地质勘探可视化关键技术研究

郭 冰

（河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450052）

矿山地质材料3D 可视化技术是地质研究的创新领域，研究目的是应用3D 计算机可视化技术，以3D 方式显示矿井地质勘探开发中的地质数据，使数据更直观。为矿井勘探开发提供更好的决策支持。矿井地质数据的3D 可视化是复杂的系统工程，涉及学科众多。地面导航关键数据的组织与可视化，地下地质对象的3D 建模与可视化是与矿产资源开采密切相关的关键技术。因此，探讨地质数据可视化，利用地质建模技术创建地质模型，将地质数据转化为图形，有助于直观呈现地质结构和储层的内在属性特征，有助于地质学家进行地质分析和评估。

1 矿井地质数据可视化基本流程

可视化技术为研究人员提供了处理和解释地质数据的有效途径，可以帮助研究人员理解数据内在意义，地质数据可视化基本流程如下。

图1 地质数据可视化基本流程

首先，对原始数据进行预处理。此时，由于数据源和可视化数据格式不同，原始数据被预处理为渲染器可以处理的数据格式。如果原始数据被压缩，则应在此阶段对其进行解压缩。

其次，映射成几何数据。数据制图使用特定的点、线、面等来表示数据中包含的抽象的或不可见的科学规律和现象。通常使用向量场、张量场、标量场表示。其中，标量场包括提取二维轮廓，重建和可视化三维表面以及生成可视化三维标量场的等值面等方法。矢量场包括流线、流面、粒子动画生成、矢量场拓扑表示、数据特征可视化等方法。张量场包含圆柱箭头或超流线表示方法。

再次，几何数据绘制成图像数据：在屏幕上绘制点、线、面等几何结构，表示通过整理数据得到的原始对象的结构和属性。

最后，呈现可视化结果并为研究人员提供反馈机制，帮助用户利用可视化数据，指导研究人员进行研究工作。现有的地质数据可视化工具主要有VTK、Open Inventor、DirectX、OpenOL等，可以通过角点网格形式呈现地质数据。

2 矿井地质数据可视化方法分析

2.1 基于角点网格的地质构造模型3D可视化

基于角点网格建立地质构造模型的具体过程如下。

首先，预处理3D 地质模型数据，将数据转换为可以直接操作的坐标和属性值；其次，将3D 地质模型定义为网格单元，每个网格单元作为一个体元素，每个体元素定义了自己的8 点空间坐标值、激活控制值和values 属性值。空间坐标值可以确定体元素在空间中的位置；激活控制值来控制是否绘制体元素；属性参数值通过颜色信息显示储层属性信息。使用纹理映射的体积渲染方法按顺序依次绘制体元素；最后，使用射线投影算法将3D 空间地质信息投影到屏幕上进行显示。图2 为基于角点网格的矿井地质构造网格模型，图3 为单个体元素构成的矿井地质构造模型。

图2 矿井地质构造的角点网格模型

图3 单个体元素组成的矿井地质构造模型

2.2 颜色属性映射

地质构造模型可以呈现地质构造，但无法表示储层属性的性质。因此，应该使用每个体元素的储层属性值来表示地质储层特征和其他特征。可视化过程使用颜色信息来表示储层的属性特性。此过程主要基于颜色属性映射方法。基本流程如下。

首先定义色谱，色谱最初是指一组系统或用户定义的颜色值。色谱通常由RGB 颜色模型表示。优点是显示更方便，渲染效果更好。但是，如果在颜色映射过程中需要频繁调整色谱，通常需要将RGB 颜色模型转换为HSV 颜色模型，以方便后续的颜色调整；其次，定义储层属性映射规则。其目的是构建储层属性信息与颜色信息的映射关系。即属性值与颜色值匹配。先确定属性参数地质储层的最大值Pmax 和最小Pmin 值，计算属性参数值大小区间Prange=(Pmax -Pmin)。通常采用256 级颜色色谱，可以满足系统以及用户的视觉要求，为精简计算，提高效率，映射时不做颜色插值处理；最后，根据已经定义的映射规则，将地质储层属性参数映射到颜色信息上，颜色属性映射。

2.3 地质剖面可视化

通过地质剖面可以体现地质结构和地质储层特征。实践中，可用地质剖面来评估地质结构。地质剖面是一种通过人机交互获得的地质分析数据。在获得地质剖面之后可以进行地质剖面3D 可视化。地质剖面3D 可视化旨在以逼真的3D 画面显示离散剖面的坐标信息和地质储层的属性信息。由于从剖面得到的坐标信息是基于角点网格结构的，因此剖面可以用四边形网格的形式表示，剖面结构中积元素的储层属性信息被处理成剖面纹理。运用纹理映射技术可以在剖面上绘制属性纹理，完成剖面渲染。图4 显示了矿井地质剖面3D 可视化。

图4 矿井地质剖面3D 可视化

3 矿井地质数据3D可视化系统

Open Inventor 是一个面向对象的3D 图形用户界面，提供强大的3D 图形设计库、内容库以及文件接口，还提供了丰富的插件，如VolumeViz、MeshViz 可是实现大规模的数据可视化，大场景投影等功能。可以参考OpendTect3D 可视化模块设计原理，借助其开发库进行地质数据3D 可视化模块开发，将Open Inventor3D可视化方法进行封装，实现矿井地质数据3D可视化。

根据图5 可以看到，地质3D 数据通过封装的与对应工厂类接口得到3D 数据实例。使用3D 场景查看器可视化3D 数据。通过调用Open Inventor 可视化方法，例如通过生成具有不同数据类型和格式的可视化工厂来实现地震线强度属性的3D 可视化。

图5 OpendTect 3D 可视化模块构成图

4 结语

综上所述，我国矿井地质勘查采用多种地球物理勘探方法，不同的勘察方法产生不同的结果。随着矿井地质勘探技术的持续进步，各类地质数据量快速增长。如何有效地整合和展示矿井地质数据成为关键性问题。基于角点网格的地质构造模型实现了矿井地质数据3D 可视化，通过颜色属性映射方式来显示地质对象属性。通过分析OpendTect 平台开源的3D 可视化模块，分析如何实现3D 可视化系统，促进地质勘探开发效率的提升，推动我国经济的发展。