基于IDL的三維地質(zhì)勘查方法

張 嵐，楊 斌，高德政

（1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

基于IDL的三維地質(zhì)勘查方法

張 嵐1，楊 斌1，高德政1

（1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

地質(zhì)勘察人員需要了解各種地質(zhì)體三維空間形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還要能夠根據(jù)勘察工程的進(jìn)行，數(shù)據(jù)資料的增加動(dòng)態(tài)調(diào)整地質(zhì)體在三維空間上的形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的變化。利用 IDL 語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與圖形顯示功能，設(shè)計(jì)了地質(zhì)體三維建模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)體的動(dòng)態(tài)調(diào)整；并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，為數(shù)字礦山的應(yīng)用提供了模型和方法參考。

地質(zhì)勘查；IDL；三維地質(zhì)體；可視化

三維地質(zhì)體可視化解決了二維平面圖不能顯示地質(zhì)體在三維空間上變化的問(wèn)題，對(duì)于資源勘查有著十分重要的作用，是三維GIS研究的重要領(lǐng)域和熱點(diǎn)[1-4]。

目前尚無(wú)一個(gè)既能方便形成各種地質(zhì)圖，又能形成三維地質(zhì)體，還能動(dòng)態(tài)地根據(jù)勘察工程進(jìn)展不斷調(diào)整三維地質(zhì)體的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)。本文以宜昌某磷礦的鉆孔資料為源數(shù)據(jù)，探討了IDL在三維地質(zhì)體可視化中的應(yīng)用，基本完成了對(duì)地質(zhì)勘察分析的三維可視化及成圖；再根據(jù)鉆孔資料的變化，改變地質(zhì)剖面圖及三維地質(zhì)體的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)體的動(dòng)態(tài)調(diào)整[5,6]。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)與環(huán)境

1.1 IDL語(yǔ)言

交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言——IDL，作為第4代可視化語(yǔ)言在圖像分析和三維可視化方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[7,8]：①可方便地進(jìn)行跨平臺(tái)的移植；②提供了大量封裝和參數(shù)化了的數(shù)學(xué)函數(shù)；③提供了豐富的二維、三維圖形圖像類，便于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維可視化[9,10]。鑒于IDL擁有簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)步驟、豐富的功能函數(shù)和完美的處理結(jié)果,可以說(shuō)它是理想的三維可視化環(huán)境的生成平臺(tái)[11]。

1.2 對(duì)象圖形系統(tǒng)

對(duì)象圖形系統(tǒng)指利用對(duì)象模型創(chuàng)建用于顯示的對(duì)象，然后在窗口中添加對(duì)象進(jìn)行顯示的圖形系統(tǒng)。利用其編程技術(shù)和豐富的對(duì)象類大大提高了開(kāi)發(fā)效率，本文采用該系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)體三維可視化,框架體系見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

地質(zhì)體三維建模系統(tǒng)由收集資料、整理數(shù)據(jù)、文本文檔的建立、模擬鉆孔柱狀圖、地層三維可視化和地質(zhì)體模型構(gòu)建等模塊組成（圖2）。

圖1 對(duì)象圖形系統(tǒng)框架體系

圖2 地質(zhì)體三維可視化及分析體系結(jié)構(gòu)

在讀取源數(shù)據(jù)后，利用對(duì)象圖形法中的IDLgrPolygon對(duì)象創(chuàng)建三維地質(zhì)鉆孔，模擬鉆孔柱狀圖；然后整理并生成規(guī)則插值網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，計(jì)算所有網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并模擬各地層的表面和側(cè)面，生成單層DEM數(shù)據(jù)；生成單個(gè)地層分界面的 DEM 數(shù)據(jù)后，就可把它們納入到統(tǒng)一的地面坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)地層分界面 DEM 的疊加顯示，進(jìn)行地層分界面的繪制；體繪制完成后，可對(duì)模擬的三維可視化幾何模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、剖切等操作。

2.1 單層DEM的生成

根據(jù)要求指定格網(wǎng)間隔，將研究區(qū)域劃分為矩形網(wǎng)格，并通過(guò)每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作垂直線，與各地層表面交于一點(diǎn)；然后插值計(jì)算所有網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并模擬各地層的表面和側(cè)面。以Kriging插值法為例：設(shè)某平面有n個(gè)離散節(jié)點(diǎn)（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），對(duì) 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) 高 程 為f1，f2，…，fn，則 對(duì) 某 點(diǎn)（x， y），其節(jié)點(diǎn)高程為：

式中，aj可利用離散點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)立方程求出；c為常數(shù)。

2.2 體數(shù)據(jù)的繪制

體繪制是指以體素作為基本單元，使用指定的模型和算法，由體數(shù)據(jù)直接生成三維虛擬實(shí)體映像的過(guò)程。使用體素表達(dá)的體素模型，不僅具有實(shí)體的外部形狀信息，而且還包含實(shí)體內(nèi)部的全部信息，在三維體素填充模型中，使用最多的是等邊長(zhǎng)的正方體體元[12,13]。其算法流程如圖3所示，其中 m、n、l 分別為X、Y、Z方向的任意維數(shù)，stratum_num為地層總數(shù)。

