基于IDL的三維地質勘查方法

張 嵐，楊 斌，高德政

（1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

基于IDL的三維地質勘查方法

張 嵐1，楊 斌1，高德政1

（1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

地質勘察人員需要了解各種地質體三維空間形態和內部結構，還要能夠根據勘察工程的進行，數據資料的增加動態調整地質體在三維空間上的形態及內部結構上的變化。利用 IDL 語言強大的數據處理與圖形顯示功能，設計了地質體三維建模系統，實現了三維地質體的動態調整；并將其應用于實際工程中，為數字礦山的應用提供了模型和方法參考。

地質勘查；IDL；三維地質體；可視化

三維地質體可視化解決了二維平面圖不能顯示地質體在三維空間上變化的問題，對于資源勘查有著十分重要的作用，是三維GIS研究的重要領域和熱點[1-4]。

目前尚無一個既能方便形成各種地質圖，又能形成三維地質體，還能動態地根據勘察工程進展不斷調整三維地質體的形態和內部結構的軟件系統。本文以宜昌某磷礦的鉆孔資料為源數據，探討了IDL在三維地質體可視化中的應用，基本完成了對地質勘察分析的三維可視化及成圖；再根據鉆孔資料的變化，改變地質剖面圖及三維地質體的形態和內部結構，實現了三維地質體的動態調整[5,6]。

1 系統開發平臺與環境

1.1 IDL語言

交互式數據語言——IDL，作為第4代可視化語言在圖像分析和三維可視化方面具有獨特優勢[7,8]：①可方便地進行跨平臺的移植；②提供了大量封裝和參數化了的數學函數；③提供了豐富的二維、三維圖形圖像類，便于實現地質體三維可視化[9,10]。鑒于IDL擁有簡單的學習步驟、豐富的功能函數和完美的處理結果,可以說它是理想的三維可視化環境的生成平臺[11]。

1.2 對象圖形系統

對象圖形系統指利用對象模型創建用于顯示的對象，然后在窗口中添加對象進行顯示的圖形系統。利用其編程技術和豐富的對象類大大提高了開發效率，本文采用該系統進行地質體三維可視化,框架體系見圖1。

2 系統結構分析

地質體三維建模系統由收集資料、整理數據、文本文檔的建立、模擬鉆孔柱狀圖、地層三維可視化和地質體模型構建等模塊組成（圖2）。

圖1 對象圖形系統框架體系

圖2 地質體三維可視化及分析體系結構

在讀取源數據后，利用對象圖形法中的IDLgrPolygon對象創建三維地質鉆孔，模擬鉆孔柱狀圖；然后整理并生成規則插值網格的數據，選取適當的插值函數，計算所有網格的節點坐標，并模擬各地層的表面和側面，生成單層DEM數據；生成單個地層分界面的 DEM 數據后，就可把它們納入到統一的地面坐標系中，實現對多個地層分界面 DEM 的疊加顯示，進行地層分界面的繪制；體繪制完成后，可對模擬的三維可視化幾何模型進行縮放、旋轉、剖切等操作。

2.1 單層DEM的生成

根據要求指定格網間隔，將研究區域劃分為矩形網格，并通過每個網格節點作垂直線，與各地層表面交于一點；然后插值計算所有網格的節點坐標，并模擬各地層的表面和側面。以Kriging插值法為例：設某平面有n個離散節點（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），對 應 節 點 高 程 為f1，f2，…，fn，則 對 某 點（x， y），其節點高程為：

式中，aj可利用離散點坐標聯立方程求出；c為常數。

2.2 體數據的繪制

體繪制是指以體素作為基本單元，使用指定的模型和算法，由體數據直接生成三維虛擬實體映像的過程。使用體素表達的體素模型，不僅具有實體的外部形狀信息，而且還包含實體內部的全部信息，在三維體素填充模型中，使用最多的是等邊長的正方體體元[12,13]。其算法流程如圖3所示，其中 m、n、l 分別為X、Y、Z方向的任意維數，stratum_num為地層總數。

圖3 體繪制算法流程圖

2.3 剖面分析

剖面分析是指沿著地質體的任意方向做任意個剖面，可從多個剖面方向來觀察地質體的地層屬性、構造分布等信息。該工具還可以用于觀察地質界面信息以及對地質體做剖切后的切塊信息，可清楚顯示地質模型內部的各個細節。

2.4 垂直切片的提取

提取體數據切片的方法有垂直切片的提取和任意方位切片的提取。垂直切片的提取是根據體數據的三維數組volume[x，y，z],提取與X方向垂直的切片。其具體方法為循環x的值，對于每個固定值xi，其對應的垂直切片為volume[xi，yi，zi]，利用write_*函數把該二維數組按照任意一種指定的圖像格式存入圖像文件；同理，可分別提取與Y、Z方向的垂直切片。

3 功能實現與結果分析

3.1 數據讀取

在IDL中讀寫ASCII碼文件時，先將一個邏輯設備號與文件進行關聯，然后對設備邏輯號進行讀、寫或更新等操作，本文應用自由讀寫的方法，其簡化語法為：

3.2 紋理貼圖

3.3 結果分析

本文利用IDL構建并實現了地質體三維可視化系統。圖4a是根據已知的鉆孔坐標模擬的鉆孔柱狀圖；圖4b是根據鉆孔柱狀圖形成的二維平面圖；圖4c是根據多層DEM數據插值后模擬的三維地質體；圖4d是根據鉆孔資料的變化、增加而進行的三維地質體動態調整；圖4e是根據遙感圖像、DEM數據進行紋理貼圖；圖4f～h是對三維地質體實現剖切操作。

4 結 語

本文在科學可視化理論的基礎上，利用離散的鉆孔觀察資料，實現了簡單的可視化顯示、查詢和分析。地質體三維可視化解決了二維平面圖和剖面圖不能直觀顯示三維地質信息的問題，能夠指導實際的地質分析，具有相當大的實用價值，也為數字礦山的應用提供了模型和方法參考。

地質體的三維建模和可視化作為許多科研領域的研究熱點，是一個綜合性很強的研究方向，它的實現與創新需要結合計算機圖形學、科學可視化、地質學等諸多科研成果，這從本質上決定了任何關于三維可視化的理論與應用都會有它不足和有待提高之處，因此還需要進行更深入的研究。

圖4 地質體三維可視化及分析系統部分功能

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P208

B

1672-4623（2016）03-0064-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.020

張嵐，碩士，主要研究方向為地質勘查技術與方法。

2014-01-15。

項目來源：國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（LEDM2011B03）。