楊 博

（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871）

1 引言

目前地學(xué)領(lǐng)域?qū)θS地學(xué)信息系統(tǒng)的需求越來(lái)越多，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的要求也越來(lái)越高［1～2］。盡管近年來(lái)計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展迅猛，但是面對(duì)海量的地質(zhì)建模屬性數(shù)據(jù)時(shí)，提高地質(zhì)模型可視化的效率，優(yōu)化地質(zhì)模型可視化的效果，依然是地質(zhì)建模過(guò)程中的迫切需求。

地質(zhì)模型可視化技術(shù)面臨的數(shù)據(jù)量極大，數(shù)據(jù)種類繁多，涵蓋了地震數(shù)據(jù)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，構(gòu)造屬性數(shù)據(jù)，巖性屬性數(shù)據(jù)等?？焖佟⒏咝У厣蓽?zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)模型，流暢、逼真地進(jìn)行三維場(chǎng)景的渲染，方便、快捷地幫助地質(zhì)專家和地質(zhì)工作者對(duì)三維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程三維可視化系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容，也是可視化在地質(zhì)工程領(lǐng)域中重要作用的體現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，地質(zhì)剖面是地質(zhì)模型的重要組成部分，可以相對(duì)容易的通過(guò)地質(zhì)剖面反應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)模型的內(nèi)部現(xiàn)象，展示地質(zhì)模型的實(shí)際問(wèn)題，加之地學(xué)專家的工作經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)剖面成為了地質(zhì)建模過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)［3～4］。地質(zhì)剖面的獲取手段較多，如通過(guò)測(cè)井、地震數(shù)據(jù)等；且數(shù)據(jù)類型簡(jiǎn)單，更是成為地質(zhì)建模領(lǐng)域中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運(yùn)用快捷高效的可視化技術(shù)進(jìn)行剖面描述，能夠?qū)Φ刭|(zhì)研究工作效率和工作水平的提高起到關(guān)鍵作用。

在三維建模發(fā)展過(guò)程中，地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)也從原來(lái)的二維平面數(shù)據(jù)發(fā)展到了近年提出的三維建模方法中的基于交叉折剖面數(shù)據(jù)［11～12］，該剖面在建模中相比簡(jiǎn)單剖面和平行剖面［5～10］有了很大優(yōu)勢(shì)。特別是含有大量復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)，比如地質(zhì)模型中巖性、斷層較多的時(shí)候。將折剖面展開，獲取剖面線段多邊形等關(guān)鍵數(shù)據(jù)集合，組成巖性剖面模型，并將巖性符號(hào)映射到模型上，在地質(zhì)建模時(shí)有著重要的研究?jī)r(jià)值［13～14］。

為了解決巖性剖面識(shí)別和映射的問(wèn)題，在展開折剖面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出了巖性剖面自識(shí)別可視化算法，同時(shí)對(duì)巖性符號(hào)映射進(jìn)行質(zhì)量控制，將各種巖性符號(hào)準(zhǔn)確無(wú)變形地映射巖性剖面上。該方法不僅能夠?qū)?jiǎn)單和復(fù)雜剖面進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并可視化，還能夠?qū)r性剖面中的不同巖性符號(hào)映射過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，以達(dá)到更好的可視化效果，減少紋理變形和扭曲的問(wèn)題，能有效地展示巖性剖面的三維地質(zhì)特點(diǎn)，展示地質(zhì)模型巖性的分布，并在實(shí)際地質(zhì)建模領(lǐng)域中取得應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 折剖面數(shù)據(jù)

三維折剖面一般垂直于三維空間中的XY平面（圖1），由點(diǎn)、線作為基本數(shù)據(jù)單元，組成了多邊形，再由一個(gè)多邊形或多個(gè)多邊形組成地質(zhì)剖面。

圖1 折剖面

其中線段由點(diǎn)按照順序相連，形成帶有方向?qū)傩缘木€段，將線段再順序相連，形成了封閉的多邊形區(qū)域，該區(qū)域具有封閉性，且表示地質(zhì)模型中的某一特定巖性。

基于交叉折剖面的三維地質(zhì)建模方法中，折剖面提取自三維地質(zhì)模型，但因?yàn)槠湓谌S空間中不再是簡(jiǎn)單的直線，線段具有異向性。在折剖面圖中，D、F為折點(diǎn)，CD、EF為折線，主要為表明該位置方向發(fā)生變化，在實(shí)際數(shù)據(jù)中并不存儲(chǔ)。BD、DF、FH具有異向性，折剖面由兩個(gè)多邊形構(gòu)成。

2.2 展開折剖面數(shù)據(jù)

