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      三維地質(zhì)模型可視化方法及應(yīng)用

      2015-08-11 00:42:25劉蘇
      關(guān)鍵詞:三角網(wǎng)斷層可視化

      摘要:三維地質(zhì)模型是一個(gè)較為直觀、有效的研究地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)容的方法。文章將三維地質(zhì)模型分為面模型、體模型和混合模型三類,并從曲面插值法、三角網(wǎng)剖分法和地質(zhì)斷層建模法三個(gè)方面理論化地闡述了三維地質(zhì)模型的可視化方法,最后就典型的體模型和虛擬鉆孔模型進(jìn)行了分析,描述了三維地質(zhì)模型可視化的應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:三維地質(zhì)模型;可視化方法;曲面插值法;三角網(wǎng)剖分法;地質(zhì)斷層建模法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      中圖分類號(hào):P642 文章編號(hào):1009-2374(2015)30-0133-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.069

      三維地質(zhì)建模技術(shù)(3D Geosciences Modeling Technology)是在地質(zhì)勘探過(guò)程中應(yīng)用空間信息處理技術(shù)和可視化技術(shù),對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、組織和描述,并且構(gòu)建三維地質(zhì)模型,可以進(jìn)行三維信息的查詢,還可以結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的圖形化與可視化,同時(shí)正確分析已有數(shù)據(jù),提高研究的準(zhǔn)確率和可靠性。三維地質(zhì)模型的研究逐漸成為熱點(diǎn)問(wèn)題,主要被應(yīng)用于數(shù)學(xué)地質(zhì)、GIS、巖土工程、石油勘探以及計(jì)算機(jī)可視化等領(lǐng)域。

      1 三維地質(zhì)模型可視化技術(shù)

      早在20世紀(jì)50年代,外國(guó)學(xué)者就已經(jīng)開始了有關(guān)三維地質(zhì)建模技術(shù)的研究。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,多種原始方法不斷被完善。歐洲地球科學(xué)家和工程師協(xié)會(huì)(EAGR)、美國(guó)勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)(SEG)建立的三維建模委員會(huì)于1992年成立。1993年,Simon W.Houlding提出了三維地質(zhì)建模技術(shù)的概念。1996~1999年間,分別在英國(guó)、新西蘭和美國(guó)等地舉辦了四次關(guān)于地質(zhì)建模、模擬和可視化的地質(zhì)計(jì)算機(jī)會(huì)議。1997年在西班牙舉辦的國(guó)際數(shù)學(xué)地質(zhì)會(huì)議上,地質(zhì)建模和可視化則被重點(diǎn)指出并強(qiáng)調(diào)其重要性。國(guó)內(nèi)對(duì)于三維地質(zhì)模型可視化的研究開展的較晚,處于探索和嘗試時(shí)期。近些年在三維地質(zhì)模型的可視化研究中,數(shù)據(jù)處理和三維交互實(shí)現(xiàn)等技術(shù)的研究有了很大的突破。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該方面的研究已有了一定的研究成果:2000年,李青元等對(duì)三維地質(zhì)模型的特點(diǎn)和典型的三維模型進(jìn)行了詳述;2001年,曹代勇等就三維地質(zhì)可視化模型的方法進(jìn)行了討論;寧書年在2002年就三維地質(zhì)可視化軟件的基本理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,并提出了其研究方向;2004年程朋根等構(gòu)建了一個(gè)適用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維GIS原型。

      2 三維地質(zhì)模型

      三維地質(zhì)建模技術(shù)是1993年加拿大學(xué)者Simon W.Houlding提出的,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)三維環(huán)境實(shí)現(xiàn)空間信息管理、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)解譯以及圖形可視化等技術(shù)的結(jié)合,在構(gòu)建了三維模型的同時(shí),還可以較好地描述地質(zhì)對(duì)象的多種特征,是地球空間信息科學(xué)的一部分,也是可視化研究的重要應(yīng)用領(lǐng)域,其特點(diǎn)是確定性、可視性和可修改性。常用的三維地質(zhì)模型有面模型、體模型和混合模型。

      2.1 面模型

      面模型構(gòu)建于多個(gè)面元組合基礎(chǔ)上,側(cè)重于3D空間實(shí)體的表面輪廓描述,常用的不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)與網(wǎng)格模型(Grid),多用于地形表面構(gòu)模;邊界模型(B-rep)可以較好地描述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三維物體,而在不規(guī)則三維物體的描述上卻效率很低;對(duì)于處理簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體,多層DEMs模型是一個(gè)較為有效且簡(jiǎn)便的方法。

      2.2 體模型

      體模型的基本結(jié)構(gòu)是一系列體元,其屬性可以被獨(dú)立描述和存儲(chǔ),并易于進(jìn)行三維空間操作和分析,但在計(jì)算、顯示和刷新速度方面較慢。體模型可分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元:規(guī)則體元模型有結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型(CSG)、八叉樹模型(Octree)等模型;非規(guī)則體元模型常用的有四面體網(wǎng)格模型(TEN)、三棱柱模型(TP)、實(shí)體模型(Solid)等模型。

