三维地质模型构建研究

李辉，韩晓晖，王新广

(1.天津市勘察院，天津　300191；　2.星际空间(天津)科技发展有限公司，天津　300222)



三维地质模型构建研究

李辉1*，韩晓晖2，王新广1

(1.天津市勘察院，天津300191；2.星际空间(天津)科技发展有限公司，天津300222)

摘要：为改变传统的城市地质工作和城市地下空间利用的粗放形式，弥补传统的地质学研究模式、工作方法与技术手段的不足，在总结分析传统地质研究方法与研究手段的基础上，通过提取、完善数据库中的钻孔信息和地层信息，利用三维平台接口将地层信息进行三维可视化建设，构建三维地质模型，从而为地质工作提供科学的依据和技术支撑。

关键词：三维；地质；模型；构建方法

1引言

地质问题已成为贯穿于数字城市、减灾防灾、城建工程、地下工程、水电工程、交通工程、环境工程、资源开发的一个基础性问题。传统的二维分析方法广泛应用在资源勘探与开发、工程地质、水文地质和矿床地质等地质相关领域中，通常采用剖面图、等值线图等二维图件来表达地质体的构造形态特征和属性特征。这些二维图件直观性较差，地质人员需要通过想象才能重构出地质体的空间形态。

如果用三维地质模型来直观地表达地质体，将大大提高传统地质学与地质工作的研究水平。给地质人员提供可视化的、详细的地质体资料，使其能直接、完整、准确地理解和分析地质体的特征，这将给地质工作带来极大的便利。

三维地质模型模拟的关键技术是空间对象三维模型的建立，充分利用现有的二维GIS数据(主要是钻孔信息、地层信息、实验数据等)，进行三维地质模型建模，是三维地质模型可视化技术难点及关键所在。因为这些信息能够提供地质(地层)构造的分布信息，能完整、准确地表达复杂地质现象的边界条件及地质体内包含的各种地质构造，所以利用离散的钻孔进行地质曲面可视化重构是地质构造最为直观的研究手段。

2三维地质模型构建算法分析

地质模型构建方法利用已知散乱的钻孔数据对曲面上的点进行拟合插值，插值后建立数学模型，使用三角构网方法将钻孔数据连接成为曲面几何信息，利用传统的计算机图形学方法加以显示，从而获取对数据场内部信息的观察。常用的插值方法为克里金插值方法，采用的三角构网方法为Delannay三角剖分法。

2.1克里金插值法

克里金插值法也被称为空间局部估计或空间局部插值法，是地质统计学的主要内容之一。克里金插值法是在空间相关范围分析的基础上，用相关范围内的采样点来估计待插点属性值，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计。

克里金插值法具有较好的空间形态恢复能力，误差较小、适用性较高，插值效果较好，逐渐被人们广泛地应用到三维地质模型的构建中。但它是局部插值方法，适用于精度要求较高的场合。本文将以克里金算法为基础进行研究。

2.2Delaunay三角剖分法

三角剖分对数值分析和图形学都是极为重要的一项预处理技术。尤其是Delaunay三角网是“最接近于规则化”的三角网，具有唯一性、空圆性、最大化最小角等特性。基本思路是利用散乱数据构造插值曲面，在此基础上可以利用线性或有限元方法进行插值来绘制曲面或等值线，也可直接采用三角网进行等值线或曲面绘制。Delaunay三角剖分法算法简单易实现，结构良好，数据结构简单，数据冗余度小，存储效率高，可适应各种分布密度的数据。

3三维地质模型构建方法的研究与实现

作者在考查了大量三维地质模型算法和工具的基础上，从复杂度、适用性、精确性等方面综合考虑，提出了三维地质模型构建的初步解决方案。本方案通过提取、完善数据库中的钻孔信息和地层信息，通过三维平台接口将地层信息进行三维可视化建设，生成地质地层模型。具体构建过程如图1所示：

