基于TIN的地層三維建模方法研究與實現

任佳

摘 要：地層三維建模是進行地層形態分析以及已知礦體與地層褶皺空間關聯分析的基礎。地層三維模型不僅可以提供地層的感官認識，分析地層褶皺形態，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據模型的選擇，將討論基于TIN的地層三維建模的方法以及二維地層轉三維地層的原理與方法。

關鍵詞：三維建模;線串模型;TIN模型

一、TIN建模

地層在地質學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，地層的連續彎曲形成褶皺，褶皺可以控制區域構造格局以及礦產形成與分布，因此對成礦預測極為重要。目前主要有基于曲面建模、體元建模和混合建模三種地質建模的方法。體元模型因存儲空間需求大、實現較難而應用較少。基于曲面的地質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體的表達。一般是基于采樣點的TIN模型和基于數據內插的Grid模型來模擬地質體表面。規則格網模型的缺點主要就是存儲量大。在地質體表面平坦的區域容易出現大量冗余數據，而在地質體起伏較大地區采樣點不足，不能準確反映地質體的突變。TIN模型與Grid模型的區別在于能隨地質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，從而克服平坦地區產生數據冗余的問題，壓縮數據以節省存儲空間。不規則三角網（TIN），其實質是一種基于三角形的空間鑲嵌模型。不規則三角網方法按某種規則，將空間中無重復的散亂數據點集進行三角剖分，使這些數據點形成連續但不重疊的不規則三角面片網，并以此來描述地質體的表面。

二、基于TIN的地層三維建模

1.TIN模型數據結構

TIN方法能利用不規則分布和較少的離散數據點生成連續的、互不交叉、互不重疊的三角形來模擬地層的表面。TIN模型采樣點數據易于采集，存儲效率高，數據結構簡單，與地層的表面不規則特征類似，而且易于更新，建模理論趨于成熟。正因為這些優點，采用TIN模型進行地層的三維建模已應用廣泛。地層三維建模的實質即用三維面模型描繪地層面的三維形態。本文采用TIN面模型進行地層的三維建模。

在Datamine中TIN的數據由組成三角形的頂點序號和頂點坐標組成，實際上可以導出為兩個關系表：三角形頂點表（TR）和頂點坐標表（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）、數據源（SOURCE）。PT表包含的字段有：頂點X坐標（XP）、頂點Y坐標（YP）、頂點Z坐標（ZP）、頂點編號（PID）。

2.建模方法流程

三維地質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建TIN模型。基于TIN的地層三維建模是綜合各種地質資料形成二次地層數據，數字化成地層數據點，在三維地質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，建立地層的TIN模型。

三、二維地層轉三維地層

二維地層轉三維地層其實也就是二維地質剖面圖轉三維地質剖面圖的過程，包括兩個步驟：

1.剖面位置標定

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、垂直比例尺及所經過的轉折點坐標，坐標系統可以采用大地坐標系或地理坐標系，剖面空間位置的標注其實就是獲取、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識出剖面兩點（X0，Y0）、終點（Xn-1，Yn-1）、剖面所經過的中間點（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，以及剖面經過的轉折點的坐標（Xi，Yi），就可以將二維剖面圖中任一點（X，Y）映射為三維地質空間中的點（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信息的獲取、成礦預測、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進行了研究，提出了基于TIN的地層重建方法，并詳細介紹了TIN模型的數據結構、地層三維建模流程以及二維地層轉三維地層的算法和公式。

參考文獻：

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測：以安徽銅陵鳳凰山礦田為例[J].地質通報，2010（2）：401-413.

？誗編輯 段麗君endprint