三维可视化建模技术在地质勘查中的应用

三维可视化建模技术在地质勘查中的应用

摘要：根据地质勘查的数据特点，利用三维可视化建模技术。实现了以真三维模型来恢复地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布，能对其进行旋转、漫游、切片分析、虚拟钻探等操作，动态地研究其内部细节，了解目标对象与周围地质环境之间的关系，为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供了强有力的支持。

关键字：地质勘查 三维可视化 建模技术 虚拟钻探

引言

在地质勘查工作中，地质工作者越来越迫切地希望建立一套完善的地质体三维可视化与分析系统，实现对地质体信息的三维可视化仿真，丰富地质勘查成果的表现形式，为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供强有力的支持。随着计算机软件和硬件的飞速发展，针对地质体的三维建模与可视化，综合运用三维仿真、数学地质、计算机图形学、虚拟现实、科学计算可视化、计算机软件开发等成熟的理论方法与技术，实现复杂地质条件下的三维地质建模。

二．三维地质建模数据来源与特点分析

在三维地质建模中，用来反映地质体特征的数据来源多种多样，包括地质勘探数据、地球物理勘探数据、地球化学勘探数据、工程地质数据等等。

由于地质原始数据的多源性、离散性和定性特征在很大程度上阻碍了三维地质建模研究的发展。因此，在三维地质建模工作中需要耦合多源信息，对场区地质构造进行分析、解译，将定性描述的数据定量化，尽量以数值型数据和图形数据来进行表达，将离散不确定的数据通过各种插值拟合的手段转化为连续确定的数据，为三维地质建模提供合适的数据源。

三．三维地质建模的难点与关键技术问题分析

通过对三维地质建模数据来源与特点的分析可知，建立一个客观准确的三维地质模型必须满足三个条件：足够多的原始地质采样数据、能够真实反映复杂地下空间关系的地质解译分析、合适的数据结构。就目前复杂地质体的三维建模主要面临的困难可归纳为以下3点：

（1）原始地质数据获取艰难。地质体通常位于地表以下，人们无法直接全面地观察到地质体的各种特征，往往只能通过物探、化探等手段获得地质体的部分特征信息，并通过对这些信息的分析、解释、推断来获得地质体的基本信息。

（2）地下地质体及其空间关系极其复杂。地质条件和地质作用复杂多变，在其影响下，地层被切割成不连续的空间分布，岩体内复杂的岩性变化，以及地

质构造过程的动态性更使得地下地质体及其空间关系异常复杂。这大大增加了三维地质建模数据结构、拓扑关系、相应算法的设计与实现难度。

（3）模型的确定性与地质体属性的不确定性存在矛盾。由于稀疏的不充足采样数据和地质体的复杂性决定了地质体属性的未知与不确定，地质工作者只能凭借分析、解释、推断的方式对不连续的、缺失的地质信息进行想象，存在主观上的不确定性。而一旦三维地质模型建立起来却将是确定的，不存在模糊性的东西，它将在地质信息的进一步定量分析和探索利用上发挥巨大的影响力。

因此，在三维地质建模与可视化研究中，重难点可归纳为以下三个方面：①合理有效的多源数据耦合方式；②科学合理的数据模型；③正确高效的建模算法。

通过对复杂地质体的三维建模难点分析，选择以广义三棱柱(GTP)作数据模型。基于广义三棱柱的建模方法能较好地解决地质体的内、外表达与描述，具有一定的空间拓扑关系表达能力，可以处理比较复杂的地质情况，且数据量较为精简，模型结果也可以方便地进行空间分析与显示。

