楊文環(huán) 尹 璐 孫久運(yùn)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

礦山鉆孔數(shù)據(jù)三維地層建模與可視化

楊文環(huán) 尹 璐 孫久運(yùn)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

三維地層建模與可視化是三維地理信息系統(tǒng)(Geological Information System，GIS)在地學(xué)中的重要應(yīng)用，能夠直觀展現(xiàn)各類復(fù)雜的地質(zhì)信息，對(duì)于實(shí)際地質(zhì)分析大有幫助。為此，提出了一種基于引入四面體格網(wǎng)(Tetrahedral Network，TEN)的廣義三棱柱(Generalized Tri-prism，GTP)模型的三維地層模型構(gòu)建方法。該方法使用鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地層建模，首先以鉆孔孔口數(shù)據(jù)生成地表面不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)，然后根據(jù)地層空間分布順序，將TIN中的三角形逐個(gè)沿鉆孔向下擴(kuò)展生成GTP體元模型，建立三維地層模型并對(duì)其進(jìn)行四面體剖分，最后使用可視化工具包(Visualization Toolkit，VTK)開(kāi)發(fā)出三維地層可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地層模型的三維顯示及屬性查詢，距離、角度量測(cè)與剖切等空間分析功能。某礦山鉆孔數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明：基于引入TEN的GTP模型有助于解決空間實(shí)體剖切問(wèn)題，將VTK應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)三維地層可視化是可行的，在可視化性能與空間分析操作等方面均有著良好的效果，對(duì)于提高礦山地質(zhì)分析、地質(zhì)建模與可視化效率有一定的參考價(jià)值。

三維地層建模 可視化 鉆孔數(shù)據(jù) 四面體格網(wǎng) 廣義三棱柱 不規(guī)則三角網(wǎng) 可視化工具包

三維地層建模與可視化是GIS在礦山地質(zhì)中的一個(gè)重要應(yīng)用，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與GIS、圖形可視化工具相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的空間數(shù)據(jù)管理、地層可視化表達(dá)與空間分析是礦山3DGIS深入應(yīng)用的基本要求，也是當(dāng)前GIS應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1-2]。三維地層模型能夠完整表達(dá)地質(zhì)體的邊界條件與其所包含的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，相較于傳統(tǒng)的二維表示方法更加直觀形象，且支持空間分析操作，有助于進(jìn)行地質(zhì)解譯[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)三維地層建模進(jìn)行了大量研究，提出了如多層DEM法、四面體格網(wǎng)法，地層水平法、三棱柱法等建模方法[1,4-8]。多層DEM法可精確描述地層表面信息，但無(wú)法表達(dá)地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；四面體格網(wǎng)法可以描述具有復(fù)雜邊界的空間實(shí)體，拓?fù)潢P(guān)系靈活，但算法復(fù)雜，生成效率不高；地層水平法適用于構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則的地層模型；三棱柱模型主要針對(duì)垂直鉆孔，難以描述更符合實(shí)際情況的傾斜鉆孔數(shù)據(jù)。

目前常用的三維可視化工具主要有Direct3D，OpenGL，OSG，VTK。Direct3D是由微軟公司開(kāi)發(fā)的交互多媒體應(yīng)用程序接口，具有硬件無(wú)關(guān)性，主要應(yīng)用于微軟Windows平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)、3D動(dòng)畫、3D圖形計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)。OpenGL是SGI公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)圖形程序接口，具有跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)[9]，但OpenGL發(fā)展較為遲緩，主要用于專業(yè)高端繪圖領(lǐng)域；OSG是使用OpenGL技術(shù)開(kāi)發(fā)的基于C++平臺(tái)的應(yīng)用程序接口(API)，主要用于仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)及建模等領(lǐng)域。VTK是美國(guó)Kitware公司推出的一個(gè)開(kāi)源的免費(fèi)軟件系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的三維圖形功能與良好的可移植性，同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)類型。

基于以上分析，本研究采用GTP模型作為建模單元，提出了基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型構(gòu)建方法。該方法結(jié)合地層生成順序與分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)地層構(gòu)造推理和自動(dòng)建模，在此基礎(chǔ)上引入TEN，對(duì)GTP模型進(jìn)行四面體剖分，并采用VTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)GTP模型的三維可視化操作。

