探究小口徑地質(zhì)鉆孔三維模擬與可視化研究

田龍

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局291大隊(duì)，廣東 廣州 528100）

近年來巖土工程、地質(zhì)礦產(chǎn)勘查等領(lǐng)域都在集中研究小口徑地質(zhì)鉆孔信息的可視化與管理問題[1]。小口徑地質(zhì)鉆孔信息的可視化與管理問題的研究進(jìn)展分別體現(xiàn)在小口徑地質(zhì)鉆孔信息可視化技術(shù)與小口徑地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)管理技術(shù)這兩個(gè)方面。在小口徑地質(zhì)鉆孔信息可視化技術(shù)方面，主要針對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔在真三維場(chǎng)景中的模擬方法以及小口徑地質(zhì)鉆孔柱狀圖的繪制方法等進(jìn)行了研究，并針對(duì)這些問題研發(fā)了相應(yīng)的三維地質(zhì)模擬軟件與小口徑地質(zhì)鉆孔柱狀圖制圖軟件。

在小口徑地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)管理技術(shù)方面，主要針對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔基于地理信息系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法以及小口徑地質(zhì)鉆孔的數(shù)據(jù)組織標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并針對(duì)這些問題開發(fā)出了小口徑地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)。

但是現(xiàn)有的系統(tǒng)、方法或技術(shù)在對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔信息進(jìn)行可視化研究與管理時(shí)都存在不可避免的問題或者缺陷，而其中急需克服的問題就是當(dāng)前的小口徑地質(zhì)鉆孔信息管理主要是通過二維 GIS 軟件平臺(tái)或者數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，因此在小口徑地質(zhì)鉆孔可視化時(shí)只能以二維平面中的一個(gè)鉆探點(diǎn)位的形式表現(xiàn)出來。

若想仔細(xì)查看相應(yīng)的地層分層信息或者小口徑地質(zhì)鉆孔資料，還必須利用鉆探點(diǎn)位對(duì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行查詢，或者利用鉆探點(diǎn)位鏈接到利用專業(yè)的三維建模軟件制作的三維模型或柱狀圖上才能實(shí)現(xiàn)，單純利用數(shù)據(jù)庫記錄無法形象而直觀的展示小口徑地質(zhì)鉆孔在三維空間內(nèi)的分布狀況。因此為了直觀的實(shí)現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔的可視化，對(duì)其直接進(jìn)行三維模擬。

1 小口徑地質(zhì)鉆孔三維模擬與可視化

1.1 構(gòu)建小口徑地質(zhì)鉆孔的三維模型

一些工作區(qū)域歷經(jīng)多年勘探研究后，可能積累數(shù)量眾多的鉆孔資料，因此首先需要對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并進(jìn)行相應(yīng)的建庫工作。首先需要進(jìn)行電子表格文件的創(chuàng)建，并在該文件中創(chuàng)建整體地層信息表、小口徑地質(zhì)鉆孔分層信息表、小口徑地質(zhì)鉆孔基本信息表與小口徑地質(zhì)鉆孔類別表，然后將規(guī)范化處理后的小口徑地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)錄入或?qū)雽?duì)應(yīng)的工作表中，為三維模型的最終生成與可視化研究提供數(shù)據(jù)支持，然后對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括整體抬升高度、縱向縮放系數(shù)與橫向縮放系數(shù)等，從而對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔三維實(shí)體模型的放置高度與幾何尺寸進(jìn)行控制。

這是因?yàn)樾】趶降刭|(zhì)鉆孔的孔徑一般都很小，地質(zhì)鉆孔通常只有幾十毫米，工程地質(zhì)鉆孔一般不大于300毫米，而其縱向深度卻可以達(dá)到上百米甚至上千米，如果按同種比例進(jìn)行橫向和縱向比例縮放，會(huì)出現(xiàn)比例極不協(xié)調(diào)的問題，三維模型顯示既不美觀也不利于外接設(shè)備操作演示等，因此需設(shè)置不同的橫向和縱向縮放比例，兩者相互獨(dú)立，互不影響。而整體抬升高度這一參數(shù)的設(shè)置則是為了使小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型被抬升，從而實(shí)現(xiàn)在實(shí)際鉆探點(diǎn)位的上方被懸掛起來[3]。

