面向地质勘查的三维可视化系统研制与开发

发布时间：2016-09-01 06:46

本文关键词：面向地质勘查的三维可视化系统研制与开发，由笔耕文化传播整理发布。

第五章三维地质建模与可视化研究；建模法、剖面重构法、不规则四面体建模法，还有线框；线框建模法就是把目标空间轮廓上两两相邻的特征点用；八叉树建模法采用八叉树模型，该模型是为了克服三维；结构实体几何建模法（ＣＳＧ）是利用预先定义好的一；图５－９ＣＳＧ模型的构模原理；实体模型法（Ｓｏｌｉｄ）采用的实际是一种复合的数；成都理』１人学博士学位论文；有复杂内部结构的物体

第五章三维地质建模与可视化研究

建模法、剖面重构法、不规则四面体建模法，还有线框建模法、八叉树建模法、结构实体几何建模法、实体模型法、广义三棱柱建模法，以及多种模型混合建模法等。下面就对这些建模方法进行系统的评价与分析，找出它们的优缺点，并探索其原因，为后继的研究工作启发思路和寻找突破口。

线框建模法就是把目标空间轮廓上两两相邻的特征点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后主要依据三角形数据模型把这些多边形面以三角面片的形式拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界。这种方法本质就是基于二维轮廓线重构三维物体，目前该方法已经比较成熟，研究人员相继解决了非凸轮廓线的三维物体重构问题，并提出了将多轮廓线之问的形体重构问题转换为体数据中的等值面改造问题的研究思路。线框建模法易于实现、操作简单，因此在地质、采矿领域的商业化软件中普遍采用，但目前线框建模法仍不能表达地质体内部的属性信息和地质对象之间的空间关系。

八叉树建模法采用八叉树模型，该模型是为了克服三维栅格模型在三维物体边界表达和数据存储方面的缺陷而由Ｈｕｎｔｅｒ（１９７８）等人提出的一种空问栅格数据模型，后来发展成为线性八叉树模型，它是二维中的四叉树模型在三维中的推广。该模型将三维空间区域分为八个象限，如果每一个象限都均质（即象限中每一个体元的类型相同或达到了一定的误差精度）就不再细分，否则再将该象限细分为八个象限，如此递归，直至模型满足要求。八叉树建模法主要优点是数据便于查找，利于对三维体数据进行空间分析，但由于建模结果难以进行几何变换，因此八叉树建模法在三维地质建模中应用较受局限。

结构实体几何建模法（ＣＳＧ）是利用预先定义好的一些规则体元，如立方体、球体等来合成实体，这些体元之间可以进行几何变换和『Ｆ则布尔运算，生成的３Ｄ物体可以用ＣＳＧ树来表示，如图５－９所示。结构实体几何建模法对于描述结构简单、形状规则的物体非常有效，但对地质体这种复杂物体很不方便，并且其不具备拓扑关系，在图形显示方面也不方便，不适合用来进行三维地质建模。

图５－９ＣＳＧ模型的构模原理

实体模型法（Ｓｏｌｉｄ）采用的实际是一种复合的数据模型，它采用多边形网格来精确描述地质体边界，同时采用传统的块体模型来描述地质体内部的属性信息，从而实现了地质体形态的完美表达与内部属性的分析计算。实体模型法适合对具

成都理』１人学博士学位论文

有复杂内部结构的物体建模，但缺点是人工交互多，存储数据冗余大，构模速度慢，对空间对象内部及其之问的拓扑关系的表达不够完善。

广义三棱柱建模法以广义三棱柱（ＧＴＰ）为基本体元进行三维地质建模，其构模原理是：用ＧＴＰ的上下底面的三角形集合所组成的ＴＩＮ面来表达不同的地层面，然后利用ＧＴＰ侧面的空间四边形面来描述层面间的空间邻接关系，用ＧＴＰ柱体来表达层与层之间的内部实体（张玲玲，２００４）。ＧＴＰ是一种比较理想的基本体元，其上下三角形不必互相平行、侧棱长度不必相等且不必相互平行，特例演化可以变成四面体、四棱锥体，如图５．１０，因此可以处理比较复杂的地质情况，且数据量较为精简。基于ＧＴＰ的建模方法具有模型开放性和拓扑描述性的优点，不过建模数据来源主要依赖钻孔数据，所以数据成本较高。