1 三維地層模型構(gòu)建

1.1 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括鉆孔空間位置信息的提取和鉆孔內(nèi)地層的劃分與排序。鉆孔空間位置信息主要包括鉆孔孔口坐標(biāo)以及鉆孔長(zhǎng)度。地層的層數(shù)可根據(jù)鉆孔資料中記錄的信息分析得到，巖性相同并且上下位置相近的可視為同一地層；根據(jù)鉆孔內(nèi)所包含巖層的Z坐標(biāo)值大小可以確定各地層在垂直方向上的順序；地層編號(hào)采用自地表面向下依次遞增的順序，約定鉆孔中地層分界點(diǎn)的編號(hào)為下層地層的編號(hào)[10]。

1.2 地表面TIN構(gòu)建

地表面TIN定義了建模區(qū)域的外邊界，確立了各鉆孔之間的基本拓?fù)潢P(guān)系，便于后續(xù)利用GTP模型進(jìn)行三維建模。建模區(qū)域包含的所有地層均以地表面TIN所確立的拓?fù)潢P(guān)系為依據(jù)，從而保證上、下地層間拓?fù)潢P(guān)系一致，可降低后續(xù)建模的復(fù)雜度，增強(qiáng)算法的穩(wěn)定性[11]。目前，TIN構(gòu)建方法有逐點(diǎn)插入法、三角網(wǎng)生長(zhǎng)法、分治算法等，其中逐點(diǎn)插入法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且便于擴(kuò)展，為此，采用該方法構(gòu)建TIN，步驟[12]：①提取所有孔口坐標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行排序，構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn)集；②求出數(shù)據(jù)點(diǎn)集的外包盒，選定1個(gè)初始三角形，將其放入倒三角形鏈表中；③依次插入每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，確定其影響范圍，合并影響三角形，得到1個(gè)凸多邊形，連接該點(diǎn)至多邊形各頂點(diǎn)，構(gòu)成新三角形，插入到三角形鏈表中，更新其拓?fù)潢P(guān)系。

1.3 三維地層建模1.3.1 構(gòu)建GTP體元模型

在地表面TIN的基礎(chǔ)上，根據(jù)地層空間分布順序，依次將TIN中的三角形頂點(diǎn)沿所在鉆孔向下擴(kuò)展至鉆孔底部點(diǎn)，生成GTP體元模型，由地表面TIN中所有的三角形生成GTP，組成地層整體描述模型。在沿鉆孔擴(kuò)展生成GTP模型的過(guò)程中應(yīng)遵循地層出現(xiàn)的先后順序，保證建模結(jié)果的合理性與唯一性。構(gòu)建GTP體元模型的步驟：①在生成的地表面TIN中選擇1個(gè)三角形作為所要構(gòu)建GTP體元模型的上三角形；②根據(jù)該三角形3個(gè)頂點(diǎn)所在的地層編號(hào)，按地層編號(hào)順序沿各自所在鉆孔向下擴(kuò)展，由3個(gè)鉆孔相應(yīng)的下一節(jié)點(diǎn)構(gòu)成新三角形(稱下三角形)；③由上、下三角形及3個(gè)鉆孔相應(yīng)孔段所包含的信息構(gòu)建GTP體元模型，記錄GTP體元模型拓?fù)潢P(guān)系，并將下三角形置為上三角形；④重復(fù)②、③，直至上三角形頂點(diǎn)均為所在鉆孔的底部點(diǎn)，即1個(gè)GTP體元模型構(gòu)建完成；⑤重復(fù)①～④，直至地表面TIN中的所有三角形遍歷完畢為止。當(dāng)有新的鉆孔點(diǎn)插入時(shí)，僅需更新地表面TIN，根據(jù)新生成的TIN，按照上述步驟，可構(gòu)建新的GTP體元模型。

1.3.2 GTP體元的四面體剖分

由于構(gòu)建的GTP體元模型的側(cè)面不一定是平面，易導(dǎo)致對(duì)GTP體元模型進(jìn)行剖切操作時(shí)出現(xiàn)空洞，因此需要對(duì)其進(jìn)行四面體剖分[13-14]。本研究采用最小頂點(diǎn)標(biāo)示法(Smallest Vertex Identifier，SVID)對(duì)GTP體元模型進(jìn)行四面體剖分。該方法的基本原理為在GTP體元模型的側(cè)面使用從最小標(biāo)識(shí)號(hào)頂點(diǎn)出發(fā)的對(duì)角線將其剖分為TEN[15]。為方便進(jìn)行四面體剖分操作，對(duì)地表面TIN中所有三角形的頂點(diǎn)進(jìn)行了排序編號(hào)(見(jiàn)圖1)。圖1中，GTP體元模型中上三角形3個(gè)頂點(diǎn)的編號(hào)依次為P1、P2、P3，在同一鉆孔中，下三角形頂點(diǎn)所在地層的編號(hào)大于上三角形頂點(diǎn)所在地層的編號(hào)，則P1、P2、P1分別是側(cè)面P1P11P22P2、P2P22P33P3、P3P33P11P1中編號(hào)最小的頂點(diǎn)，根據(jù)SVID法可選用P1P22、P1P33、P2P333條對(duì)角線對(duì)GTP體元模型進(jìn)行四面體剖分[16]。