圖3 體繪制算法流程圖

2.3 剖面分析

剖面分析是指沿著地質(zhì)體的任意方向做任意個(gè)剖面，可從多個(gè)剖面方向來(lái)觀察地質(zhì)體的地層屬性、構(gòu)造分布等信息。該工具還可以用于觀察地質(zhì)界面信息以及對(duì)地質(zhì)體做剖切后的切塊信息，可清楚顯示地質(zhì)模型內(nèi)部的各個(gè)細(xì)節(jié)。

2.4 垂直切片的提取

提取體數(shù)據(jù)切片的方法有垂直切片的提取和任意方位切片的提取。垂直切片的提取是根據(jù)體數(shù)據(jù)的三維數(shù)組volume[x，y，z],提取與X方向垂直的切片。其具體方法為循環(huán)x的值，對(duì)于每個(gè)固定值xi，其對(duì)應(yīng)的垂直切片為volume[xi，yi，zi]，利用write_*函數(shù)把該二維數(shù)組按照任意一種指定的圖像格式存入圖像文件；同理，可分別提取與Y、Z方向的垂直切片。

3 功能實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)讀取

在IDL中讀寫ASCII碼文件時(shí)，先將一個(gè)邏輯設(shè)備號(hào)與文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后對(duì)設(shè)備邏輯號(hào)進(jìn)行讀、寫或更新等操作，本文應(yīng)用自由讀寫的方法，其簡(jiǎn)化語(yǔ)法為：

3.2 紋理貼圖

3.3 結(jié)果分析

本文利用IDL構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)。圖4a是根據(jù)已知的鉆孔坐標(biāo)模擬的鉆孔柱狀圖；圖4b是根據(jù)鉆孔柱狀圖形成的二維平面圖；圖4c是根據(jù)多層DEM數(shù)據(jù)插值后模擬的三維地質(zhì)體；圖4d是根據(jù)鉆孔資料的變化、增加而進(jìn)行的三維地質(zhì)體動(dòng)態(tài)調(diào)整；圖4e是根據(jù)遙感圖像、DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理貼圖；圖4f～h是對(duì)三維地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)剖切操作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在科學(xué)可視化理論的基礎(chǔ)上，利用離散的鉆孔觀察資料，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的可視化顯示、查詢和分析。地質(zhì)體三維可視化解決了二維平面圖和剖面圖不能直觀顯示三維地質(zhì)信息的問(wèn)題，能夠指導(dǎo)實(shí)際的地質(zhì)分析，具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值，也為數(shù)字礦山的應(yīng)用提供了模型和方法參考。

地質(zhì)體的三維建模和可視化作為許多科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的研究方向，它的實(shí)現(xiàn)與創(chuàng)新需要結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、科學(xué)可視化、地質(zhì)學(xué)等諸多科研成果，這從本質(zhì)上決定了任何關(guān)于三維可視化的理論與應(yīng)用都會(huì)有它不足和有待提高之處，因此還需要進(jìn)行更深入的研究。

圖4 地質(zhì)體三維可視化及分析系統(tǒng)部分功能

[1] 楊朝輝,陳映鷹. IDL 在三維地層可視化中的應(yīng)用研究[J].工程勘察,2008(6):50-53

[2] 何全軍,程彬,許惠平.基于IDL的地形三維可視化實(shí)現(xiàn)[J].世界地質(zhì),2004,23(1): 85-89

[3] 楊朝輝.基于IDL的三維地質(zhì)剖面編繪系統(tǒng)的研制[J].測(cè)繪科學(xué),2009,34(2):197-198

[4] 張敬博,賈瑞生.基于體繪制技術(shù)的層狀地層三維建模平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2012,29(2):129-132

[5] 吳守亮.三維層狀地質(zhì)體可視化建模及分析研究[D]. 淮南:安徽理工大學(xué),2011

[6] 王小利.基于IDL的礦體三維可視化開(kāi)發(fā)與研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2008

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[8] 董彥卿.IDL程序設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2012

[9] 王振勝,王賢敏.基于IDL 的三維地質(zhì)礦產(chǎn)建模[J].測(cè)繪科學(xué),2013,38(1):26-28

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[11] 賈瑞生,姜巖,孫紅梅,等.基于IDL三維地形建模及可視化技術(shù)研究[J].測(cè)繪科學(xué),2008,33(6):1-3

[12] Bak P, Mill A. Three Dimension Representations in a Geoscientific Resource Management System for the Minerals Industry[J]. Three Dimensional Applications in Geographic Information Systems,1989,3(1):155-182

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P208

B

1672-4623（2016）03-0064-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.020

張嵐，碩士，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)勘查技術(shù)與方法。

2014-01-15。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（LEDM2011B03）。