基于IDL的三维地质勘查方法

张 岚，杨 斌，高德政

（1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

基于IDL的三维地质勘查方法

张 岚1，杨 斌1，高德政1

（1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

地质勘察人员需要了解各种地质体三维空间形态和内部结构，还要能够根据勘察工程的进行，数据资料的增加动态调整地质体在三维空间上的形态及内部结构上的变化。利用 IDL 语言强大的数据处理与图形显示功能，设计了地质体三维建模系统，实现了三维地质体的动态调整；并将其应用于实际工程中，为数字矿山的应用提供了模型和方法参考。

地质勘查；IDL；三维地质体；可视化

三维地质体可视化解决了二维平面图不能显示地质体在三维空间上变化的问题，对于资源勘查有着十分重要的作用，是三维GIS研究的重要领域和热点[1-4]。

目前尚无一个既能方便形成各种地质图，又能形成三维地质体，还能动态地根据勘察工程进展不断调整三维地质体的形态和内部结构的软件系统。本文以宜昌某磷矿的钻孔资料为源数据，探讨了IDL在三维地质体可视化中的应用，基本完成了对地质勘察分析的三维可视化及成图；再根据钻孔资料的变化，改变地质剖面图及三维地质体的形态和内部结构，实现了三维地质体的动态调整[5,6]。

1 系统开发平台与环境

1.1 IDL语言

交互式数据语言——IDL，作为第4代可视化语言在图像分析和三维可视化方面具有独特优势[7,8]：①可方便地进行跨平台的移植；②提供了大量封装和参数化了的数学函数；③提供了丰富的二维、三维图形图像类，便于实现地质体三维可视化[9,10]。鉴于IDL拥有简单的学习步骤、丰富的功能函数和完美的处理结果,可以说它是理想的三维可视化环境的生成平台[11]。

1.2 对象图形系统

对象图形系统指利用对象模型创建用于显示的对象，然后在窗口中添加对象进行显示的图形系统。利用其编程技术和丰富的对象类大大提高了开发效率，本文采用该系统进行地质体三维可视化,框架体系见图1。

2 系统结构分析

地质体三维建模系统由收集资料、整理数据、文本文档的建立、模拟钻孔柱状图、地层三维可视化和地质体模型构建等模块组成（图2）。

图1 对象图形系统框架体系

图2 地质体三维可视化及分析体系结构

在读取源数据后，利用对象图形法中的IDLgrPolygon对象创建三维地质钻孔，模拟钻孔柱状图；然后整理并生成规则插值网格的数据，选取适当的插值函数，计算所有网格的节点坐标，并模拟各地层的表面和侧面，生成单层DEM数据；生成单个地层分界面的 DEM 数据后，就可把它们纳入到统一的地面坐标系中，实现对多个地层分界面 DEM 的叠加显示，进行地层分界面的绘制；体绘制完成后，可对模拟的三维可视化几何模型进行缩放、旋转、剖切等操作。

2.1 单层DEM的生成

根据要求指定格网间隔，将研究区域划分为矩形网格，并通过每个网格节点作垂直线，与各地层表面交于一点；然后插值计算所有网格的节点坐标，并模拟各地层的表面和侧面。以Kriging插值法为例：设某平面有n个离散节点（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），对 应 节 点 高 程 为f1，f2，…，fn，则 对 某 点（x， y），其节点高程为：

式中，aj可利用离散点坐标联立方程求出；c为常数。

2.2 体数据的绘制

体绘制是指以体素作为基本单元，使用指定的模型和算法，由体数据直接生成三维虚拟实体映像的过程。使用体素表达的体素模型，不仅具有实体的外部形状信息，而且还包含实体内部的全部信息，在三维体素填充模型中，使用最多的是等边长的正方体体元[12,13]。其算法流程如图3所示，其中 m、n、l 分别为X、Y、Z方向的任意维数，stratum_num为地层总数。