二金岬，』霞

图５－ｌＯＧＴＰ的演化特例

混合建模法是对各种数据模型及建模方法的综合利用。因为各种不同的数据模型既有其独特的优点，又有不可避免的缺陷，很难发展出一种兼有各种数据模型优点且适用于各种情况的数据模型，因此这些模型在表达不同对象、面向不同目标、实现多尺度多分辨率表示时体现出的互补性为其混合提供了现实基础。基于混合模型的建模方法正在逐步发展成为表达三维地质实体最有效的选择。在进行不同模型的混合运用时，混合包含有两层意思，一是模型间的松散集成，即两种或多种数据模型独立存在，只是采取一定的技术手段进行有效的连接；二是模型间的无缝集成，即从数据结构的设计上考虑两个模型的集成。目前，研究主要集中在第一种混合上，比较有代表性的混合建模法有：多层ＤＥＭ＋似三棱柱体（ＱＴＰＶ）混合建模法（程朋根，２００５）、ＴＩＮ＋ＣＳＧ混合法、ＴＥＮ＋Ｏｃｔｒｅｅ混合法、ＴＩＮ＋栅格模型法等等。混合建模法虽然解决了地质对象的内、外表达与描述，但交互工作量大，数据冗余，且没有空间拓扑关系表达或空间拓扑关系表达不够完善，数据模型的集成研究尚不成熟，需要进一步探索和完善，这些都是混合建模法急需解决的问题。

５．３基于广义三棱柱的复杂地质体三维建模

通过上述一系列的数据模型及建模方法比较，作者最终选择了广义三棱柱（ＧＴＰ）作为论文研究的数据模型。基于广义三棱柱的建模方法能较好地解决地质８４

第五章三维地质建模与可视化研究

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。

本文将深入完整地对以ＧＴＰ为基本体元的三维空间数据模型和相关建模算法进行研究。分析基于ＧＴＰ体元建模的优势，讨论ＧＴＰ的数据模型，并给出相关定义；基于面向对象设计的思想，设计出一种可以处理地层缺失、尖灭、透镜体、正断层／逆断层等复杂地质情况的广义三棱柱生长算法，并借助ＣＡＳＥ工具对算法所涉及到的各类对象进行详细类设计。论文还将提出一种新的钻孔加密算法，通过对模型结果加密细化，可以使之更为精细、平滑。

５．３．１广义三棱柱数据模型与数据结构设计

５．３．１．１广义三棱柱的构模原理

基于广义三棱柱的建模方法以ＧＴＰ为基本体元进行三维地质建模，其构模原理是：用ＧＴＰ的上下底面的三角形集合所组成的ＴＩＮ面来表达不同的地层面，然后利用ＧＴＰ侧面的空间四边形面来描述层面间的空间邻接关系，用ＧＴＰ柱体来表达层与层之间的内部实体和属性特征（张玲玲，２００４）。ＧＴＰ是一种比较理想的基本体元，其上下三角形不必互相平行、侧棱长度不必相等且不必相互平行，特例演化可以变成四面体、四棱锥体，如图５．１１所示，这两种特殊的广义三棱柱体在数据结构中仍然记录其６个顶点，即退化棱边的两个顶点是相同的，这样就可以模拟断层、分叉和尖灭等复杂的地质情况，且数据量较小。

