基于TIN的地層三維建模方法研究與實現(xiàn)

任佳

摘 要：地層三維建模是進行地層形態(tài)分析以及已知礦體與地層褶皺空間關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)。地層三維模型不僅可以提供地層的感官認(rèn)識，分析地層褶皺形態(tài)，還可以定性定量地揭示褶皺對礦化分布的影響。地層三維建模首要問題是數(shù)據(jù)模型的選擇，將討論基于TIN的地層三維建模的方法以及二維地層轉(zhuǎn)三維地層的原理與方法。

關(guān)鍵詞：三維建模;線串模型;TIN模型

一、TIN建模

地層在地質(zhì)學(xué)上指有一定層位的一層或一組巖石或土壤，上下層位之間被明顯的層面或沉積間斷面分開。對于層控礦床而言，地層的連續(xù)彎曲形成褶皺，褶皺可以控制區(qū)域構(gòu)造格局以及礦產(chǎn)形成與分布，因此對成礦預(yù)測極為重要。目前主要有基于曲面建模、體元建模和混合建模三種地質(zhì)建模的方法。體元模型因存儲空間需求大、實現(xiàn)較難而應(yīng)用較少。基于曲面的地質(zhì)體三維建模是采用表面包圍三維空間的方法來進行三維地質(zhì)體的表達(dá)。一般是基于采樣點的TIN模型和基于數(shù)據(jù)內(nèi)插的Grid模型來模擬地質(zhì)體表面。規(guī)則格網(wǎng)模型的缺點主要就是存儲量大。在地質(zhì)體表面平坦的區(qū)域容易出現(xiàn)大量冗余數(shù)據(jù)，而在地質(zhì)體起伏較大地區(qū)采樣點不足，不能準(zhǔn)確反映地質(zhì)體的突變。TIN模型與Grid模型的區(qū)別在于能隨地質(zhì)體表面的起伏變化而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置，從而克服平坦地區(qū)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余的問題，壓縮數(shù)據(jù)以節(jié)省存儲空間。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），其實質(zhì)是一種基于三角形的空間鑲嵌模型。不規(guī)則三角網(wǎng)方法按某種規(guī)則，將空間中無重復(fù)的散亂數(shù)據(jù)點集進行三角剖分，使這些數(shù)據(jù)點形成連續(xù)但不重疊的不規(guī)則三角面片網(wǎng)，并以此來描述地質(zhì)體的表面。

二、基于TIN的地層三維建模

1.TIN模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

TIN方法能利用不規(guī)則分布和較少的離散數(shù)據(jù)點生成連續(xù)的、互不交叉、互不重疊的三角形來模擬地層的表面。TIN模型采樣點數(shù)據(jù)易于采集，存儲效率高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，與地層的表面不規(guī)則特征類似，而且易于更新，建模理論趨于成熟。正因為這些優(yōu)點，采用TIN模型進行地層的三維建模已應(yīng)用廣泛。地層三維建模的實質(zhì)即用三維面模型描繪地層面的三維形態(tài)。本文采用TIN面模型進行地層的三維建模。

在Datamine中TIN的數(shù)據(jù)由組成三角形的頂點序號和頂點坐標(biāo)組成，實際上可以導(dǎo)出為兩個關(guān)系表：三角形頂點表（TR）和頂點坐標(biāo)表（PT）。TR表包含的字段有：三角形頂點1（PID1）、三角形頂點2（PID2）、三角形頂點3（PID3）、三角形編號（TRIANGLE）、顏色（COLOUR）、數(shù)據(jù)源（SOURCE）。PT表包含的字段有：頂點X坐標(biāo)（XP）、頂點Y坐標(biāo)（YP）、頂點Z坐標(biāo)（ZP）、頂點編號（PID）。

2.建模方法流程

三維地質(zhì)建模軟件一般基于多個平行輪廓線，采用最短對角線法、最大體積法和同步前進法等算法來構(gòu)建TIN模型?；赥IN的地層三維建模是綜合各種地質(zhì)資料形成二次地層數(shù)據(jù)，數(shù)字化成地層數(shù)據(jù)點，在三維地質(zhì)建模軟件中圈定或生成地層的線串模型，采用基于平行輪廓線的TIN建模技術(shù)，建立地層的TIN模型。

三、二維地層轉(zhuǎn)三維地層

二維地層轉(zhuǎn)三維地層其實也就是二維地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)三維地質(zhì)剖面圖的過程，包括兩個步驟：

1.剖面位置標(biāo)定

剖面圖的信息可以分為兩個部分：一是剖面圖各類要素的圖形信息及屬性信息，以分層文件的方式進行存儲和管理;二是剖面圖的空間位置信息，包括：剖面的水平比例尺、垂直比例尺及所經(jīng)過的轉(zhuǎn)折點坐標(biāo)，坐標(biāo)系統(tǒng)可以采用大地坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系，剖面空間位置的標(biāo)注其實就是獲取、存儲和管理剖面圖中的空間位置信息。

在剖面上任意交互地標(biāo)識出剖面兩點（X0，Y0）、終點（Xn-1，Yn-1）、剖面所經(jīng)過的中間點（Xi，Yi），并且輸入兩個以上高程控制點Hj和Hj+1，就可以計算出剖面圖的水平比例尺Rh、垂直比例尺Rv：

Rh=■（i=0，1，2，…，n-1）

Rv=■（j=0，1，2，…，m-1）

2.三維剖面圖的生成

有了剖面的水平和垂直比例尺，以及剖面經(jīng)過的轉(zhuǎn)折點的坐標(biāo)（Xi，Yi），就可以將二維剖面圖中任一點（X，Y）映射為三維地質(zhì)空間中的點（X，Y，H），其中H代表高程，公式如下所示。

X=Xi+（x-xi）■Y=Yi+（x-xi）■H=H0+Rv·（y-y0）（xi≤x≤xi？誆i=0，1，2，…，n-1）

地層三維建模對地質(zhì)信息的獲取、成礦預(yù)測、控礦因素分析等具有十分重要的意義。本文對地層模型的三維重構(gòu)進行了研究，提出了基于TIN的地層重建方法，并詳細(xì)介紹了TIN模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地層三維建模流程以及二維地層轉(zhuǎn)三維地層的算法和公式。

參考文獻(xiàn)：

毛先成，鄒艷紅，陳進，等.危機礦山深部，邊部隱伏礦體的三維可視化預(yù)測：以安徽銅陵鳳凰山礦田為例[J].地質(zhì)通報，2010（2）：401-413.

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