地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模及其可視化方法研究

摘 要：在對(duì)前人的研究成果進(jìn)行了比較分析的基礎(chǔ)上提出了一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模與可視化方法。該方法從多源數(shù)據(jù)融合角度出發(fā)，融合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、物探解譯剖面數(shù)據(jù)，利用空間插值技術(shù)構(gòu)建三維空間數(shù)據(jù)場，采用三維硬件紋理直接體繪制技術(shù)進(jìn)行體視化，以真三維形式表達(dá)了研究區(qū)域地層結(jié)構(gòu)的空間分布特征與內(nèi)部屬性信息。與前人研究相比，該方法反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)場建立速度更快。

關(guān)鍵詞：三維可視化； 三維空間數(shù)據(jù)場； 體繪制； 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP311.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)06-0150-02

體繪制技術(shù)是指直接由三維空間數(shù)據(jù)場產(chǎn)生屏幕上的二維圖像的可視化技術(shù)。與傳統(tǒng)方法不同，直接體繪制技術(shù)避免了將原始數(shù)據(jù)的部分屬性映射成平面或曲面，而直接對(duì)精練及處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，以生成二維圖像。這種技術(shù)能夠產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)場的整體圖像，包括每一個(gè)細(xì)節(jié)，并具有圖像質(zhì)量高，便于并行處理等優(yōu)點(diǎn)［1］。利用直接體繪制技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維建模，可以從地質(zhì)研究與真三維角度反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布特征與內(nèi)部屬性信息，具有良好的應(yīng)用前景。它一直是三維GIS與科學(xué)計(jì)算可視化研究領(lǐng)域一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

針對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)具有的數(shù)據(jù)量大、特征值分布雜亂、沒有清晰光滑的分界面、需要表現(xiàn)的是地層變化的整體規(guī)律等特點(diǎn)，黃文靜等人［2］提出改進(jìn)的光線投射算法對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化；李仲學(xué)等人［3－7］將直接體繪制技術(shù)運(yùn)用于采礦工程三維建模與可視化。上述研究成果主要是從采用體繪制算法進(jìn)行體繪制方面進(jìn)行闡述，沒有給出構(gòu)建三維空間數(shù)據(jù)場的解決思路。馬仁安以三維地震數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行直接體繪制反演研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，但由于三維地震數(shù)據(jù)獲取成本較高并受使用地域條件的限制，難以在城市地質(zhì)方面應(yīng)用［9－11］。顏輝武采用空間插值算法和光線投射算法將直接體繪制技術(shù)應(yīng)用于水文地質(zhì)體的可視化研究，對(duì)水文地質(zhì)層及其內(nèi)部的物理化學(xué)屬性進(jìn)行了體視化，給出了從鉆孔資料構(gòu)建三維空間數(shù)據(jù)場到采用體繪制算法進(jìn)行體繪制的完整解決思路［12］。但其方法是先構(gòu)建幾何曲面來描述水文地質(zhì)層界面后，再進(jìn)行規(guī)則采樣生成數(shù)據(jù)場。這種方法沒有發(fā)揮直接體繪制技術(shù)不需要構(gòu)建中間幾何圖元的特點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)速度較慢，難以達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的效果。

1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間數(shù)據(jù)場構(gòu)建

直接體繪制算法按照三維空間數(shù)據(jù)場的類型可以分為規(guī)則數(shù)據(jù)場直接體繪制和非規(guī)則數(shù)據(jù)場直接體繪制兩種。本文采用規(guī)則數(shù)據(jù)場直接體繪制技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的建模與可視化。