４

６

（ａ）ｆｂ）（ｅｌ

图５－１Ｉ广义三棱柱演化形式

上图中三角形顶点１、２、３和４、５、６所各自形成的三条边分别对应同一地层面钻孔点连线，侧面四边形棱边１．４、２．５和３－６对应层问钻孑Ｌ。由于存在地层面起伏和钻孔偏斜等问题，此空问单元的上下两个三角形不一定平行，侧面四边形也不一定共面，因此不是标准的三棱柱，但其形态与三棱柱近似，故称之为广义三棱柱。

５．３．１．２模型拓扑关系描述

地质体三维建模中空间要素如结点、弧段、多边形、体等，都不是彼此孤立的，它们之间存在着复杂的拓扑关系。通过拓扑关系的存储与表达，可以使地质体模型具备一定的空间分析能力，避免过于复杂的空间计算，提高模型空间分析８５

成都理一Ｉ：人学博士学位论文

和查询的效率。因此，地质模型中空间要素及其相互间拓扑关系形式化描述与表达是设计模型数据结构的重要基础，也是实现模型空间关系查询和空间分析的基本前提。

设计模型的拓扑关系时，应能够全面反映各基本要素之间的拓扑联结关系，在保证系统一致性的前提下尽量减少数据冗余，对于经常使用的关系，允许保留一定冗余，减少关联查询的层数，以加快查询速度。基于如上考虑，本文拓扑设计如下：

Ｐ３

图５．１２广义三棱柱示意图

（１）点边关系：点构成边，边交于点。

表５．Ｉ点边关系表５．２边点关系

点

Ｐｌ

Ｐ２

－－●边ＰｌＰ２，ＰｌＰ３边ＰｌＰ２起点Ｐｌ●●●终点Ｐ２－●－ＰｌＰ２，Ｐ２Ｐ舢Ｐ２Ｐ４Ｐ４Ｐ５

Ｐ３Ｐ５，Ｐ４Ｐ５Ｐｌ－－－Ｐ５●●●Ｐ５

－－●

因为在基于广义三棱柱的数据模型中默认上三角面顶点ＰｉＰ：Ｐ。与下三角面Ｑ，Ｑ：Ｑ：；对应，在建模以及后期可视化处理中未涉及对棱边进行操作，所以在数据结构与拓扑关系的描述中省略棱边部分，以达到节省存储空间，提高运算效率的效果。

