周美霞

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

巖溶體數(shù)據(jù)建模及屬性查詢研究

周美霞

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

地質(zhì)體的數(shù)據(jù)建模技術(shù)是研究地質(zhì)體特征的一項(xiàng)重要手段，特別是地質(zhì)體切片模型的展示，能更加清晰地表達(dá)地質(zhì)體的內(nèi)部特征、地層分布等情況。主要探討了巖溶體(多Z值)的數(shù)據(jù)建模，并且在鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用C++語(yǔ)言基于OpenGL編寫程序?qū)崿F(xiàn)巖溶體的三維可視化，展現(xiàn)了地層的切片模型及地層的屬性查詢。

巖溶體;OpenGL;地層切片;屬性查詢

0 引言

三維地層的構(gòu)造與分析已經(jīng)成為地下空間開(kāi)發(fā)和利用的重要手段之一。建立了三維地層模型后，就能夠?qū)δ骋粎^(qū)域的地下結(jié)構(gòu)有更精確的掌握，能清楚地知道地層的分布狀況，特別是對(duì)地層的缺失、倒轉(zhuǎn)、尖滅等特殊地質(zhì)現(xiàn)象有很好的了解(趙宏堅(jiān)等，2010)。一般正常無(wú)倒轉(zhuǎn)的地層都是按照新老地層的順序依次堆積形成的，而巖溶體結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)了反常規(guī)現(xiàn)象，地層出現(xiàn)了倒轉(zhuǎn)交替現(xiàn)象，在此地層上鉆探，鉆孔會(huì)出現(xiàn)多個(gè)高程值的現(xiàn)象。目前，對(duì)于一般正常地層的三維可視化建模研究，國(guó)內(nèi)外地質(zhì)專家和學(xué)者都做了充分的解釋，而類似巖溶體這樣有多個(gè)Z值(高程值)的地質(zhì)體的建模情況，國(guó)內(nèi)外還處于探索研究階段。三維地質(zhì)建模是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解釋、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)(Houlding，1994)。地層切片技術(shù)在地震解釋，石油勘查預(yù)測(cè)中應(yīng)用很廣泛，切片模型能夠深入表達(dá)地質(zhì)體的內(nèi)部形態(tài)特征，有益于地學(xué)工作者對(duì)于地質(zhì)體內(nèi)部屬性的把握，在地質(zhì)體的特征分析中有著重要作用。筆者以二層地層為基礎(chǔ)研究巖溶體的數(shù)據(jù)建模、地層切片以及地質(zhì)體屬性查詢。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)巖溶體的數(shù)據(jù)建模，需要搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇Visual C++6.0中的MFC可視化程序，結(jié)合OpenGL圖形庫(kù)繪制三維地層圖形，目前OpenGL是工業(yè)界公認(rèn)的先進(jìn)而強(qiáng)大的三維圖形編程接口(3D API)。它有著功能完備的二維和三維圖形處理能力，是理想的三維應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具(吳愛(ài)蘭等，2007)。

2 巖溶體數(shù)據(jù)建模

2．1 鉆孔數(shù)據(jù)特點(diǎn)

鉆孔數(shù)據(jù)排列規(guī)則，一般以行為單位規(guī)則排列，每一行上的鉆孔數(shù)相同，且富含地層特定位置的真實(shí)物質(zhì)，所以能準(zhǔn)確地體現(xiàn)地層的巖性、地層分布情況和屬性資料。如X、Y、Z坐標(biāo)值、孔深、孔口直徑和地層巖性等。圖1顯示的就是某一區(qū)域的鉆孔數(shù)據(jù)。

圖1 鉆孔數(shù)據(jù)顯示圖

2．2 鉆孔數(shù)據(jù)的整理與存儲(chǔ)

如何將鉆孔數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中是數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)識(shí)別不了實(shí)際獲得的鉆孔數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的原理方法將原始鉆孔數(shù)據(jù)規(guī)整到計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的形式。在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。線性表是最簡(jiǎn)單、常用的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是：除了起始節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)都僅有1個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)，起始節(jié)點(diǎn)沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有后繼節(jié)點(diǎn)。線性表有2種存儲(chǔ)方式：順序存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)是用一組任意的存儲(chǔ)單元存放線性表中的數(shù)據(jù)元素，簡(jiǎn)稱鏈表(史麗燕，2010)。單鏈表是一種基本的線性表。如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅包含1個(gè)指向其后繼元素的指針，則稱此類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的是單鏈表(史麗燕，2010)。本實(shí)例就是將鉆孔數(shù)據(jù)以單鏈表的形式存儲(chǔ)起來(lái)。