展開后的折剖面數(shù)據(jù)依然由點(diǎn)、線作為基本單元，將原來(lái)的地質(zhì)剖面的多邊形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將三維平面展開到二維的輔助平面上。過(guò)程如圖2所示。

圖2 展開折剖面過(guò)程

具體轉(zhuǎn)化步驟：

1）在XY平面中獲取原折剖面的投影線段L；

2）通過(guò)對(duì)折點(diǎn)進(jìn)行水平等距離展開，使原來(lái)的折線段展開成為直線L′，各線段距離之和不變，只是折點(diǎn)的位置發(fā)生坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換到水平位置上；

3）借助線段L′作為輔助線，對(duì)原折剖面多邊形各點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，完成折剖面的展開。

通過(guò)展開折剖面，將三維的可視化問(wèn)題轉(zhuǎn)換到二維平面上進(jìn)行，利用輔助平面來(lái)設(shè)計(jì)巖性剖面可視化控制算法，降低了可視化的難度。

2.3 巖性剖面數(shù)據(jù)

地質(zhì)模型中巖層變化較多，有時(shí)在一個(gè)剖面中具有不規(guī)則的多種巖性，同時(shí)在地質(zhì)模型可視化的過(guò)程中，需要對(duì)多地質(zhì)剖面進(jìn)行統(tǒng)一管理和渲染，所以巖性剖面的數(shù)據(jù)組成主要分為巖性符號(hào)庫(kù)和剖面數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分（圖3）。

圖3 巖性剖面數(shù)據(jù)組成

其中，對(duì)巖性符號(hào)庫(kù)的管理主要是對(duì)各種巖性符號(hào)圖片的索引管理和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分為索引表和圖片文件。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中，以方便巖性剖面可視化過(guò)程中，對(duì)索引和巖性圖片數(shù)據(jù)調(diào)度和渲染。對(duì)剖面元素?cái)?shù)據(jù)的管理主要是將地質(zhì)模型中選取的剖面的邊界線段提取出來(lái)。

其中剖面數(shù)據(jù)分為兩種，其一是簡(jiǎn)單剖面的一條剖面線段，通常用來(lái)描述同一種巖性的剖面。在數(shù)據(jù)組織時(shí)根據(jù)巖性的厚度來(lái)在獲取該巖性剖面，通過(guò)在該剖面線段生通過(guò)指定方向和長(zhǎng)度，求出巖性剖面多邊形的邊界。另一種是復(fù)雜剖面的多條多邊形線段，每條線段可以連接成一個(gè)閉合的空間，空間中根據(jù)索引來(lái)獲取巖性符號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)中的紋理映射關(guān)系。算法可以自識(shí)別剖面數(shù)據(jù)線段，在剖面線段內(nèi)映射巖性符號(hào)，生成巖性剖面圖如圖4所示。

圖4 巖性剖面圖

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法流程

在地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剖面邊界的提取，結(jié)合巖性符號(hào)數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)巖性剖面進(jìn)行自識(shí)別可視化。算法對(duì)不同的剖面邊界類型及數(shù)量進(jìn)行判斷，選擇對(duì)應(yīng)的巖性符號(hào)來(lái)進(jìn)行紋理映射，對(duì)映射結(jié)果的各巖性剖面進(jìn)行映射質(zhì)量控制，生成符合實(shí)際情況的巖性剖面。最后將巖性剖面轉(zhuǎn)化為表面網(wǎng)格可視化。具體流程如圖5所示。

圖5 算法流程圖

3.2 巖性剖面自識(shí)別

巖性剖面的主要數(shù)據(jù)為巖性符號(hào)和剖面的多邊形數(shù)據(jù)。通過(guò)索引的方式，在建模時(shí)能夠自識(shí)別剖面多邊形和巖性符號(hào)之間的映射關(guān)系。通過(guò)控制多邊形線段數(shù)組的數(shù)量來(lái)循環(huán)地讀取巖性剖面多邊形，通過(guò)給定索引參數(shù)，將巖性符號(hào)作為紋理映射到多邊形內(nèi)。具體流程如圖6所示。

在巖性剖面自識(shí)別算法描述：

第一步：使用循環(huán)將所有基礎(chǔ)的多邊形數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中。

圖6 巖性剖面自識(shí)別流程圖

第二步：構(gòu)造繼承自STL的vector動(dòng)態(tài)數(shù)組來(lái)循環(huán)的加載多邊形數(shù)據(jù)。

第三步：將動(dòng)態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)加入到渲染機(jī)制的Geometry中。

第四步：將紋理圖片和多邊形數(shù)據(jù)通過(guò)索引來(lái)對(duì)應(yīng)起來(lái)。

第五步：數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和場(chǎng)景進(jìn)行可視化，實(shí)現(xiàn)巖性剖面數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別。

