許霸 趙勁

復(fù)雜地質(zhì)體三維模型快速構(gòu)建及更新技術(shù)研究

許霸 趙勁

（贛西地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)資源環(huán)境研究院）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，我國各個(gè)領(lǐng)域均得到了很好的發(fā)展，并且在“玻璃地球”建設(shè)方面也有了較大進(jìn)展，尤其在地質(zhì)體三維模型方面，但即使如此我國在該方面的研究成果依然與其他發(fā)達(dá)國家存在著差距，相關(guān)理念落后，并且技術(shù)也有待完善，但我國近年來已經(jīng)加大了人力、資金以及技術(shù)方面的支持，想必不久后會(huì)有更大的突破。本文簡(jiǎn)要介紹了復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的快速構(gòu)建，以及復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的動(dòng)態(tài)更新，以期能夠?yàn)槲覈刭|(zhì)體三維模型方面的發(fā)展提供有價(jià)值的參考。

復(fù)雜地質(zhì)體；三維模型；快速構(gòu)建；技術(shù)更新

引言

地質(zhì)體三維模型在探索地球方面具有很好的作用，在建設(shè)“玻璃地球”中占據(jù)重要地位，所謂“玻璃地球”是為探索新代巨型礦床做基礎(chǔ)而開展的地球探測(cè)工作，其最終目的在于使地球像玻璃班透明。然而鑒于相關(guān)技術(shù)還不夠完善，并且地球自身擁有的特質(zhì)過于復(fù)雜，導(dǎo)致近年來此方面并未實(shí)現(xiàn)大的躍進(jìn)，三維模型構(gòu)建方面也困難重重，更遑論該方面的創(chuàng)新工作，如今可以說該方面建設(shè)已經(jīng)到達(dá)了瓶頸期，若不盡快改善此種局面，勢(shì)必會(huì)為我國建設(shè)“玻璃地球”帶來更多困擾。

1 復(fù)雜地質(zhì)三維建模方法

基于鉆孔的建模方法對(duì)沒有斷層的層狀地質(zhì)體的模擬具有很好的效果，如果鉆孔數(shù)據(jù)不多，可利用插值方法模擬虛擬的鉆孔；利用三棱柱的建模方法可以解決具有簡(jiǎn)單斷層的地質(zhì)體三維建模問題，但對(duì)具有復(fù)雜的斷層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體不能很有效的解決；非層狀地質(zhì)體的建模能對(duì)少數(shù)幾個(gè)復(fù)雜礦體進(jìn)行建模，也能對(duì)具有復(fù)雜斷層的地質(zhì)體進(jìn)行建模，但礦體較多，就很難保證數(shù)據(jù)的一致性；利用貝塞爾曲面和NURBS曲面實(shí)現(xiàn)的曲面建模方法，能很好的解決地質(zhì)體的表面建模，通過表面建模后，然后利用實(shí)體建模方法構(gòu)建地質(zhì)體的實(shí)體模型，可以解決復(fù)雜地質(zhì)體的模擬；對(duì)于復(fù)雜的單個(gè)地質(zhì)體的建模經(jīng)常使用基于平行剖面的單體建模方法，能有很好的效果。地質(zhì)體的三維模擬一般要根據(jù)具體的地質(zhì)體來定，由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，一般要使用幾種方法綜合建模，達(dá)到真實(shí)體現(xiàn)地質(zhì)體的三維形態(tài)的效果。

2 復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的快速構(gòu)建

2.1 三維地質(zhì)建模的方法體系及過程

若要建立起三維地質(zhì)體模型，首先需要有相應(yīng)的方法和理論體系，并根據(jù)該體系來確定建模過程。其理論主要是，該建模方式屬于三維可視化領(lǐng)域，因其主要針對(duì)于地質(zhì)現(xiàn)象方面，為了保證其完整性，該體系中應(yīng)具備空間位置，同時(shí)還要有空間形態(tài)，空間分布特征也不可忽略，另外，拓?fù)潢P(guān)系也是其重要組成部分。鑒于該體系具有可視化效果，因此其需要有多種技術(shù)的支持，具體見圖1[1]。

圖1 三維地質(zhì)建模方法及理論體系

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理可以避免因數(shù)據(jù)源不同所帶來的錯(cuò)誤信息，為了保障該模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，該環(huán)節(jié)必不可少，而顯示數(shù)據(jù)的形式也多種多樣，目前較為常用的是地質(zhì)剖面圖，該種表現(xiàn)方式可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使相關(guān)人員能夠更加清晰地看到各種數(shù)據(jù)之間的變化和差異。

2.2 地質(zhì)空間插值

地質(zhì)空間差值是順利建模的重要保障，通過此種計(jì)算方式可以知道目標(biāo)地區(qū)的空間分布情況，也能夠?qū)ο嚓P(guān)特質(zhì)進(jìn)行初步分析，為建模工作提供基本的方向和要求，但由于插值計(jì)算較為復(fù)雜，不同的勘測(cè)隊(duì)伍使用該計(jì)算方式的能力也有所差異，因此也導(dǎo)致了建模速度和建模質(zhì)量的不同。線性插值主要針對(duì)于三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算可以為相關(guān)人員提供高程值；而高散光滑插值則主要針對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，該計(jì)算方式的出現(xiàn)最早可以追溯到1992年，該計(jì)算方式的主要特點(diǎn)在于，空間坐標(biāo)并不是其進(jìn)行計(jì)算的依據(jù)，而是根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，該方式的拓?fù)渚W(wǎng)格如圖2；另外還有克里格差值，該計(jì)算方式起先只是針對(duì)于礦產(chǎn)資源計(jì)算方面，但經(jīng)過不斷地完善后其也逐漸拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，但該計(jì)算方法與上述兩種相比并不具多大優(yōu)勢(shì)，該算法計(jì)算方式復(fù)雜，因此計(jì)算速度一直難以提升[2]。