2．3 鉆孔插值加密

由于工程鉆探得到鉆孔數(shù)據(jù)的數(shù)量有限，而建模需要足夠的數(shù)據(jù)才能達(dá)到準(zhǔn)確性，所以，對(duì)于工程鉆探得到的鉆孔數(shù)據(jù)要進(jìn)行插值加密處理，設(shè)定好鉆孔坐標(biāo)之間的ΔX、ΔY。結(jié)合單鏈表的存儲(chǔ)性質(zhì)很容易實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)的插值加密，存儲(chǔ)加密的鉆孔數(shù)據(jù)時(shí)，要考慮到多Z值的情況。

2．4 巖溶體表面模型的構(gòu)建

巖溶體的表面是由很多個(gè)面元(Surface)集合而成的，每一個(gè)面元又是由4個(gè)鉆孔點(diǎn)構(gòu)成，利用插值加密的鉆孔數(shù)據(jù)形成一系列的面元，巖溶體的表面就形成了。面元的Z值根據(jù)鉆孔的Z值判定，一般以左下角的鉆孔Z值代表面元的Z值。用到的函數(shù)是OpenGL中的glBegin(GL_QUAD_STRIP)，因巖溶體鉆孔數(shù)據(jù)多Z值的情況，相應(yīng)的面元也具有多Z值。

2．5 巖溶體體模型的構(gòu)建

巖溶體三維可視化建模既是將自然狀態(tài)下的巖溶體運(yùn)用一定的數(shù)據(jù)模型與方法將其展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，那么如何在計(jì)算機(jī)上將復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)模型表達(dá)——任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)都可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集合而成，現(xiàn)實(shí)中的地質(zhì)體模型可以由體元集合展示。在VC++環(huán)境中結(jié)合OpenGL繪制體元，而體元的繪制要根據(jù)體元與對(duì)應(yīng)面元的Z值大小作比較，賦予不同的顏色值，在MFC中結(jié)合OpenGL三維可視化展現(xiàn)。在比較的過(guò)程中要考慮面元的多Z值情況，分別設(shè)定不同的算法，體元的繪制只需通過(guò)三重“for循環(huán)”，分別在X、Y、Z 3個(gè)方向上循環(huán)1遍。體元的大小要和面元一致。遇到面元有2個(gè)或者3個(gè)Z值的設(shè)定算法確保體元繪制正確。算法的正確性直接決定體模型建立的正確與否。

2．5．1 遇到面元有2個(gè)Z值情況 依據(jù)研究區(qū)域的巖溶體特點(diǎn)判斷算法的設(shè)定，主要是確定面元是在研究區(qū)域邊界還是中間位置。(1)第一種情況：面元處于研究區(qū)域邊界，當(dāng)體元Z值小于面元的最小Z值時(shí)，設(shè)置體元有顏色;當(dāng)體元Z值大于面元的最小Z值時(shí)，設(shè)置體元呈透明顯示(或者另一種不同顏色，只要統(tǒng)一即可)。(2)第二種情況：位于中間，當(dāng)體元Z值小于面元的最大Z值時(shí)，設(shè)置體元有顏色，當(dāng)體元Z值大于面元的最大Z值時(shí)，設(shè)置體元透明顯示。

2．5．2 遇到面元有3個(gè)Z值情況 當(dāng)體元Z值小于面元的最小Z值時(shí)，設(shè)置體元有顏色;當(dāng)體元Z值大于面元的最小Z值小于中間Z值時(shí)，設(shè)置體元透明顯示;當(dāng)體元Z值大于面元的中間Z值小于最大Z值時(shí)，設(shè)置體元有顏色;當(dāng)體元Z值大于面元的最大Z值時(shí)，設(shè)置體元透明顯示。

研究實(shí)例如圖2，為巖溶體的建模效果圖。

圖2 巖溶體模型效果圖

3 巖溶體切片模型

在體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展現(xiàn)切片模型，對(duì)于地質(zhì)體的研究有更深的意義，地震切片分析技術(shù)是地震資料解釋的一種常用手段，其在油氣勘探中的作用愈來(lái)愈大(張軍華等，2007;王鵬等，2008)。通過(guò)切片可以更清晰地看到地層內(nèi)部的巖性，為進(jìn)一步研究地質(zhì)體的物理、化學(xué)屬性提供了依據(jù)。切片模型的展示既是在體模型的基礎(chǔ)上設(shè)置一定的算法使特定位置的地質(zhì)體展現(xiàn)，而其他位置的地質(zhì)體不顯示，那么整個(gè)模型就呈現(xiàn)出切片的形式。定義一個(gè)實(shí)現(xiàn)切片模型的函數(shù)void Sectionmodel();算法實(shí)現(xiàn)如下：

