高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化研究

■涂勇剛　王　君（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830091）

高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化研究

■涂勇剛王君
（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830091）

就目前來看，得到廣泛應(yīng)用的高密度電法在數(shù)據(jù)處理方面仍然局限于二維圖像。而完成三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，才能夠更好的進(jìn)行電性異常的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的反映。因此，本文對(duì)高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化問題展開了研究，以便為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

高密度電法三維數(shù)據(jù)場可視化

0　引言

在地下水勘探和工程地質(zhì)研究等多個(gè)方面，高密度電法得到了有效的應(yīng)用。而地下空間具有三維展布特征，所以僅利用二維剖面圖無法精確完成預(yù)測目標(biāo)的空間分布的反映。因此，有必要建立基于高密度電法的三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，以便通過實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場可視化為地質(zhì)勘探工作提供更多的便利。

1　高密度電法與三維數(shù)據(jù)場可視化

作為常用的地球物理勘探方法，高密度電法可以利用地下巖石導(dǎo)電性差異完成地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律的觀測和研究，繼而反演出地質(zhì)結(jié)構(gòu)。所以，在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的研究方面，該方法得到了廣泛的應(yīng)用。但是，通常的高密度電法反演出的剖面圖是二維的，需要利用視電阻率等直線剖面圖顯示地質(zhì)結(jié)構(gòu)。而二維剖面圖既無法將目標(biāo)異常區(qū)域的走向顯示出來，也無法將異常區(qū)域的空間位置和形態(tài)展示出來，所以會(huì)給地質(zhì)勘探工作帶來不便。因此，應(yīng)該進(jìn)行三維電性結(jié)構(gòu)資料的采集和反演成像處理，以便開展高精度和高分辨率的地質(zhì)勘探工作[1]。就目前來看，可以利用科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)進(jìn)行高密度電法測量得出的數(shù)據(jù)的處理，以便實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)二維剖面圖的三維可視化。而該技術(shù)的核心就是三維空間數(shù)據(jù)場的可視化，可以通過完成三維空間的采樣顯示出三維空間內(nèi)部的詳細(xì)信息。

就目前來看，國內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化主要采用的三維網(wǎng)格化方式。但是，想要進(jìn)行這一方式的利用，首先需要形成高密度電法測量的三維數(shù)據(jù)場。通常來講，高密度電法的測量結(jié)果為一組電阻率值。而每一個(gè)電阻率值將于唯一的一個(gè)空間位置相對(duì)應(yīng)，所以可以將其看成是空間點(diǎn)的屬性，并當(dāng)做是空間點(diǎn)的第四維變量。在完成所有的測線后，如果其測量范圍為與倒梯形剖面相對(duì)應(yīng)，測量出的電阻率值就會(huì)在剖面上均勻分布（如下圖1）。在此基礎(chǔ)上，則可以利用不同顏色進(jìn)行不同范圍的電阻率值的映射[2]。而此時(shí)，只要將平行或近似平行的測量剖面按照空間的實(shí)際順序排列起來，就可以形成高密度電法測量范圍的三維數(shù)據(jù)場。

圖1　高密度電法測線剖面的電阻率值分布

2　高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)已有勘探數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)場可視化，并且完成地表起伏較大的區(qū)域的勘探，可以建立三維數(shù)據(jù)場可視化模型。就目前來看，三維柵格圖模型可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一測區(qū)的不同空間位置的二維剖面圖的三維數(shù)據(jù)場可視化，并且對(duì)勘探設(shè)備沒有過多的要求，所以可以得到較好的應(yīng)用。