（２）边与三角形的关系：边组成三角形，相邻三角形之间共边。

表５－３边与三角形关系表５－４三角形与边关系

边

ＰｌＰ２齐＝角形卅ＰｌＰ２Ｐ３

Ⅻ几Ｌ右三角形ＮＵＬＬ三角形ｄＰｌＰ２Ｐ３幺Ｐ２Ｐ３Ｐｌ

／Ｉｐ３Ｐ４Ｐ５边ＰｌＰ２，Ｐ２Ｐ３，ＰｌＰ３ＰｌＰ３●＿●／ＩｐｌＰ２Ｐ３Ｐ２Ｐ３，Ｐ３Ｐ如Ｐ２Ｐ４Ｐ３ＰＩ，Ｐ．Ｐ５，Ｐｖ廿５

Ｐ４Ｐｓ

●●●刀Ｐ扩ｌＰｓｌ毗

（３）三角形与三棱柱的关系：上下两个三角形构成三棱柱，上下邻接三棱柱共面于三角形。

第五章三维地质建模与可视化研究

表５－５三角形与三棱柱的关系表５石三棱柱与三角形的关系

三角形ｒ＝榜样ｒ二饺任三棱柱ｒ＝角形ｒ二角彤

／１ＰｌＰ２Ｐ３ＮＵＬＬＰｌＰ２Ｐ３ＱｌＱ２Ｑ３ＰｉＰ２ＰａＱｌＱ２Ｑ３，，１Ｐ１Ｐ２Ｐ３．４０ｌＱ２Ｑ３

彳Ｐ２Ｐ３Ｐ４ＮＵＬＬＰ２Ｐ３Ｐ｛Ｑ２Ｑ３Ｑ｛Ｐ２Ｐ３Ｐ｛Ｑ２Ｑ担４／１Ｐ２Ｐ３Ｐ４４Ｑ２Ｑ３Ｑｌ

卅Ｐｖ０４ＰｓＮＵＬＬＰ３Ｐ４Ｐ５Ｑ３Ｑ４Ｑ５Ｐ３Ｐ，５Ｑ３Ｑ４Ｑ５４Ｐ３Ｐ４Ｐ５＿－４０３ＱｌＱ５

．ｄｌＱｌＱ２Ｑ３ＰｔＰ２Ｐ３ＱｌＱ２Ｑ３姗ｕ

４Ｑ２Ｑ３Ｑ４Ｐ２Ｐ３Ｐ４Ｑ２Ｑ３ＱｔＭⅡ．Ｌ

卅Ｑ３Ｑ４Ｑ５Ｐ３Ｐ４Ｐ５Ｑ３Ｑ４Ｑ５删ＬＬ

（４）三角形到点的关系：离散点通过Ｄｅｌａｕｎａｙ三角剖分形成三角形网，每个三角形由三点组成。

表５．７三角形到点的关系表弼三棱柱到点的关系

＝角形点＝祷样点

，ｄＰｌＰ２Ｐ３ＰｌＪＰ２，Ｐ３ＰｔＰａＰｓＱｌＱ２Ｑ３ＰｌＪＰ２，Ｐ釉ＱｌＪＱ２，，Ｑ３

么Ｐ２Ｐ３Ｐ毒Ｐ２ＪＰ舢ＰＪＩＰ２Ｐ３Ｐ毒Ｑ２Ｑ３Ｑ４Ｐ２，Ｐ和Ｐ４，Ｑ２，ｑ３，Ｑ４

翻Ｐ３Ｐ４Ｐ５Ｐ知Ｐ如Ｐ５Ｐ３Ｐ，５Ｑ３Ｑ｜ＩＱ５Ｐ舢Ｐ４，Ｐ５，０３，Ｑ４，Ｑ５

（５）三棱柱到点的关系：上下相应三角形连接成三棱柱，三棱柱由六点组成。

除上述显式提出的五组拓扑关系外，在建模与可视化处理中，更多隐含的拓扑关系，如点与点的关系，线与线的关系，三角形与三角形的关系，三棱柱与三棱柱的关系、点到三角形的关系，点到三棱柱的关系，边到三棱柱的关系等等，都可以通过拓扑关系的推导获得。

５．３．１．３模型数据结构设计

根据广义三棱柱空间要素的特征，结合本文所采用的广义三棱柱生长算法，论文研究采用了点、边、三角形、三棱柱四种基本元素进行建模。具体建模实现与可视化处理时，这四种基本元素被具体化成如下相关类和结构：

（１）点元素相关类与结构

１）空间点坐标结构（Ｖｅｃ３ｆ）：记录三维空间坐标，见图５．１３。

２）地面点类（Ｐｏｉｎｔ、Ｐｏｉｎｔ＜Ｔ＞）：记录钻孔的孔口位置信息，可由钻孑Ｌ节点类（ＢｏｒｅｈｏｌｅＮｏｄｅ）推导得出，Ｐｏｉｎｔ＜Ｔ＞是其泛型形式，Ｔ属性记录的是高程信息，可用来构建地表Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网，以及生成地表ＴＩＮ模型。

３）钻孑Ｌ节点类（ＢｏｒｅｈｏｌｅＮｏｄｅ）：记录钻孔与各地层层面相交点的信息，包括钻孔节点编号（ｉｎｄｅｘ）、地层层面编号（ＬａｙｅｒＩＤ）、地层属。［生（１ａｙｅｒＡｔｔｒｉｂｕｔｅ）、点空间坐标（ｐｏｓ，数据类型系Ｖｅｃ３ｆ结构）、是否处于断层面（ｉｓＦａｕｌｔ）等等信息，详见图５．１３。８７

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