图3 体绘制算法流程图

2.3 剖面分析

剖面分析是指沿着地质体的任意方向做任意个剖面，可从多个剖面方向来观察地质体的地层属性、构造分布等信息。该工具还可以用于观察地质界面信息以及对地质体做剖切后的切块信息，可清楚显示地质模型内部的各个细节。

2.4 垂直切片的提取

提取体数据切片的方法有垂直切片的提取和任意方位切片的提取。垂直切片的提取是根据体数据的三维数组volume[x，y，z],提取与X方向垂直的切片。其具体方法为循环x的值，对于每个固定值xi，其对应的垂直切片为volume[xi，yi，zi]，利用write_*函数把该二维数组按照任意一种指定的图像格式存入图像文件；同理，可分别提取与Y、Z方向的垂直切片。

3 功能实现与结果分析

3.1 数据读取

在IDL中读写ASCII码文件时，先将一个逻辑设备号与文件进行关联，然后对设备逻辑号进行读、写或更新等操作，本文应用自由读写的方法，其简化语法为：

3.2 纹理贴图

3.3 结果分析

本文利用IDL构建并实现了地质体三维可视化系统。图4a是根据已知的钻孔坐标模拟的钻孔柱状图；图4b是根据钻孔柱状图形成的二维平面图；图4c是根据多层DEM数据插值后模拟的三维地质体；图4d是根据钻孔资料的变化、增加而进行的三维地质体动态调整；图4e是根据遥感图像、DEM数据进行纹理贴图；图4f～h是对三维地质体实现剖切操作。

4 结 语

本文在科学可视化理论的基础上，利用离散的钻孔观察资料，实现了简单的可视化显示、查询和分析。地质体三维可视化解决了二维平面图和剖面图不能直观显示三维地质信息的问题，能够指导实际的地质分析，具有相当大的实用价值，也为数字矿山的应用提供了模型和方法参考。

地质体的三维建模和可视化作为许多科研领域的研究热点，是一个综合性很强的研究方向，它的实现与创新需要结合计算机图形学、科学可视化、地质学等诸多科研成果，这从本质上决定了任何关于三维可视化的理论与应用都会有它不足和有待提高之处，因此还需要进行更深入的研究。

图4 地质体三维可视化及分析系统部分功能

[1] 杨朝辉,陈映鹰. IDL 在三维地层可视化中的应用研究[J].工程勘察,2008(6):50-53

[2] 何全军,程彬,许惠平.基于IDL的地形三维可视化实现[J].世界地质,2004,23(1): 85-89

[3] 杨朝辉.基于IDL的三维地质剖面编绘系统的研制[J].测绘科学,2009,34(2):197-198

[4] 张敬博,贾瑞生.基于体绘制技术的层状地层三维建模平台的设计和实现[J].计算机应用与软件,2012,29(2):129-132

[5] 吴守亮.三维层状地质体可视化建模及分析研究[D]. 淮南:安徽理工大学,2011

[6] 王小利.基于IDL的矿体三维可视化开发与研究[D].昆明:昆明理工大学,2008

[7] 韩培友.IDL可视化分析与应用[M].西安:西北工业大学出版社,2006

[8] 董彦卿.IDL程序设计[M].北京:高等教育出版社,2012

[9] 王振胜,王贤敏.基于IDL 的三维地质矿产建模[J].测绘科学,2013,38(1):26-28

[10] 赵宏坚,周翠英.基于实体建模的三维地层构造[J].岩土力学,2010,31(4):1 258-1 263

[11] 贾瑞生,姜岩,孙红梅,等.基于IDL三维地形建模及可视化技术研究[J].测绘科学,2008,33(6):1-3

[12] Bak P, Mill A. Three Dimension Representations in a Geoscientific Resource Management System for the Minerals Industry[J]. Three Dimensional Applications in Geographic Information Systems,1989,3(1):155-182

[13] Li R. Data Structures and Applications Issues in 3D Geographic Information Systems [J]. Geomantic,1994,18(6):209-224

P208

B

1672-4623（2016）03-0064-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.020

张岚，硕士，主要研究方向为地质勘查技术与方法。

2014-01-15。

项目来源：国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目（LEDM2011B03）。