2.1研究思路

一般的情況下，高密度電法的測線都是采取平行或相交布置方式（如圖2），所以可以將剖面圖中的任意一個(gè)方向軸當(dāng)做是常量值，繼而完成三維柵格系統(tǒng)中的剖面繪制。而剖面的繪制方法與二維系統(tǒng)中的一致，但需要在一個(gè)三維系統(tǒng)中進(jìn)行所有不同的剖面的集成，以便完成三維柵格圖的繪制。所以，所謂的三維柵格圖，其實(shí)就是二維高密度電法的視電阻率剖面圖。但是，利用高密度電法采集得到的數(shù)據(jù)是不規(guī)則的均勻格網(wǎng)數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的等值處理，繼而得出數(shù)據(jù)的等值線圖。在此基礎(chǔ)上，通過完成等值線圖的填充，則可以得出高密度視電阻率剖面圖。而在應(yīng)用等值線追蹤算法時(shí)，TN不規(guī)則三角網(wǎng)并不受邊界形狀的約束[3]。因此，需要利用經(jīng)過邊界約束的Delaunay三角網(wǎng)進(jìn)行等值線的追蹤。需要注意的是，想要實(shí)現(xiàn)三維柵狀圖，還要合理的完成直線區(qū)域值范圍的設(shè)置，并且采取適當(dāng)?shù)念伾瓿蓞^(qū)域的填充。

圖2　高密度電法的測線布置

2.2三維建模

三維柵格圖模型的建立需要依次完成約束三角網(wǎng)、等值線圖和拓?fù)涑蓞^(qū)的生成。在此基礎(chǔ)上，則可以完成等值剖面的三維柵狀化，繼而得到相應(yīng)的三維柵格圖模型。

首先，在編寫等值線追蹤代碼時(shí)，利用約束三角網(wǎng)可以輕松完成程序代碼的編寫。而在高密度電法剖面中，利用邊界約束三角網(wǎng)則可以使所有開曲線與邊界相交，繼而避免懸掛線和懸掛橋在處理等值線拓?fù)鋾r(shí)出現(xiàn)。而想要生產(chǎn)約束三角網(wǎng)(如下圖3)，則需要先獲取高密度電法剖面的邊界，然后利用高密度電法剖面邊界進(jìn)行生成的三角網(wǎng)的約束，并將邊界以外的三角形刪除。

圖3　約束三角網(wǎng)

其次，在實(shí)現(xiàn)高密度電法視電阻率等值線圖時(shí)，需要使生成的線圖與原始剖面圖保持一致。具體來講，就是需要使等值線數(shù)值的對(duì)數(shù)序列與剖面視電阻率值一致。而想要達(dá)成這一目的，首先需要進(jìn)行包含開曲線和閉曲線的所有等值線的追蹤，并且完成懸掛線的處理，以便完成初步的拓?fù)錂z查。而在此基礎(chǔ)上，則需要將所有的曲線轉(zhuǎn)換成弧段，以便拓?fù)鋮^(qū)的形成。其中，開曲線和閉曲線可以直接轉(zhuǎn)換成弧段。而在將邊界轉(zhuǎn)換成弧段時(shí)，則需要得到邊界邊與等值線的所有交點(diǎn)[4]。通過將邊界邊所有點(diǎn)順時(shí)針排序，并按順時(shí)針完成邊界邊的連接，則可以將邊界邊與等值線之間的分割線段轉(zhuǎn)換成弧段。

再者，在實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑蓞^(qū)之前，需要確保等值線之間沒有重復(fù)點(diǎn)，繼而避免等值線的相交。同時(shí)，需要確保開曲線線頭在邊界上，并在拓?fù)鋮^(qū)形成后利用拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行等值線區(qū)域的管理。在進(jìn)行拓?fù)涑蓞^(qū)的顏色填充時(shí)，可以根據(jù)值域范圍完成填充，并通過設(shè)置區(qū)域紋理完成區(qū)域?qū)傩缘慕y(tǒng)計(jì)，繼而使系統(tǒng)功能的擴(kuò)展更加方便。比如，在用600到1000Ωm之間的電阻率代替花崗巖時(shí)，就可以將該值域范圍區(qū)域的紋理設(shè)置為花崗巖圖案，繼而獲得更加直觀的剖面圖。