圖1 GTP體元模型四面體剖分

2 基于VTK的三維地層模型可視化

2.1 VTK體系結(jié)構(gòu)

VTK是一種用于三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和可視化的開(kāi)源免費(fèi)軟件系統(tǒng)，在建筑、氣象、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、航天航空學(xué)等學(xué)術(shù)研究及商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[17]。VTK是在三維函數(shù)庫(kù)OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_(kāi)發(fā)的，內(nèi)核采用C++語(yǔ)言構(gòu)建，所有函數(shù)都封裝在600多個(gè)類庫(kù)中，同時(shí)包括Tcl，Java，Python等眾多翻譯接口層，方便用戶通過(guò)各種語(yǔ)言使用VTK。VTK的可視化設(shè)計(jì)是基于管線流[18-21]的設(shè)計(jì)模式，將數(shù)據(jù)視為在管線內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)，在不同階段對(duì)數(shù)據(jù)采用不同的處理方式。VTK的可視化管線主要包括可視化模型和圖形模型，前者將處理后的數(shù)據(jù)生成幾何體，后者負(fù)責(zé)繪制。

2.2 三維地層模型可視化

VTK無(wú)法直接讀寫比較專業(yè)的數(shù)據(jù)格式文件，在進(jìn)行可視化之前應(yīng)將構(gòu)建的GTP體元模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VTK專用的“vtkUnstructuredGrid”數(shù)據(jù)集類型數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖2。

圖2 VTK數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換流程

在VTK中“vtkDataSet”是所有數(shù)據(jù)集類的父類，是一個(gè)抽象的無(wú)法實(shí)例化的類，當(dāng)“vtkDataSet”作為輸入的過(guò)濾器時(shí)可接受“vtkPolyData”、“vtkImageData”、“vtkStructuredGrid”、“vtkRectilinearGrid”和“vtkUnstructuredGrid”等類型作為輸入。在實(shí)現(xiàn)可視化過(guò)程中應(yīng)首先利用“vtkDataSetReader”讀入VTK格式的數(shù)據(jù)；然后考慮到所使用的數(shù)據(jù)屬于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集，利用“vtkUnstructuredGrid”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)變,獲取數(shù)據(jù)的屬性表量范圍；最后利用“vtkLookupTable”采用顏色映射的方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的三維可視化。部分關(guān)鍵代碼如下：

vtkDataSetReader reader = new vtkDataSetReader();

reader.SetFileName("1.vtk");

reader.Update();

vtkUnstructuredGrid ungrid = new vtkUnstructuredGrid();

ungrid.DeepCopy(reader.GetOutput());

double[] range = new double[2];

ungrid.GetScalarRange(range);

vtkLookupTable table = new vtkLookupTable();

vtkDataSetMapper mapper = new vtkDataSetMapper();

mapper.SetInput(ungrid);

mapper.SetScalarRange(range[0]，range[1]);

mapper.SetLookupTable(table);

vtkActor actor = new vtkActor();

actor.SetMapper(mapper);

vtkRenderer ren = new vtkRenderer();

ren.AddActor(actor);

ren.SetBackground(0.2，0.2，0.5);

vtkRenderWindow renWin = this.vtkFormsWindowControl1.GetRenderWindow();

renWin.AddRenderer(ren).

2.3 空間分析功能

(1)地層交互式屬性查詢。屬性查詢是三維地層可視化中常用的操作，基于VTK的三維地層可視化系統(tǒng)具有良好的交互式查詢功能。當(dāng)用戶需要獲取某處或某一地層的相關(guān)屬性信息時(shí)，僅需使用鼠標(biāo)選取指定對(duì)象或輸入查詢點(diǎn)位即可。

