基于體視化的三維地質(zhì)模型構(gòu)建

蔡健文

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007）

體視化技術(shù)是將空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化呈現(xiàn)的科技手段，該技術(shù)具備操作便捷、可視化程度高等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛推廣。三維地質(zhì)模型在目前的建筑領(lǐng)域得到了很好地應(yīng)用，所組建的模型對(duì)于幫助技術(shù)人員及時(shí)糾錯(cuò)，提高設(shè)計(jì)方案可操作性有著積極地作用，將體視化技術(shù)與三維地質(zhì)模型進(jìn)行融合，能夠進(jìn)一步提高模型本身的利用價(jià)值，為后續(xù)施工方案的制定奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 三維地質(zhì)模型可視化的基本流程

在組建三維地質(zhì)模型的過程中，會(huì)涉及到許多類型的空間數(shù)據(jù)信息，如矢量、標(biāo)量、張量等，在進(jìn)行模型可視化構(gòu)建時(shí)，需要遵循以下應(yīng)用流程：

（1）數(shù)據(jù)生成階段，即對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)勘探數(shù)據(jù)、鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)、地下水位數(shù)據(jù)等，通常情況下，這些數(shù)據(jù)信息都需要技術(shù)人員進(jìn)入到勘察區(qū)域內(nèi)，借助相關(guān)的測(cè)量?jī)x器對(duì)數(shù)據(jù)展開采集，隨后借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，使其形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

（2）數(shù)據(jù)處理階段，在構(gòu)建三維地質(zhì)模型時(shí)，為了提升模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性，需要采集大量的原始數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)信息中還含有一些重復(fù)或者錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息，對(duì)此需要對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，提煉出應(yīng)用價(jià)值較高的數(shù)據(jù)信息，從而起到簡(jiǎn)化模型組建流程的作用。

（3）可視化映射階段，這也是整個(gè)應(yīng)用流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)完成提煉簡(jiǎn)化處理之后，可以從數(shù)據(jù)信息中提取出鉆孔位置點(diǎn)、邊界線、等高線等參數(shù)，組成相應(yīng)的地質(zhì)圖原件，對(duì)于剩余的數(shù)據(jù)信息可以將其轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行繪制操作的幾何圖形。

（4）圖形繪制階段，在第（3）步驟中，已經(jīng)提前將幾何圖形的數(shù)據(jù)完成了可視化映射，對(duì)此在對(duì)其進(jìn)行繪制時(shí)，可以直接利用現(xiàn)有的處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步加工，而且可視化映射出的圖案元件還可以借助計(jì)算機(jī)顯示出對(duì)應(yīng)的圖案。

（5）圖案顯示階段，已經(jīng)完成圖案繪制的的圖像，可以借助計(jì)算機(jī)顯示屏，或者其他用來成像的顯示屏來進(jìn)行顯示，在該過程中，圖形已經(jīng)完成了三維處理，這樣呈現(xiàn)出的圖形為三維圖形，圖形本身的立體感也更加強(qiáng)烈。

2 體視化相關(guān)內(nèi)容概述

2.1 基本定義及原理

體視化是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理等技術(shù)為基礎(chǔ)，并融合了這些知識(shí)以后發(fā)展起來的一個(gè)復(fù)雜的學(xué)科。體視化主要是研究體數(shù)據(jù)如何在計(jì)算機(jī)中變化、操作和顯示等問題，所以對(duì)體視化的研究很有實(shí)際意義。體視化研究包含的信息很豐富、完整，能夠很好的表示一些無形的類似于煙云、霧等的三維實(shí)體。體繪制算法中，認(rèn)為在離散的數(shù)據(jù)場(chǎng)中每個(gè)立方體體素都具有各自不同的屬性值，在圖像處理中，可以直接通過計(jì)算所有體素對(duì)光線的作用，就能夠獲得其投影圖像[1]。

2.2 體數(shù)據(jù)

