染范圍。

3.2在工程地質領域的應用

在工程地質領域，高密度電法的三維數據場可視化方法可以在大壩裂縫探測、高層建筑選址和高速公路采空區探測等多個方面得到應用。利用該方法，不僅可以完成防空洞、洞穴和涵洞的探測，還能夠完成地下未知障礙和與周圍介質不同的地下物的探測，所以可以為工程建設提供科學的依據。比如在高速公路建設方面，利用該方法可以進行公路采空區和塌陷區的探測，并完成對故障區域的大小和結構的調查。而通過分析三維影像，則可以完成對次生地質的覆蓋層厚度和風化層劃分問題的調查，繼而更好的了解工程建設區域的地質條件。

4　結論

總而言之，在工程地質和水文地質等領域，高密度電法的三維數據場可視化方法可以得到較好的應用。而隨著科學技術的不斷發展，該方法將得到進一步的推廣和應用。因此，本文對高密度電法的三維數據可視化問題進行的研究，可以為該方法的應用提供一定的指導。

[1]徐佳,朱魯,翟培合.基于Voxler平臺的電法數據體三維可視化[J].工程地球物理學報,2014,06:772-775.

[2]陳康,李世峰,張政杰等.高密度電法勘探數據三維處理技術及城市勘察中的應用[J].工程地質學報,2015,01:170-177.

[3]馬圣敏,李恒凱,任麗平.高密度電法三維可視化及其在地質勘察中的應用[J].人民長江,2010,21:48-50+95.

[4]呂志領,高級.基于OpenGL的二維電法數據三維可視化技術研究[J].工程地球物理學報,2013,03:394-397.

[5]王鵬.基于MATLAB的煤礦TEM數據體三維可視化技術[J].地球物理學進展, 2014,03:1277-1283.

[6]劉科偉.露天開采隱患空區激光三維探測、可視化研究及其穩定性分析[D].中南大學,2012.

[7]范寶德.地質體三維可視化中數據剖分及等值面提取方法研究[D].中國礦業大學（北京）,2011.

P631.3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-108-1

涂勇剛（1984～），男，本科，地球物理學工程師，研究方向為電磁法勘探。