切片模型實(shí)現(xiàn)如圖3、圖4。

圖3 切片模型1

圖4 切片模型2

4 巖溶體屬性查詢的實(shí)現(xiàn)

本實(shí)例在編程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體數(shù)據(jù)建模的同時(shí)，利用OpenGL里的glLoadName(name)函數(shù)，分別給每一層地層命名，然后再為不同的地層附上相應(yīng)的屬性資料，在可視化的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊查詢地層的屬性。glLoadName(name)既是在渲染模型的同時(shí)賦予一個(gè)名字，當(dāng)點(diǎn)擊到這個(gè)名字的地層模型時(shí)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)功能。功能實(shí)現(xiàn)界面如圖5。

圖5 屬性查詢界面圖

5 結(jié)論

三維地學(xué)模擬是三維地質(zhì)信息GIS可視化的核心研究?jī)?nèi)容。隨著科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)和三維GIS技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)信息的三維可視化也將得到進(jìn)一步的深化(朱良峰等，2006)。如今，地質(zhì)問(wèn)題已成為貫穿于數(shù)字城市、減災(zāi)防災(zāi)、城建工程、地下工程、水電工程、交通工程、環(huán)境工程、資源開(kāi)發(fā)的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題，三維地學(xué)模擬是解決這些領(lǐng)域的地質(zhì)問(wèn)題的關(guān)鍵(周翠英等，2005)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)研究者們也在努力應(yīng)用各種方法將在實(shí)地考察中得到的地質(zhì)資料和地層信息移位到計(jì)算機(jī)屏幕上，使勘查得到的地質(zhì)資料可視化表達(dá)及資源共享。通過(guò)不斷的努力和研究，目前國(guó)內(nèi)外也取得了一定的成就，但是學(xué)術(shù)研究是無(wú)止境的，需要更多的人為此付諸努力和汗水。地層切片模型既是對(duì)地質(zhì)體模型的進(jìn)一步分析，通過(guò)切片又可以了解到地層內(nèi)部變化情況，為各種地質(zhì)現(xiàn)象的判斷提供了依據(jù)。

史麗燕．2010．單鏈表基本操作的實(shí)現(xiàn)［J］．軟件導(dǎo)刊，(2)：21－22．

吳愛(ài)蘭，樓建列．2007．基于OpenGL的三維圖形的繪制［J］．中國(guó)科技信息，(9)：122 －124．

王鵬，高偉，張紅斌．2008．地震切片演化技術(shù)在乍得A區(qū)塊的應(yīng)用［J］．石油地球物理勘探，43(增刊1)：115－118．

周翠英，陳恒，劉祚秋，等．2005．重大工程地下環(huán)境信息系統(tǒng)的特點(diǎn)［J］．巖土力學(xué)，26(2)：216 －220．

朱良峰，潘信，吳信才．2006．三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］．巖土力學(xué)，27(5)：828 －832．

張軍華，周振曉，譚明友，等．2007．地震切片解釋中的幾個(gè)理論問(wèn)題［J］．石油地球物理勘探，42(3)：348－352．

趙宏堅(jiān)，周翠英．2010．基于實(shí)體建模的三維地層構(gòu)造［J］．巖土力學(xué)，31(4)：1257 －1263．

HOULDING S W．1994．3D Geoscience Modeling：Computer Techniques for Geological Characterization［M］．New York：Springer-Verlag．

Study on karst data modeling and attribute inquiry

ZHOU Mei-xia

(Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui)

Geological body data modeling technology was an important way to study the properties of the geological body，to display geological body section model，to express the inner properties and stratigraphic distribution of the geological body．The author discussed the data modeling of karst body(multi Z value)，realized a 3D visualization of karst body based on OpenGL programming and by the use of C++language on the foundation of bore data．In addition，the stratigraphic section display and attribute inquiry were undertaken besides 3D visualization．

Karst;OpenGL;Stratigraphic section;Attribute inquiry

TP391

A

1674－3636(2012)03－0316－04

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．316

2012－05－20;編輯：陸李萍

周美霞(1988— )，女，碩士研究生，地圖制圖學(xué)與地理信息工程專業(yè)，主要從事地質(zhì)體的數(shù)據(jù)建模與三維可視化研究，E-mail：zmx19880222@126．com