四．复杂地质体的广义三棱柱建模算法

复杂地质体广义三棱柱建模算法由以下5个步骤组成：

1)钻孔数据的处理；

2)基于钻孔口分布，建立地表Delaunay三角网剖分。为处理复杂的地质体边界情况，可以进一步演化成基于控制性虚拟钻孔链的带约束Delaunay三角网剖分；

3)循环读取地表Delaunay三角网的每一个三角形，提取三顶点所对应的钻孔；

4)以三个钻孔地面穿出点构成三棱柱上三角形，基于三棱柱生长算法，自上而下地推导下三角形的顶点构成，连接成三棱柱体，并判定出该三棱柱体的地层属性：然后，将该三棱柱体的下三角形视为下一三棱柱体的上三角形，重复执行相同操作，直至将三个钻孔上的所有钻孔节点走完，即完成一个Delaunay三角形对应的竖向三棱柱生长过程；

5)当遍历完Delaunay三角网中的所有三角形时，建模任务完成。具有相同地层属性的广义三棱柱构成同一地层，不同的地层面通过广义三棱柱的上下底面的三角形集合所组成的TIN面进行表达；

五．系统开发环境

地质体三维可视化与分析系统以Visual Studio 2005为开发环境，C#为开

发语言，利用Coin3D三维图形库，开发独立的软件系统。

六．系统体系结构

系统开发采用面向对象的编程思想，将三维地质建模与可视化分析涉及的各类空间对象经过认真地分析、归纳和抽象，设计成空间对象类；将建模过程中具有基础算法意义的操作封装成基础算法类：将对模型结果的分析操作封装为空间分析类。以这些类或结构作为基础，根据用户的各项功能需求，按模块化的思路对系统的总体结构进行设计。建成的系统具有四大核心功能：①数据录入与管理；②三维地质建模；③三维可视化与分析；④帮助系统。其中，数据录入与管理功能主要是针对钻孔数据的录入、查询、修改、删除，以及组织存储；三维地质建模功能主要实现针对当前工程的三维地质建模，系统采用的是前文提出的复杂地质体广义三棱柱建模算法进行地质模型的构建；三维可视化与分析功能负责将模型结果进行三维渲染显示，并提供丰富的三维分析工具和手段，使用户可以自由地实现三维地质模型的缩放、漫游、剖切、开挖、揭层操作、栅栏图生成等操作；帮助系统是为用户提供必要的使用说明和问题解答。系统的总体结构如下图所示。

七．结论

系统设计初步实现了地质勘查中地质体信息的三维可视化与分析，这对于地质勘查工作具有重要的现实意义。

1)拓展了人们的观测视野和思维空间，使地质工作者可以在一种接近现实的虚拟环境中生动、直观地进行场区的构造地质、工程地质、环境地质等特征信息的提取和综合评价。这对那些自然环境恶劣、山高路险、交通不便，地质勘查工作开展十分困难的区域意义尤为重要。

2)能恢复出地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布，地质工作者可以进一步地观察目标，对其进行旋转、漫游、切片分析、虚拟钻探等操作，动态地研究其内部细节，了解目标对象与周围地质环境之间的关系。这为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供了强有力的支持。

3)增强了地质勘查成果的直观性、生动性和可读性，摆脱了传统地质勘查成果表现形式单一的局面，也间接消除了地质勘查成果在不同行业领域间的共享障碍。传统的地质勘查成果多以二维的地形图、地质图为主要表现形式，使用对象多为地质行业具备较强读图能力的专家，这给其他需要地质勘查成果的行业(如环境、交通等)造成了使用上的困难。

4)能以一种更为自然、平滑、直观地方式去消除一线地质工作者在其他

相关空间信息技术方面的知识瓶颈，加深对新技术新方法的理解和认识，推动新技术新方法在基层的普及。

所以，三维可视化建模技术在地质勘查中的应用，不管是在经济效益和社会效益方面，还是在推动地质勘查的数字化、信息化、现代化发展方面，都具有重要的理论意义和现实价值。

参考文献

【1】一种基于三棱柱体体元的三维地层建模方法及应用 张煜、白世伟 中国图象图形学报

【2】《湖南省地质矿产资源开发战略形式研究》 陈汉中 中国地质大学出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。