體數(shù)據(jù)最基本的組成單位是體素。體素經(jīng)常有兩種定義：①中心點(diǎn)與采樣點(diǎn)在同一位置的長(zhǎng)方體，該長(zhǎng)方體體內(nèi)的值都與采樣點(diǎn)的值相等且是不變的。②以相鄰的八個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)為頂點(diǎn)的一個(gè)長(zhǎng)方體，以這個(gè)長(zhǎng)方體作為一個(gè)體素，而其體內(nèi)的值是變化的，該體素內(nèi)任何一個(gè)點(diǎn)的值都可以利用這8個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值，通過線性插值來計(jì)算得到。所以三維體數(shù)據(jù)可以看成是由一系列小長(zhǎng)方體體格組成的。對(duì)于三維地質(zhì)建模，三維地質(zhì)可視化的數(shù)據(jù)來源，主要包括：一是直接觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，如野外測(cè)量，遙感、GPS數(shù)據(jù)等；二是通過鉆孔獲取，鉆孔可以得到巖芯資料和測(cè)井資料等[2]。

2.3 總體框架結(jié)構(gòu)分析

體視化總體框架結(jié)構(gòu)可以分為以下模塊：①數(shù)據(jù)采集模塊，不同于常規(guī)數(shù)據(jù)采集，體視化采集的數(shù)據(jù)信息以圖像為主，同時(shí)還會(huì)采集體素化后的數(shù)據(jù)。而且為了提高圖像的采集質(zhì)量，還會(huì)對(duì)二維切片圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，為后續(xù)處理提供便利[3]。②轉(zhuǎn)換模塊，在該環(huán)節(jié)采集到的數(shù)據(jù)信息會(huì)通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等處理，最后轉(zhuǎn)換成用來成像的三維數(shù)據(jù)信息。③數(shù)據(jù)分類模塊，對(duì)于完成轉(zhuǎn)化的三維數(shù)據(jù)，需要參照相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)篩選，劃分后一部分?jǐn)?shù)據(jù)用來進(jìn)行物體三維重建，而另一部分則基于體素的特征，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)顯示。④顯示模塊，無論分流至哪一部分，最終都會(huì)通過模塊進(jìn)行顯示，這也是主要目的所在。

3 基于體視化的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法

3.1 實(shí)體模型法

在體視化技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，實(shí)體模型法屬于應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)的模型構(gòu)建方法，該方法主要借助一些簡(jiǎn)單的面集合，來展現(xiàn)出實(shí)體表面具體形狀的一種方法。在實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)借助多邊形網(wǎng)格來圈定待測(cè)區(qū)域的邊界，然后在已經(jīng)圈定好的區(qū)域內(nèi)，利用三角面來完成覆蓋，三角形相較于其他多邊形，其應(yīng)用靈活性較高，可以完成邊界結(jié)構(gòu)的全面覆蓋，從而提高實(shí)體模型的構(gòu)建效果。但是該方法在應(yīng)用中，也面臨著一些問題，例如，結(jié)構(gòu)輪廓線如何進(jìn)行有效對(duì)應(yīng)，對(duì)于內(nèi)部分支如何進(jìn)行處理，這些內(nèi)容都是在應(yīng)用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的部分，以提高該方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[4]。

3.2 塊體模型法

與實(shí)體模型法形成互補(bǔ)的方法便是塊體模型法，該方法在應(yīng)用過程中，會(huì)將整個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)當(dāng)做是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)在應(yīng)用過程中還需要將這些空間結(jié)構(gòu)劃分為多組規(guī)則的體元元素，隨后借助勘察手段，對(duì)體元內(nèi)部的基礎(chǔ)屬性進(jìn)行計(jì)算，匯總后得出可展現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征的模型結(jié)構(gòu)。該方法在實(shí)際應(yīng)用中，具備操作便捷度高、容易實(shí)現(xiàn)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有利于技術(shù)人員對(duì)三維模型結(jié)構(gòu)展開細(xì)致分析。不過該方法在應(yīng)用中，其形體結(jié)構(gòu)比較單一（長(zhǎng)方體或正方體），這樣很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靈活轉(zhuǎn)化，對(duì)此在面對(duì)復(fù)雜地形區(qū)域時(shí)，會(huì)與實(shí)體模型法共同使用，從而提高三維模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