3.3 巖性符號(hào)映射質(zhì)量控制

圖7給出巖性符號(hào)映射控制算法的流程。

圖7 巖性剖面質(zhì)量控制流程圖

巖性符號(hào)質(zhì)量控制算法步驟：

第一步：設(shè)定控制參數(shù)，將相對(duì)平面中的X步長(zhǎng)和Y步長(zhǎng)設(shè)定，避免因?yàn)橛成湓斐傻膸r性符號(hào)變形與拉伸問(wèn)題。

第二步：讀取紋理索引列表，結(jié)合紋理控制參數(shù)來(lái)選定映射平面。

第三步：進(jìn)行紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將紋理坐標(biāo)和巖性剖面多邊形數(shù)據(jù)加載到結(jié)合節(jié)點(diǎn)樹種。

第四步：可視化場(chǎng)景，觀察質(zhì)量控制的效果，如果不滿意回到第一步進(jìn)行步長(zhǎng)參數(shù)的調(diào)整。如果可視化效果合適，質(zhì)量控制算法完成。

由于地質(zhì)模型中巖性變化多樣，巖性剖面中剖面線段的形態(tài)也各不相同，如何將巖性符號(hào)完整、準(zhǔn)確地映射到剖面空間上就顯得尤為重要。采用紋理映射的方法，通過(guò)對(duì)映射進(jìn)行質(zhì)量控制，在不同映射圖片的兩個(gè)垂直分量上進(jìn)行步長(zhǎng)的控制，避免產(chǎn)生紋理拉伸和變形的情況，更接近地質(zhì)工程中的實(shí)際情況，也符合地質(zhì)專家和工程人員的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。為了更好地滿足地質(zhì)專家和工程人員的需求，就需要借助紋理映射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)模擬地質(zhì)剖面的真實(shí)感官。將巖性符號(hào)映射到地質(zhì)模型上，更好地展示巖性內(nèi)容，解釋地質(zhì)含義。

圖8為巖性符號(hào)在質(zhì)量控制前后的對(duì)比，可以看到?jīng)]有進(jìn)行步長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置之前，由于巖性屬性的不規(guī)則性，容易導(dǎo)致相對(duì)紋理映射時(shí)造成嚴(yán)重的拉伸和變形，如圖8（a）所示。而經(jīng)過(guò)步長(zhǎng)參數(shù)的控制，使紋理映射過(guò)程中減少因?yàn)橄鄬?duì)平面的坐標(biāo)變換和建模過(guò)程中對(duì)巖性剖面的屬性修改而導(dǎo)致發(fā)生的紋理變形和拉伸問(wèn)題。同時(shí)可以通過(guò)地質(zhì)專家或地質(zhì)工作者的人為干預(yù)，將巖性符號(hào)更真實(shí)地映射到地質(zhì)模型上。

圖8 映射質(zhì)量控制

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)基于展開折剖面的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行巖性剖面自識(shí)別控制算法有效性測(cè)試，如圖9所示，成功將巖性符號(hào)以自識(shí)別的方式映射到剖面數(shù)據(jù)上，同時(shí)通過(guò)紋理映射的質(zhì)量控制，保證了紋理滿足不同地層狀態(tài)下的需求，保證了在遇到極端底層形狀時(shí)，可以通過(guò)步長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置來(lái)調(diào)整巖性符號(hào)映射比例，使巖性剖面的可視化更加符合實(shí)際，更加平滑準(zhǔn)確，并且本算法的處理時(shí)間和識(shí)別準(zhǔn)確度也符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖9 自識(shí)別可視控制效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)可視化文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有關(guān)于復(fù)雜剖面建模中的特殊問(wèn)題：1）提出了剖面數(shù)據(jù)自識(shí)別算法，針對(duì)地質(zhì)建模過(guò)程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別剖面多邊形，完成剖面模型讀取的目的，滿足地質(zhì)模型建立和可視化話的需要。2）提出剖面模型映射質(zhì)量控制算法，對(duì)巖性符號(hào)數(shù)據(jù)映射設(shè)置垂直方向步長(zhǎng)控制，提高了巖性剖面可視化效率和效果，對(duì)紋理映射中的質(zhì)量控制問(wèn)題起到了優(yōu)化作用。

此方法具有推廣性，可適用于地質(zhì)建模中其他地質(zhì)屬性的識(shí)別和紋理映射控制，但由于地質(zhì)構(gòu)造情況極為復(fù)雜，算法還需要進(jìn)一步結(jié)合地質(zhì)行業(yè)的實(shí)際需求進(jìn)行修改，以更好地適用于各種地學(xué)領(lǐng)域工程應(yīng)用。