三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場中，數(shù)據(jù)分布在長方體組成的三維網(wǎng)格點(diǎn)上，即在x、y、z三個(gè)方向上，網(wǎng)格點(diǎn)間的距離不等，但在同一方向內(nèi)則是相等的。對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場，其XY平面一般都是地表平面，Z方向?yàn)榈乇硐虻叵碌难由欤虼丝梢詫⒌刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間規(guī)則數(shù)據(jù)場，看成XY平面上二維網(wǎng)格的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在Z向上的延伸。假想可以在XY平面上二維網(wǎng)格的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處都分布勘察鉆孔，那么就可以直接利用獲得的鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建出所要的三維空間數(shù)據(jù)場。但在現(xiàn)實(shí)中這顯然是不可能的問題。然而，可以得到構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)場的一個(gè)重要思路，就是如何得到這些密集的、規(guī)則排列的假想鉆孔數(shù)據(jù)。

與馬仁安等人［9－11］的研究中采用的三維地震數(shù)據(jù)相比，在地質(zhì)領(lǐng)域更易獲得的是空間上分布不均、稀疏的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)與少量物探解譯剖面數(shù)據(jù)，以及描述地表結(jié)構(gòu)的地面高程數(shù)據(jù)。于是，構(gòu)建研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)場的任務(wù)，被轉(zhuǎn)換為如何利用這些少量的、不規(guī)則分布的已知地質(zhì)勘察資料獲得前文所提的假想鉆孔數(shù)據(jù)。由于是構(gòu)建假想鉆孔數(shù)據(jù)，筆者首先將原始數(shù)據(jù)盡可能統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)鉆孔數(shù)據(jù)模型上。本文采用的標(biāo)準(zhǔn)鉆孔數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)鉆孔數(shù)據(jù)模型

必須將物探解譯剖面資料轉(zhuǎn)換為鉆孔數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)與原始鉆孔數(shù)據(jù)的融合。因此，筆者進(jìn)行基于剖面的鉆孔數(shù)據(jù)挖掘［13］引入虛擬鉆孔，使其按一定間隔掃描整個(gè)剖面。虛擬鉆孔與地層相交的過程中，每個(gè)地層有上、下界兩個(gè)相交點(diǎn)，取其下界的相交點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)的深度作為標(biāo)準(zhǔn)鉆孔數(shù)據(jù)模型中地層的地板深度。虛擬鉆孔的橫、縱坐標(biāo)可以從物探剖面在地圖上分布信息中獲得，地面高程信息可從DEM中獲得。將這類從物探解譯剖面資料中挖掘的鉆孔數(shù)據(jù)稱為虛擬鉆孔數(shù)據(jù)。

由于地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)在空間分布上稀疏不均，僅僅依靠從原始勘探數(shù)據(jù)（包括原始鉆孔數(shù)據(jù)和物探解譯剖面資料）獲得的信息，還無法準(zhǔn)確反映研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。有必要引入用戶的交互，結(jié)合工程人員專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚Ｔ摲椒▽儆诎胱詣?dòng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模，方法簡單直觀，具有很大的靈活性和較強(qiáng)的可操作性，只需提供簡單的基于基礎(chǔ)地理圖的鉆孔信息添加功能即可實(shí)現(xiàn)。筆者將這類根據(jù)用戶專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)添加的鉆孔數(shù)據(jù)稱為專家鉆孔數(shù)據(jù)。

將原始鉆孔數(shù)據(jù)、虛擬鉆孔數(shù)據(jù)和專家鉆孔數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，采用特定的空間插值算法，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)插外推，估計(jì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間展布規(guī)律，得到前文所提的假想鉆孔數(shù)據(jù)。筆者將這種通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到的鉆孔數(shù)據(jù)，稱為擬合鉆孔數(shù)據(jù)。本文研究中采用Kriging插值算法進(jìn)行空間插值。地面高程信息從研究區(qū)域的DEM中獲取。