3.3 四面體模型法

所謂四面體模型法是在二維模型基礎(chǔ)上，向三維空間結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的模型構(gòu)建方法。該方法在實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)將散布在空間中的散亂點(diǎn)剖分成若干個(gè)四面體，這些四面體體元表面是四個(gè)三角形，可以把它看做是實(shí)體模型法的升級(jí)應(yīng)用。同樣，四面體模型法在實(shí)際應(yīng)用中具備較高的應(yīng)用靈活性，將四面體任一面、一邊、一點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，都可以再次構(gòu)造出和原來 實(shí)體相似的四面體結(jié)構(gòu)，而且利用該結(jié)構(gòu)能夠快速得出結(jié)構(gòu)的內(nèi)部屬性，在面對(duì)地形復(fù)雜的區(qū)域時(shí)，具備著非常強(qiáng)的適用性。

3.4 類三棱柱模型法

從嚴(yán)格意義上來講，類三棱柱并不是三棱柱，其最大的特征是上下兩個(gè)面之間并不是呈平行狀態(tài)，而且三個(gè)側(cè)面的形狀也不盡相同。該模型方法的主要作用是可以對(duì)區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行分割，使其能夠分解成若干個(gè)三維空間。并且在應(yīng)用中還會(huì)將其與TIN建模技術(shù)關(guān)聯(lián)在一起，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)內(nèi)部屬性數(shù)據(jù)采集的目的。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以準(zhǔn)確表達(dá)出結(jié)構(gòu)特征，而且在滿足精準(zhǔn)度要求的情況下，還能夠減少空間冗余數(shù)據(jù)的堆積。

3.5 混合模型法

所謂混合模型法是指在三維地質(zhì)模型構(gòu)建過程中，同時(shí)使用兩種及兩種以上的模型構(gòu)建方法，該方法主要適用于一些地形非常復(fù)雜的區(qū)域，如上文中提到的，實(shí)體模型法經(jīng)常與塊體模型法結(jié)合在一起進(jìn)行使用，從而起到互補(bǔ)缺陷的作用。目前混合模型法可以分為以下幾種組合類型：第一種，互補(bǔ)式組合，即兩種技術(shù)呈現(xiàn)出相互彌補(bǔ)的特征，從而提高建模的精準(zhǔn)度。第二種，鏈接式組合，該模式主要考慮到數(shù)據(jù)信息調(diào)用頻次較高，以此為媒介來完成信息組合，從而保持模型之間的拓?fù)潢P(guān)系。第三種，轉(zhuǎn)換式組合，在三維地質(zhì)模型組建的過程中，有時(shí)需要對(duì)同一類實(shí)體進(jìn)行不同情況的展示，該過程只是依靠于某一模型法很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)此需要借助具備轉(zhuǎn)換特性的模型法來完成這一操作過程。第四種，集成式組合，根據(jù)用戶提出的需求，同一個(gè)實(shí)體對(duì)象也可以匯總出不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)可以借助通用數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)管理，同時(shí)匹配相應(yīng)的模型構(gòu)建方法，以提高數(shù)據(jù)信息的利用價(jià)值。

4 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)水平快速提升的背景下，人們對(duì)于數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度也有了新的要求。三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，可以幫助人們更加直觀的了解采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，而體視化技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以進(jìn)一步優(yōu)化模型的成像水平，而且能夠加快模型構(gòu)建速度，提高數(shù)據(jù)信息的利用價(jià)值。