張園園

摘?要：地層的三維可視化是獲取地下空間信息，真實表達地層結構和空間關系的重要手段，本文在綜合分析了多層DEM和GTP模型表達三維地質體的基礎上，利用鉆孔數(shù)據(jù)、柱狀圖、地質剖面圖等資料構建多層DEM—GTP三維混合模型，并利用ArcGIS平臺二次開發(fā)工具開發(fā)三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)地層的三維可視化，最后運用實例數(shù)據(jù)對理論成果進行測試，用于輔助相關地學研究和決策，取得了良好的效果。

關鍵詞：多層DEM—GTP模型;三維地質體;可視化

Research on 3D Geological Visualization Based

on Multi-layer DEM-GTP Mixed Model

Zhang Yuanyuan

Guangzhou Marine Geology Survey?GuangdongGuangzhou?510760

Abstract：Three-dimensional visualization of strata is an important means to acquire underground space information and truly express strata structure and spatial relations.Based on the comprehensive analysis of multi-layer DEM and GTP models to express three-dimensional geological bodies，this paper constructs a multi-layer DEM-GTP three-dimensional entity hybrid model by using borehole data，columnar maps，geological profile maps and other data.Realize three-dimensional stratum visualization and assist related geoscience research and decision-making.A three-dimensional visualization system is developed by using the secondary development tool of ArcGIS platform，and the relevant theoretical results are tested by using case data，and good results are achieved.

Key words：multi-layer DEM-GTP model;three-dimensional geological body;visualization

1 概述

隨著3DGIS研究不斷深入，利用3DGIS原理和方法構建三維地質體模型已成為地學工作者研究的熱點。[1-3]近年來國內外學者們已提出幾十種三維空間建模方法，總體上可分為面模型、體模型和混合模型三類。面模型結構簡單，易于實現(xiàn)，但它只是對實體表面建模不能表達地質體內部信息，不具備空間分析能力。體模型構建基本體元進行三維建模，可準確表達地質體內部信息，具有空間分析能力，但數(shù)據(jù)量非常大運算太耗時，實現(xiàn)難度也很大?；旌夏Ｐ褪蔷C合兩種或兩種以上的建模方法，取長補短，更適合實際應用。多層DEM—GTP混合模型是綜合面模型多層DEM和體模型GTP模型的基礎上建立的，它不受棱邊平行限制，由上下兩個TIN面的不平行三角形來表達不同的地層面，GTP側面四邊形面來描述層面間的空間關系，用GTP柱體表達層與層之間的內部實體。[4-5]該模型適合層狀空間實體三維建模，方便對模型內部進行空間查詢分析，具有數(shù)據(jù)結構簡單，易于存儲等優(yōu)點。[6]

2 地層的三維可視化

基于多層DEM-GTP混合模型進行三維地層可視化的總體思路：按鉆孔方向、巖性、空間位置對地質體進行分層，再由鉆孔數(shù)據(jù)構建地表不規(guī)則三角網（簡稱TIN），[7]以地表TIN為模板對各分層的表面也建立各自TIN，從而完成構建多層數(shù)字高程模型（簡稱多層DEM），[8]對相鄰TIN面上的三角形構建廣義三棱柱模型（簡稱GTP模型），再進行地層尖滅與地層層面交叉處理。完成三維地層模型的構建。當實際應用中經常會遇到地層缺失等復雜地質構造，運用GTP模型能夠靈活的解決此類問題。地層的三維可視化[9]的具體步驟：

（1）結合空間位置數(shù)據(jù)、鉆孔、柱狀圖、地質剖面圖、構造圖等資料，對數(shù)據(jù)進行預處理，總結出鉆孔點各個地層的巖性、深度、厚度、總地層數(shù)、按其鄰接關系對地層進行順序編號，編號按照沉積順序從老到新，逐層遞進，構建鉆孔信息數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建位置、深度、巖性等字段，將數(shù)據(jù)錄入。

（2）以鉆孔坐標和表層層高為基準，結合建模區(qū)域邊界條件，采用Delaunay三角網剖分生成地表TIN，[10]使離散的鉆孔點相關聯(lián)。以地表TIN為模板約定其他各層TIN的三角形個數(shù)，構建帶約束的各層TIN面，保證各個地層層面具有確定的、上下一致的拓撲關系，來簡化插值的時間復雜度。

（3）由相鄰TIN層中的三角形的點，沿鉆孔方向構建GTP模型的側面四邊形，從而保證四邊形的側棱邊在同一條鉆孔上。從地表TIN開始遍歷所有地層層面，當出現(xiàn)層面缺失的現(xiàn)象（尖滅），要重新賦值缺失層高值地層層面上達到點，如下圖第2層中點層高值缺失時，需將臨近層點1的層高值賦值給點2，地層3到地層1之間，地層2的厚度為0。

（4）當出現(xiàn)相鄰層TIN面對應三角形交叉現(xiàn)象時，按實際地層嚴格的沉積順序，對交叉地層進行重賦予層高值，1層和2層相交，將地層1上TIN點的層高值賦值給地層2。保障各個體元間是相互鄰接關系，上下相鄰地層間無交叉情況。

（5）選擇表層TIN中一個點為起點，遍歷所有TIN面，構建DEM-GTP模型體元，即完成三維地層模型。

3 實驗分析

基于多層DEM-GTP的混合模型建模理論和方法，[11]測試數(shù)據(jù)以研究區(qū)域內15個實際鉆孔數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，在windows7環(huán)境下，采用面向對象的編程理念，基于ArcGIS Engine平臺進行二次開發(fā)三維地層可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)是對混合模型建模結果的展示是通過組件Scene Control來實現(xiàn)。在少量人工干預的情況下，實現(xiàn)對地層任意剖面的三維顯示，屬性查詢、圖例的自動生成與顯示、地層的分層顯示等功能。

系統(tǒng)窗口下的各種操作都是實時的、快速的，方便用戶全方位多角度瀏覽。自定義繪制用戶需要的裁切多邊形，來實現(xiàn)任意剖面裁切，強化人機交互功能，地層經任意面裁切的結果如圖2所示。

4 結論

基于多層DEM-GTP模型實現(xiàn)三維地層可視化，充分運用了單一模型多層DEM和GTP模型的優(yōu)點，方便有效的獲取于地層形態(tài)和屬性，地層的三維可視化能直觀、準確的表達地質實體空間內部結構，全方位動態(tài)的顯示能方便用戶實時的進行空間查詢與分析，更好地輔助決策，能為地質工作者提供了可靠的地層信息。但三維地層數(shù)據(jù)的獲取還相對較難，鉆孔總體上也很稀疏，數(shù)據(jù)量比較少，建模效果也比較粗糙，不夠精細。在下一步工作中，建議結合專家經驗增加虛擬鉆孔，增加表達帶斷層的復雜地層。同時還能看出，ArcGIS平臺的二次開發(fā)工具有開發(fā)周期短、成本低等優(yōu)點，3DGIS技術的快速發(fā)展，未來在地質調查和勘查工作中將發(fā)揮更大的作用。

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