擬合鉆孔數(shù)據(jù)在XY二維平面上規(guī)則分布，但在Z軸方向上僅描述了必要的地質(zhì)參數(shù)，如地層分層。因此要構(gòu)成三維規(guī)則體數(shù)據(jù)場還需要在Z軸方向上進(jìn)行采樣。本文以地層的底板為分界線，對(duì)擬合鉆孔按照事先指定的Z軸采樣步長進(jìn)行采樣，得到規(guī)則體數(shù)據(jù)場。體數(shù)據(jù)場算法流程如圖2所示。

圖2 三維空間體數(shù)據(jù)場生成算法流程

顏輝武的方法是要比較一個(gè)采樣點(diǎn)和擬合出來的地層界面的關(guān)系，要判斷點(diǎn)和面的拓?fù)潢P(guān)系，因此速度較慢。而本文中的規(guī)則網(wǎng)格采樣是在垂直Z軸方向，比較兩點(diǎn)Z值大小，速度相比，要快很多。

2 基于三維硬件紋理的直接體繪制

基于三維硬件紋理的體繪制方法由Cullip等人［14］首先提出，并在近幾年得到了發(fā)展。該方法分為紋理生成與紋理繪制兩步實(shí)現(xiàn)。在紋理生成階段，首先定義一組物質(zhì)分類表，將數(shù)據(jù)場內(nèi)不同的物質(zhì)賦予不同的顏色值（RGB）與不透明度（A）。物質(zhì)分類表反映了物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)換函數(shù)。體數(shù)據(jù)場通過轉(zhuǎn)換函數(shù)被定義為三維紋理并轉(zhuǎn)入紋理內(nèi)存。由于紋理內(nèi)存有限，大規(guī)模體數(shù)據(jù)場必須分成多個(gè)三維紋理塊。在體繪制階段，當(dāng)視線方向確定后，紋理空間與對(duì)象空間的映射關(guān)系也得以確定，并按照從后至前的順序，將三維紋理塊依次裝入內(nèi)存。對(duì)每一紋理塊，借助紋理映射功能，從后向前用一系列相互平行的等距多邊形對(duì)體數(shù)據(jù)場的三維紋理進(jìn)行重采樣。最后，將這些多邊形的重采樣結(jié)果合成為結(jié)果圖像［1］。重采樣分為圖像空間法和對(duì)象空間法。本文采用對(duì)象空間法。

3 實(shí)例分析

應(yīng)用上述研究成果，筆者采用Visual C#和Visual C++為開發(fā)語言、Open Inventor為可視化工具、ArcEngine為GIS平臺(tái)開發(fā)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化系統(tǒng)。以南京市仙林地區(qū)為研究對(duì)象，建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間數(shù)據(jù)場，進(jìn)行直接體繪制，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的真三維顯示，驗(yàn)證了該可視化方法的可行性。研究區(qū)域基礎(chǔ)地理圖和地質(zhì)結(jié)構(gòu)直接體繪制圖如圖3、4所示。

圖3 研究區(qū)域基礎(chǔ)地理圖

圖4 研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)直接體繪制

4 結(jié)束語

本文從多源數(shù)據(jù)融合角度出發(fā)，通過融合原始鉆孔勘探資料、物探解譯剖面資料和專家知識(shí)，利用空間插值技術(shù)構(gòu)建研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)場，并采用三維硬件紋理直接體繪制技術(shù)進(jìn)行體視化，以真三維的形式進(jìn)行了研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化，取得了良好的效果，為研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供較好的手段。實(shí)驗(yàn)表明，該方法充分利用了多種地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)，融合了三維空間中的點(diǎn)、線、面多源數(shù)據(jù)，更加準(zhǔn)確地描述了地質(zhì)結(jié)構(gòu)。本文研究僅進(jìn)行了地層結(jié)構(gòu)的三維建模與可視化，還沒有考慮復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造因素，如斷層、褶皺等。如何獲取地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息，建立復(fù)雜地質(zhì)體空間數(shù)據(jù)模型，并將其融入到構(gòu)建三維空間數(shù)據(jù)場和體視化中，還有待于進(jìn)一步深入研究。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。