圖2 地質(zhì)空間插值拓?fù)渚W(wǎng)格

2.3 三維地質(zhì)建模關(guān)鍵算法

不難發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)建地質(zhì)模型時(shí)，往往需要大量的數(shù)據(jù)處理工作，離散化處理即為其中一種，另外，布爾運(yùn)算也是十分重要的環(huán)節(jié)之一，甚至可以說其占據(jù)著核心地位，通過布爾預(yù)算能夠迅速使相關(guān)人員掌握相關(guān)參數(shù)，從而加快建模速度。目前來看，該算法具有多種形式，如矢量剪切算法，或空間分布二叉樹算法等，算法的不同所針對(duì)的領(lǐng)域也有所差異，并且計(jì)算速度和計(jì)算準(zhǔn)確度也會(huì)略有不同，因此在選擇使用何種算法時(shí)應(yīng)按照實(shí)際情況而定[3]。

2.4 基于空間推理的礦山地質(zhì)建模

空間推理并不復(fù)雜，主要可以從兩個(gè)方面著手：①空間知識(shí)；②邏輯推斷。以此兩個(gè)方向?yàn)榛c(diǎn)來進(jìn)一步認(rèn)識(shí)空間，而地址空間推理則是，將空間位置、幾何形態(tài)，乃至空間幾何關(guān)系等進(jìn)行推理，并以此來獲取新的空間信息，具體可以分為地質(zhì)空間幾何關(guān)系推理、地址空間拓?fù)潢P(guān)系推理以及礦山綜合地質(zhì)建模三個(gè)方面。

3 復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的動(dòng)態(tài)更新

3.1 基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體模型更新

若要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維模型的更新，鉆孔數(shù)據(jù)更新是十分重要的，其中包括了大量地質(zhì)信息，如巖石特性或物質(zhì)構(gòu)成等，而隨著地質(zhì)勘探工作的不斷進(jìn)展，原本的鉆孔數(shù)據(jù)模型已經(jīng)難以滿足要求，對(duì)其進(jìn)行更新即顯得尤為重要，具體的更新措施如下：①分析礦山勘探規(guī)范，以及鉆孔重要程度，并以此來確定更新區(qū)域；②充分發(fā)揮空間索引的作用，以便于確定地質(zhì)要素；③不同地質(zhì)要素對(duì)于鉆孔數(shù)據(jù)模型有不同的要求，因此接下來應(yīng)針對(duì)地質(zhì)限制界面展開更新工作；④根據(jù)地質(zhì)界面來確定地質(zhì)要素類型，進(jìn)而完善地質(zhì)體模型，同時(shí)也要對(duì)對(duì)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行更新；⑤整合模型并生成結(jié)果報(bào)告[4]。

3.2 基于剖面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體模型更新

剖面數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)的作用有異曲同工之妙，同樣作為礦山勘察中不可或缺的一部分，該數(shù)據(jù)的相關(guān)信息量十分龐大，因此要實(shí)現(xiàn)更新也并不是一件容易的事情，具體步驟如下：①開展工作前應(yīng)對(duì)礦山勘測(cè)規(guī)范做充分的了解，并以此來規(guī)劃目標(biāo)范圍；②依然要發(fā)揮空閑索引的作用來確定地質(zhì)要素，使地質(zhì)要素、拓?fù)潢P(guān)系以及語義關(guān)系等能夠成為一個(gè)整體；③根據(jù)地質(zhì)要素確定地質(zhì)限制界面，并進(jìn)一步更新；④根據(jù)地質(zhì)要素類型來更新地質(zhì)體模型；⑤整合生成相關(guān)報(bào)告。

4 總結(jié)

綜上所述，研究關(guān)于復(fù)雜地質(zhì)體三維模型快速構(gòu)建及更新技術(shù)方面的內(nèi)容具有十分重要的意義，其不僅關(guān)系到我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也與我國地球探索方面的工作息息相關(guān)。近年來隨著社會(huì)發(fā)展我國部分能源已經(jīng)趨于匱乏的邊緣，急需尋找另外的途徑開發(fā)新能源，故，我國一直未放松地球探索工作，并且在不斷加大研究力度，但迫于多種因素影響，此方面進(jìn)展并不明顯，尤其在地質(zhì)體三維模型構(gòu)建方面，該領(lǐng)域一直停滯不前直接導(dǎo)致“玻璃地球”建設(shè)工作難以取得建設(shè)性成功。

[1]陳麒玉，劉剛，吳沖龍，李新川，張志庭.城市地質(zhì)調(diào)查中知識(shí)驅(qū)動(dòng)的多尺度三維地質(zhì)體模型構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2016（04）：11～16.

[2]明鏡.基于鉆孔的三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建及更新[J].地理與地理信息科學(xué)，2012（05）：55～59.

[3]翟建波，周科平，楊念哥，高峰.基于OO-Solid數(shù)據(jù)模型的復(fù)雜地質(zhì)體分區(qū)協(xié)同三維建模[J].礦冶工程，2013（01）：14～17.

[4]花衛(wèi)華，廖艷云，劉修國，鄭 坤，馬紹忠，潘聲勇，闞鵬.基于子面模板庫的第四紀(jì)三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建[J].地球科學(xué)（中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)），2013（05）：1128～1134.

P628

A

1004-7344（2016）33-0209-02

2016-11-9