其次以孔口地理坐標(biāo)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)鉆探點(diǎn)位的生成。在這一步驟中，首先使用標(biāo)簽對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔孔位坐標(biāo)的客觀式樣進(jìn)行定義，同時(shí)對(duì)鉆探點(diǎn)位地標(biāo)的描述信息和地理位置進(jìn)行定義，然后利用小口徑地質(zhì)鉆孔基本信息表對(duì)小口徑地質(zhì)鉆孔孔口坐標(biāo)進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)利用地標(biāo)的形式表現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔在地表空間分布狀況的目的。

其中，鉆探點(diǎn)位地標(biāo)樣式包含兩種亞類信息：一類是圖標(biāo)樣式的屬性說明，如勘探階段類型定義、勘探孔類型定義、引用地址等，另一類是圖標(biāo)樣式的文本說明，包括鉆孔揭露的具體信息和成果資料等。接著利用小口徑地質(zhì)鉆孔分層信息來生成鉆孔分層散點(diǎn)（塊）圖，這些散點(diǎn)既包含著下伏地層信息，也包含著上伏地層信息。

因此，在建立三維模型的過程中，需要利用小口徑地質(zhì)鉆孔分層信息表對(duì)地層分層數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，然后結(jié)合鉆孔基本信息表中提取出的孔口地理坐標(biāo)對(duì)三維空間中每個(gè)分層散點(diǎn)（塊）的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并利用標(biāo)簽對(duì)鉆孔分層不同散點(diǎn)的屬性進(jìn)行定義，最后利用標(biāo)簽對(duì)鉆孔分層散點(diǎn)的附屬信息及空間位置進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)每個(gè)分層散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的三維空間位置進(jìn)行重現(xiàn)。

最后將特定鉆孔所對(duì)應(yīng)的多個(gè)分層散點(diǎn)按照順序連接起來，就能夠生成一個(gè)管狀的小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型。這個(gè)管狀的三維模型能夠分解成很多管段，而每一管段可以代表一個(gè)地層，并且具有對(duì)應(yīng)地層的描述信息、客觀式樣與空間位置[4]，最終實(shí)現(xiàn)了鉆孔三維立體形態(tài)的重現(xiàn)。

1.2 可視化的實(shí)現(xiàn)

由于在同一個(gè)工作區(qū)域可能會(huì)積累大量的小口徑地質(zhì)鉆孔，并且其三維模型工作處理的數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此有必要按不同尺度進(jìn)行精細(xì)化管理和演示，比如宏觀大范圍反應(yīng)地層單元、構(gòu)造體系等；局部小范圍反應(yīng)特定地層的差異區(qū)別、含礦蝕變、內(nèi)部演變規(guī)律等信息。

根據(jù)不同的顯示尺度將三維模型在數(shù)字地球平臺(tái)上進(jìn)行加載，進(jìn)一步開展不同用途的三維分析與可視化展示，從而實(shí)現(xiàn)不同層次的小口徑地質(zhì)鉆孔可視化利用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 可視化結(jié)果對(duì)比圖

為了保證利用小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型實(shí)現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔的可視化這一方法的有效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中，以某小口徑地質(zhì)鉆孔為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該小口徑地質(zhì)鉆孔進(jìn)行三維建模。為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，使用傳統(tǒng)可視化方法與利用小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型實(shí)現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔的可視化這一方法進(jìn)行比較，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖1為使用這兩種方法后小口徑地質(zhì)鉆孔可視化結(jié)果的對(duì)比圖。

通過圖1可知，利用小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型實(shí)現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔的可視化這一方法與傳統(tǒng)小口徑地質(zhì)鉆孔可視化方法相比，可視化程度明顯更高。

3 結(jié)語

小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型交互性強(qiáng)、信息豐富并且可視化效果好，利用小口徑地質(zhì)鉆孔三維模型實(shí)現(xiàn)小口徑地質(zhì)鉆孔的可視化這一方法具有自動(dòng)性高、實(shí)現(xiàn)過程簡單的優(yōu)勢(shì)，并且該方法擁有很高的實(shí)用性。