3.1构建区域范围

根据鼠标输入或者对外接口输入的坐标值串为边界，确定建模区域范围。

3.2提取地层数据

利用空间叠加算法选择待建模区域内的钻孔数据、地层数据及其实验数据，将用于构建三维地质模型必须的标高、深度、平面坐标、岩性等信息进行提取，完成基础信息搜集与记录。

3.3计算地层信息

提取数据库中钻孔数据对应的地层分层信息，利用对应钻孔的标高记录，计算地层的上限和下限，完成项目钻孔对应的地层信息搜集。

3.4插值计算

基于每个地层的信息，根据事先设定的插入密度，运用克里金算法计算该层所有特征点处以及地层模型边界点处的插入值。

3.5构建网格

以上述的地层数据为基础，按照地层结构构建网格插入点。以网格插入点为特征点，生成适宜的空间多边体数据结构。

3.6地层调整

在三维地层组织结构中经常会出现地层缺失和地层透镜体情况，应根据地层实际情况调整与该地层相关联的其他地层结构。具体步骤是：

(1)当出现有缺失地层的钻孔数据，其周围最近距离的其他钻孔数据关联的地层结构会在两者之间尖灭，同时调整该缺失地层紧邻的上层和下层地层的结构。

(2)当出现有透镜体地层的钻孔数据，其关联的地层结构会在其周围最近距离的其他钻孔数据之间尖灭，同时调整该透镜体地层紧邻的上层和下层地层的结构。

地层尖灭算法涉及地层比较复杂，本文采用的算法思路是：首先判断尖灭地层所关联的地层的类型，将相同地层进行合并；再根据尖灭地层与其关联地层的垂直方向的关系，确定尖灭地层的尖灭方向；第三步构建尖灭地层结构；最后构建关联地层结构，完成地层构建。3.7构建三维地质模型

将空间多边体数据结构进行渲染可视化，形成可展示的地层三维模型，并进行模型优化和纹理设置。具体步骤是：

(1)将地层标示图例统一化处理；

(2)依据模型各个点的坐标以及坐标所在面的轴向，计算坐标的法线坐标。面的法线可以根据该面上任意三个点的坐标值求出，主要代码如下：

//计算向量

vector1.x=pt1.x - pt2.x；

vector1.y=pt1.y - pt2.y；

vector1.z=pt1.z - pt2.z；

vector2.x=pt3.x - pt2.x；

vector2.y=pt3.y - pt2.y；

vector2.z=pt3.z - pt2.z；

//计算法线

normal.x=vector1.y*vector2.z-vector1.z*vector2.y；

normal.y=vector1.z*vector2.x-vector1.x*vector2.z；

normal.z=vector1.x*vector2.y-vector1.y*vector2.x；

//法线单位化

len=sqrt(normal._v[0] * normal._v[0]+ normal._v[1] * normal._v[1]+ normal._v[2] * normal._v[2] )；

if(len == 0.0f)len=1.0f；

normal.x /= len；

normal.y /= len；

normal.z /= len；

(3)计算地层纹理坐标。即根据法线坐标计算面的轴向，再依据面顶点坐标计算纹理坐标值。主要代码如下：

for (unsigned i=0；igetNums()；++i)

{

N.set(vx[i].x()，vx[i].y()，vx[i].z())；//法线坐标

int axis=0；//轴向

double dnx=abs(N.x())；

double dny=abs(N.y())；

double dnz=abs(N.z())；

if(dny>dnx && dny>dnz)

axis=1；

if(dnz>dnx && dnz>dny)

axis=2；

//计算纹理坐标

switch (axis)

{

case 0： uv.set(P.y()，P.z())；break；

case 1： uv.set(P.x()，P.z())；break；

case 2： uv.set(P.x()，P.y())；break；

}

}

(4)逐层设置地层纹理。

4成果展示与分析

通过上述步骤，基于自主开发的三维系统，可以生成三维地质模型。可以看到，各个地层都比较清晰，层与层之间的衔接也很准确，如图2所示。

通过网格模型可以看到，地层起伏的拟合比较平滑，没有漏洞和棱角，拟合效果较好，如图3所示。

从成果来看，该三维地质模型构建方法能较准确地反映地质地层的情况，达到了预期的目标，可以作为进一步研究的基础和依据。

5结语

本文初步实现了运用克里金算法和Delaunay三角构网方法，基于钻孔信息的三维地质模型的构建。此方法的优点是实现简单、速度较快，精度高，对地质地层拟合较准确。不足之处是对于断层、褶皱等情况缺少支持。针对研究现状，下一步作者将解决不足，进一步优化此算法，实现三维地质模型构建方法在三维平台上的典型应用。

参考文献

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[7]徐能雄，段庆伟等. 三维地质建模方法及程序实现[M]. 北京：地质出版社，2011：23，67.

[8]程朋根，文红. 三维空间数据建模及算法[M]. 北京：国防工业出版社，2011：141～143.

Build 3D Geological Model

Li Hui1，Han Xiaohui2，Wang Xinguang1

(1.Tianjin Institute of Geotechnical Investigation Surveying，Tianjin 300191，China；2.StarGIS (Tianjin) Technology Delelopment Co.，Ltd. ，Tianjin 300222，China)

Key words：3d；geological；model；method of building

Abstract：In order to change the traditional urban geological work and the extensive form of urban underground space utilization，make up for the traditional geology research model，working method and the shortage of technical means，in the summary analysis on the basis of traditional geological research methods and research means，by extracting，improve the drilling information and stratigraphic information in the database，using three-dimensional platform interface will stratigraphic information construction of 3 d visualization，build 3 d geological model，so as to provide scientific basis for geological work and technical support.

文章编号：1672-8262(2016)03-158-03

中图分类号：P628.4

文献标识码：B

*收稿日期：2016—03—16

作者简介：李辉(1982—)，女，工程师，现主要从事地理信息系统开发与研究。

基金项目：国家自然科学基金(21373210)