最后，在實(shí)現(xiàn)等值線剖面圖的三維柵狀化時(shí)，需要將二維等值線剖面鑲嵌在三維系統(tǒng)中。具體來講，就是進(jìn)行等值線剖面圖的相交剖面的融合處理，并且進(jìn)行區(qū)域顏色的設(shè)置和繪制。一方面，需要根據(jù)測線之間的關(guān)系完成剖面平面坐標(biāo)值的設(shè)定，并完成區(qū)域的點(diǎn)坐標(biāo)的三維轉(zhuǎn)換。此外，還要進(jìn)行相交剖面的數(shù)據(jù)誤差融合處理，以便完成測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理。另一方面，需要根據(jù)剖面列表進(jìn)行二維等值線區(qū)域圖的生成，并完成區(qū)域顏色和紋理對(duì)象的設(shè)定。而在完成上述步驟后，則可以按照空間位置關(guān)系進(jìn)行柵狀圖的繪制。但由于高密度電法是分別完成剖面的采集的，所以其剖面相交處的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)不一致的問題。此時(shí)，需要進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)的整合處理，以便使圖形更加美觀[5]。但是，數(shù)據(jù)的變化容易引起剖面其他數(shù)據(jù)的變化，所以需要完成剖面相交線的計(jì)算，并完成線上的離散點(diǎn)的平均誤差的計(jì)算。而在此基礎(chǔ)上，則可以通過窗口滑動(dòng)完成誤差的移動(dòng)，繼而使剖面得到更好的整合。

2.3模型實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行三維柵格圖模型的實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以利用VC和Open GL完成模型程序的編寫。而為了使模型代碼具有較強(qiáng)的可讀性，并且具有一定的擴(kuò)展性，則需要利用面向?qū)ο蟮姆绞酵瓿晒δ苣K代碼的編寫。但等值線區(qū)域不屬于普通多邊形，其中可能嵌套有多個(gè)島[6]。因此，需要用Open GL提供的凹多邊形區(qū)域的繪制方式進(jìn)行等值線區(qū)域的繪制。

3　高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化的應(yīng)用

3.1在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用

在水文地質(zhì)領(lǐng)域，高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化主要用于分析地下空間的電性差異特征，以便使地質(zhì)實(shí)體的空間變異狀況得以精確反映出來。而由于該方法即具有電探測的特點(diǎn)，同時(shí)又能清楚反映出地質(zhì)斷面影像，所以可以用于進(jìn)行含水地層的圈定，并且能夠完成水介質(zhì)中富水性和污染情況的調(diào)查。一方面，在進(jìn)行地下水資源勘查時(shí)，利用該方法可以完成水層位置、儲(chǔ)量和空間分布的探測。具體來講，就是通過完成大范圍地電數(shù)據(jù)的采集，然后利用三維反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的反演成像，繼而直觀展現(xiàn)出地質(zhì)空間中的含水介質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)。而通過觀測這一影像，則可以對(duì)含水介質(zhì)的富水性和位置進(jìn)行全面的了解。另一方面，在水質(zhì)監(jiān)測方面，該方法可以通過獲取電阻率三維影像完成介質(zhì)含鹽量變化的間接反映。同時(shí)，由于水中污染物濃度變化將引起水體的導(dǎo)電性發(fā)生變化，所以將導(dǎo)致污染區(qū)和非污染區(qū)之間形成一定的電性界面[7]。而利用高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化方法則可以完成地質(zhì)體的電性差異的描繪，并進(jìn)行污染范圍的圈定，繼而確定水介質(zhì)的污染范圍。

3.2在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工程地質(zhì)領(lǐng)域，高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化方法可以在大壩裂縫探測、高層建筑選址和高速公路采空區(qū)探測等多個(gè)方面得到應(yīng)用。利用該方法，不僅可以完成防空洞、洞穴和涵洞的探測，還能夠完成地下未知障礙和與周圍介質(zhì)不同的地下物的探測，所以可以為工程建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)。比如在高速公路建設(shè)方面，利用該方法可以進(jìn)行公路采空區(qū)和塌陷區(qū)的探測，并完成對(duì)故障區(qū)域的大小和結(jié)構(gòu)的調(diào)查。而通過分析三維影像，則可以完成對(duì)次生地質(zhì)的覆蓋層厚度和風(fēng)化層劃分問題的調(diào)查，繼而更好的了解工程建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件。

4　結(jié)論

總而言之，在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等領(lǐng)域，高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化方法可以得到較好的應(yīng)用。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。因此，本文對(duì)高密度電法的三維數(shù)據(jù)可視化問題進(jìn)行的研究，可以為該方法的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

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P631.3[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-108-1

涂勇剛（1984～），男，本科，地球物理學(xué)工程師，研究方向?yàn)殡姶欧碧健?/p>