(2)地層交互式距離、角度測(cè)量。在交互式三維測(cè)量中，用戶可任意選取三維地層模型中的感興趣點(diǎn)，快速獲取所選任意2點(diǎn)所在的直線與其相交的任意一條直線的夾角。在基于VTK的三維地層可視化系統(tǒng)中應(yīng)首先定義距離測(cè)量和角度測(cè)量的回調(diào)函數(shù)；然后通過(guò)“AddObserver”方法為“vtkLineWidget”添加相應(yīng)的觀察者(Observer)用來(lái)觀察“InteractionEvent”事件，當(dāng)該事件發(fā)生時(shí)便調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)得到并顯示結(jié)果。

(3)地層交互式三維剖切。在基于VTK的三維地層可視化系統(tǒng)中利用VTK所提供的“vtkImplicitPlaneWidget”類與“vtkCutter”類實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的交互式三維剖切，前者用于選擇切割平面，后者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)三維剖切。首先定義地層剖切的回調(diào)函數(shù)；然后通過(guò)“AddObserver方法”為“vtkImplicitPlaneWidget”添加相應(yīng)的觀察者(Observer)，用于觀察“InteractionEvent”事件，當(dāng)該事件發(fā)生時(shí)便調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)，從而獲取當(dāng)前狀態(tài)下的切割平面，并將其傳遞給“vtkCutter”對(duì)象進(jìn)行三維剖切。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于VTK可視化技術(shù)，以Microsoft Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了三維地層可視化系統(tǒng)，選取兗州某礦區(qū)鉆孔資料進(jìn)行試驗(yàn)。研究區(qū)域面積約37 km2，區(qū)內(nèi)共有33個(gè)具有代表性的典型鉆孔，試驗(yàn)中選取的鉆孔深65～90 m，平均深72.27 m，區(qū)內(nèi)鉆孔共出現(xiàn)3個(gè)互異地層，無(wú)斷層，褶皺等特殊地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 三維地層模型可視化效果

圖4 三維地層模型距離、角度測(cè)量效果

由圖3～圖5可知：本研究開(kāi)發(fā)的三維地層可視化系統(tǒng)，建模速度快，可視化效果好，便于進(jìn)行空間分析，直觀展現(xiàn)了地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系，對(duì)于礦山地質(zhì)分析、礦體儲(chǔ)量估算與礦山生產(chǎn)可視化管理具有一定參考價(jià)值。

圖5 三維地層模型切割效果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)離散的礦山鉆孔數(shù)據(jù)，使用引入TEN的GTP模型進(jìn)行三維地層建模，基于VTK技術(shù)開(kāi)發(fā)了地層三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地層模型的三維可視化顯示與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的三維地層建模與可視化思路具有一定的可行性，進(jìn)一步完善復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造(如侵入體、透鏡體、復(fù)雜褶皺及多種地質(zhì)構(gòu)造混合)的地層建模方法，優(yōu)化可視化算法，加快數(shù)據(jù)顯示與交互處理速度，擴(kuò)展空間分析功能是下一步研究重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

Three-dimensional Stratum Modeling and Visualization of Borehole Data

Yang Wenhuan Yin Lu Sun Jiuyun

(SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)

Three-dimensional stratum modeling and visualization are the important application of three-dimensional geological information system (GIS) in geosciences，and it can completely and unambiguously define the various geologic structures information，which is very helpful for actual geological analysis.On the basis of this，the three-dimensional strata model establishing method is proposed，which is based on tetrahedral network(TEN)，generalized tri-prism(GTP) and visualization toolkit(VTK).The borehole data is used to establish the three-dimensional strata model by the method.Firstly，the triangle irregular network (TIN) is generated by the borehole collar data；then，according to the spatial sequence of strata，each triangle of TIN is expanded downward to obtain GTP voxel model along the borehole，and the GTP voxel model is tetrahedron subdivided by building the three-dimensional strata model；finally，three-dimensional display and spatial analysis functions such as property inquiry，distance and angle measurement and cut are realized by the three-dimensional strata visualization system developed by visualization toolkit(VTK).The experiments are conducted based on the borehole data of a mine，the results show that the GTP model based on TEN contributes to solve the problem of space entity subdivision and cutting，the application of VTK in three-dimensional stratum visualization is feasible，and the performance of VTK in visualization function and spatial analysis is perfect.Therefore，it has some reference for enhancing the efficiency of mine geological analysis and mine geological modeling and visualization.

Three-dimensional strata modeling，Visualization，Borehole data，Tetrahedral Network，Generalized tri-prism，Triangulated irregular network，Visualization toolkit

2015-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41171343)，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程基金項(xiàng)目(編號(hào)：SZBF2011-6-B35)。

楊文環(huán)(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 孫久運(yùn)(1974—)，男，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD672

A

1001-1250(2015)-10-130-05