      2.3 混合模型

      所謂混合模型,就是將面模型和體模型結(jié)合后構(gòu)建出的面向?qū)嶓w的三維模型,常用的有TIN-CSG模型、Octree-TEN模型等。

      3 三維地質(zhì)建模可視化方法

      3.1 曲面插值法

      對(duì)于離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理,是利用曲面插值法來(lái)構(gòu)建三維空間曲面。適用于中、小規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法主要有徑向基函數(shù)插值法、與距離成反比的加權(quán)法和薄板樣條法;適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)量插值的常用方法有B樣條大規(guī)模插值法、多層次B樣條插值法以及自適應(yīng)多層次B樣條插值方法。

      3.2 三角網(wǎng)剖分法

      三角形是構(gòu)成立體圖形的首選圖元,三角剖分是近些年的研究熱點(diǎn),集中在網(wǎng)格優(yōu)化性、邊界一致性和網(wǎng)格算法生成的健壯性等方面的研究。Delaunay三角網(wǎng)剖分(DT,Delaunay Triangulation)是指在平面域上有多個(gè)離散點(diǎn)的集合,一定存在一種剖分算法,可以形成一個(gè)鄰接且不重疊的三角形的集合,使所有三角形最小內(nèi)角和最大,并且每個(gè)三角形外接圓均不含有其他任意一個(gè)三角形的頂點(diǎn)。約束Delaunay三角網(wǎng)剖分法常用的方法主要包括逐點(diǎn)插入法、分而治之算法、區(qū)域子分算法和聯(lián)動(dòng)剖分算法等。

      3.3 地質(zhì)斷層建模法

      斷層是主要的地質(zhì)構(gòu)造類型之一。對(duì)于地質(zhì)斷層的建模方法建立在TIN基礎(chǔ)上。但是地質(zhì)斷層的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,所以在建模方法上也有不同的處理方式。對(duì)于單一斷層而言,可以通過(guò)局部法和整體法對(duì)斷層兩側(cè)不連續(xù)標(biāo)志面的形態(tài)進(jìn)行處理。對(duì)于多條斷層而言,首先要明確斷層切錯(cuò)之間存在的時(shí)間序列,晚期形成的斷層切錯(cuò)要優(yōu)先于早期形成的斷層,并按照順序利用做斷層TIN面的方法逐個(gè)處理;若斷層之間沒(méi)有切錯(cuò)關(guān)系,則可以通過(guò)整體法或局部法進(jìn)行單獨(dú)處理。

      4 三維地質(zhì)模型可視化的應(yīng)用

      4.1 基于四面體體元的三維地質(zhì)建模方法

      以體模型為基本思想,以四面體為基本體元,選用合適的插值方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行加密處理成多層網(wǎng)格,并運(yùn)用同種插值方法對(duì)于每層網(wǎng)格都進(jìn)行差值處理,將不同層內(nèi)相應(yīng)的坐標(biāo)的數(shù)據(jù)連接之后,可以構(gòu)成多個(gè)四棱柱組合體,再按照一定規(guī)則將其分解成易于分析和處理的四面體體元,再進(jìn)行切割和分解,最后構(gòu)建規(guī)則的數(shù)字高程模型的地層。

      4.2 基于虛擬鉆孔的三維地質(zhì)建模方法

      鉆孔數(shù)據(jù)是眾多地質(zhì)數(shù)據(jù)中最為基本的數(shù)據(jù),由于鉆孔費(fèi)用較高,這就衍生出利用虛擬鉆孔來(lái)進(jìn)行三維地質(zhì)建模,虛擬鉆孔在地質(zhì)不連續(xù)、邊界控制點(diǎn)稀少的區(qū)域研究中發(fā)揮了較為重要的作用。虛擬鉆孔的確定方法是根據(jù)模型的不同而不同的,若以三棱柱為基本體元,那么模型中對(duì)于虛擬鉆孔的確定方法就是分別計(jì)算直線與其他各面的交點(diǎn)。

      4.3 三維地質(zhì)模型的可視化效果

      對(duì)于三維地質(zhì)模型的可視化顯示效果,要凸顯其可視性,有多種顯示方式,主要有基本三維景觀方式、掀蓋層三維景觀方式、透視方式、切面方式以及投影等值線方式。

      5 結(jié)語(yǔ)

      三維地質(zhì)模型的研究已有很大的進(jìn)展,但是仍有很多亟待解決的問(wèn)題,比如數(shù)據(jù)不規(guī)則且數(shù)量較大,地質(zhì)數(shù)據(jù)的離散型、片面性,模型的空間分析功能與實(shí)際工程需求相差加大等,所以三維地質(zhì)模型依舊處于探索階段,還有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 吳觀茂,黃明,李剛,鄒時(shí)林.三維地質(zhì)模型與可視化研究的現(xiàn)狀分析[J].測(cè)繪工程,2008,17(2).

      [2] 魏嘉,唐杰,武港山,張楊,等.三維地質(zhì)模型海量數(shù)據(jù)組織和可視化技術(shù)研究[J].石油物探,2013,52(2).

      [3] 曹代勇,李青元,朱小弟,周云霞.地質(zhì)構(gòu)造三維可視化模型探討[J].地質(zhì)與勘探,2001,37(4).

      作者簡(jiǎn)介:劉蘇(1989-),女,遼寧沈陽(yáng)人,供職于遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,研究方向:礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查及三維地質(zhì)

      建模。

      (責(zé)任編輯:蔣建華)endprint

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