基于OpenGL三維地質模型構建

(成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059)

煤礦的三維建模對于研究地下煤層的構造、儲煤量等諸多地質問題提供直觀上的模型數據，滿足研究人員對于地層認識和空間分析的需求，擺脫了二維模式下抽象的地質符號以及繁雜的鉆孔數據(鉆孔最重要數據成果是三圖一表，即鉆孔柱狀圖、工程布置圖、勘探線剖面圖和樣品分析結果表)對研究地下煤層帶來的不便。基于模型的數值模擬和空間分析，能夠輔助用戶進行科學決策和規避風險。對于提高煤礦開采的工作效率和增加經濟效益具有重大的意義。所謂的煤礦三維地質模型構建，就是以計算機技術為支持，在三維環境下，把空間信息的分析管理、地質環境的譯、空間信息的分析和預測、地學統計、實體資料分析以及計算機圖形可視化工具相結合，并在地質分析上得以運用的技術。構建地質三維模型是為了表達地質資料的空間信息，實現三維模擬是模型顯示和分析根本。

一、數據庫設計

鉆孔數據庫是實現三維模型構建的數據支持，根據具體的建模需求調用不同的表格數據是能否完成模型構建的基礎。鉆井勘探數據是地質研究的主要資料來源，更是地下地層理論研究的重要依據。數據庫的設計能夠影響可視化實現的正確性。

二、三維地質建模的實現方法

地質三維建模以插值擬合地層層面為重要的建模過程，所以插值算法在建模過程中有著舉足輕重的地位。鉆孔數據是一組離散的點集，使用插值的方法可以擬合符合地層的曲面，選擇合適的插值方法可以快速有效解決資料數據的不連續性從而實現地層的可視化。

根據實地鉆探獲取的鉆孔數據，調用OpenGL方法，完成長坪礦地質三維模型的構建。礦山建模對于地層模型的效果及功能需求包括模型顯示(真實地質效果、光照、紋理)、交互操作(旋轉、縮放、視點)、模型變換等。此次畢業設計目的成果：通過ADO.NET的方式讀取數據庫中的鉆孔數據，將三維建模顯示用的數據存儲在C#的List中，再根據List中的數據，繪制出煤礦的邊界，鉆孔的開孔位置以及構建出主要的地質體三維模型，并能夠通過鍵盤交互。

三、主要模型的構建

構建地質模型主要包括地層建模、鉆孔建模以及陷落柱建模。而地層建模中標志層的選擇需根據不同的研究需求加以區分，本次建模的標志層選擇k1-k10含水層以及M3煤層為建模的層面，同鉆孔、井田邊界線模型共同顯示，最后通過鍵盤實現退出、放大、縮小、順時針旋轉、逆時針旋轉等人機交互操作。

地層是指某一地質年代因沉積作用以及巖漿噴出活動形成的地層總稱。地層模型選擇K1-K10的標志層數據建立三維可視化模型，每一個標志層賦予不同的顏色加以區分，并實現視角旋轉效果。

鉆孔又稱鉆井，是從地表開始利用專業的鉆探設備向地下鉆成的深度較大直徑較小的柱狀圓孔。通過鉆孔勘探得到的鉆孔數據是后期地下地層形成狀態和構造關系研究的數據來源，鉆孔模型依據實地勘探的鉆孔數據構建三維模型，實現三維柱狀模型，并實現模型顯示、視角變換和人機交互的功能。

四、程序實現

(一)數據處理與坐標軸轉換

在數據庫中存儲的位置信息是基于世界坐標系。屏幕上顯示的圖形都是二維坐標里圖形，而真實地質體卻是三維模型所以世界坐標是三維坐標，在計算機處理圖形數據時，必然要把三維數據轉換到二維坐標系下。如果要想將其顯示到設備屏幕上，需要進行坐標變換。進行坐標變換之前，首先要能從數據庫中讀取到整個煤礦的X最大值及最小值，Y最大值和最小值，分別向減就可以得到煤礦的長度和寬度。每個點相對坐標等于每個點的坐標值減去X和Y的最小值。再求出屏幕的長度和寬度。

(二)繪制鉆孔

1.繪制鉆孔界限。通過與數據庫連接，調用Geography數據庫中的拐點坐標表格，把拐點坐標表格中的每條記錄當做一個對象，把該記錄的某些字段與InflectionPoint類中的屬性進行綁定，遍歷每一條記錄，然后將其加入到borderPoints列表中，即可把所有邊界點信息都存儲起來。

2.繪制離散點。調用的鉆孔數據在屏幕坐標系上是離散的坐標點，建立鉆孔的地層層面編號，得到各地層層面的采樣點，為插值擬合地層層面做準備，然后采用反距離權重插值算法對各地層層面進行曲面擬合。

(三)繪制并渲染地層

把鉆孔數據的離散點通過反距離插值的方法獲得格網點的高程值，然后通過繪制不規則三角網擬合地層層面。對擬合過的三角網可見面添加自然光照效果，可以實現場景的真實顯示。基本光照模型中的發光體一般限于點光源。基于單個點的光強度的計算模型稱為光照模型。基本光照模型包括環境光、漫反射、鏡面反射，表面光照效果包括光的反射、透射性、表面紋理和陰影。

圖1 三維地質模型

五、結論

三維地質建模項目終于實現了坐標軸、地層層面(K1-K10標志層)建模、鉆孔建模以及鉆孔邊界線建模。雖然實現了Geology數據庫所存儲的兩種模型的構建，但是陷落柱模型與巷道模型構建卻沒有實現。陷落柱建模與地層建模大體是相似的，只是少了網格的擬合，而是通過不規則三角網直接形成模型，構建三角網的有許多常用插值方法，包括樣條插值、二次插值以及Delaunay插值。