长江三峡旅游攻略矿山钻孔数据三维地层建模与可视化
杨文环;尹璐;孙久运
【摘 要】Three-dimensional stratum modeling and visualization are the important application of three-dimensional geo-logical information system ( GIS) in geosciences,and it can completely and unambiguously define the various geologic struc-tures information,which is very helpful for actual geological analysis. On the basis of this,the three-dimensional strata model establishing method is propod,which is bad on tetrahedral network(TEN),generalized tri-prism(GTP) and visualization toolkit( VTK) . The borehole data is ud to establish the three-dimensional strata model by the method. Firstly,the triangle ir-regular network ( TIN) is generated by the borehole collar data;then,according to the spatial quence of strata,each triangle of TIN is expanded downward to obtain GTP voxel model along the borehole,and the GTP voxel model is tetrahedron subdivi-ded by building the three-dimensional strata model;finally, three-dimensional display and spatial analysis functions such as property inquiry,distance and an长久
gle measurement and cut are realized by the three-dimensional strata visualization system de-veloped by visualization toolkit( VTK) . The experiments are conducted bad on the borehole data of a mine,the results show that the GTP model bad on TEN contributes to solve the problem of space entity subdivision and cutting,the application of VTK in three-dimensional stratum visualization is feasible,and the performance of VTK in visualization function and spatial a-nalysis is perfect. Therefore,it has some reference for enhancing the efficiency of mine geological analysis and mine geological modeling and visualization.%三维地层建模与可视化是三维地理信息系统( Geological Information System,GIS)在地学中的重要应用,能够直观展现各类复杂的地质信息,对于实际地质分析大有帮助. 为此,提出了一种基于引入四面体格网( Tetrahe-dral Network,TEN)的广义三棱柱(Generalized Tri-prism,GTP)模型的三维地层模型构建方法. 该方法使用钻孔数据进行三维地层建模,首先以钻孔孔口数据生成地表面不规则三角网( Triangulated Irregular Network,TIN) ,然后根据地层空间分布顺序,将TIN中的三角形逐个沿钻孔向下扩展生成GTP体元模型,建立三维地层模型并对其进行四面体剖分,最后使用可视化工具包( Visualization Toolkit,VTK)开发出三维地层可视化系统,实现了地层模型的三维显示及属性查询,距离、角
度量测与剖切等空间分析功能. 某矿山钻孔数据试验结果表明:基于引入TEN的GTP模型有助于解决空间实体剖切问题,将VTK应用于实现三维地层可视化是可行的,在可视化性能与空间分析操作等方面均有着良好的效果,对于提高矿山地质分析、地质建模与可视化效率有一定的参考价值.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】5页(P130-134)
【关键词】三维地层建模;可视化;钻孔数据;四面体格网;广义三棱柱;不规则三角网;可视化工具包
【作 者】杨文环;尹璐;孙久运
【作者单位】中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州221116;中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州221116;中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州221116
【正文语种】中 文
【中图分类】TD672
三维地层建模与可视化是GIS在矿山地质中的一个重要应用，将计算机技术与GIS、图形可视化工具相结合，实现三维环境下的空间数据管理、地层可视化表达与空间分析是矿山3DGIS深入应用的基本要求，也是当前GIS应用研究的一个热点[1-2]。三维地层模型能够完整表达地质体的边界条件与其所包含的复杂地质构造，相较于传统的二维表示方法更加直观形象，且支持空间分析操作，有助于进行地质解译[3]。近年来，国内外学者针对三维地层建模进行了大量研究，提出了如多层DEM法、四面体格网法，地层水平法、三棱柱法等建模方法[1,4-8]。多层DEM法可精确描述地层表面信息，但无法表达地质体的内部结构；四面体格网法可以描述具有复杂边界的空间实体，拓扑关系灵活，但算法复杂，生成效率不高；地层水平法适用于构建相对简单规则的地层模型；三棱柱模型主要针对垂直钻孔，难以描述更符合实际情况的倾斜钻孔数据。
目前常用的三维可视化工具主要有Direct3D，OpenGL，OSG，VTK。Direct3D是由微软公司开发的交互多媒体应用程序接口，具有硬件无关性，主要应用于微软Windows平台的
游戏开发、3D动画、3D图形计算和虚拟现实。OpenGL是SGI公司开发的专业图形程序接口，具有跨编程语言、跨平台的优点[9]，但OpenGL发展较为迟缓，主要用于专业高端绘图领域；OSG是使用OpenGL技术开发的基于C++平台的应用程序接口(API)，主要用于仿真、游戏、虚拟现实及建模等领域。VTK是美国Kitware公司推出的一个开源的免费软件系统，具有强大的三维图形功能与良好的可移植性，同时支持多种数据类型。
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基于以上分析，本研究采用GTP模型作为建模单元，提出了基于钻孔数据的三维地层模型构建方法。该方法结合地层生成顺序与分布规律，实现地层构造推理和自动建模，在此基础上引入TEN，对GTP模型进行四面体剖分，并采用VTK技术实现GTP模型的三维可视化操作。
1.1 钻孔数据预处理
原始钻孔数据预处理主要包括钻孔空间位置信息的提取和钻孔内地层的划分与排序。钻孔空间位置信息主要包括钻孔孔口坐标以及钻孔长度。地层的层数可根据钻孔资料中记录的信息分析得到，岩性相同并且上下位置相近的可视为同一地层；根据钻孔内所包含岩层的Z坐标值大小可以确定各地层在垂直方向上的顺序；地层编号采用自地表面向下依次递增
的顺序，约定钻孔中地层分界点的编号为下层地层的编号[10]。
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1.2 地表面TIN构建
地表面TIN定义了建模区域的外边界，确立了各钻孔之间的基本拓扑关系，便于后续利用GTP模型进行三维建模。建模区域包含的所有地层均以地表面TIN所确立的拓扑关系为依据，从而保证上、下地层间拓扑关系一致，可降低后续建模的复杂度，增强算法的稳定性[11]。目前，TIN构建方法有逐点插入法、三角网生长法、分治算法等，其中逐点插入法实现简单且便于扩展，为此，采用该方法构建TIN，步骤[12]：①提取所有孔口坐标并对其进行排序，构成数据点集；②求出数据点集的外包盒，选定1个初始三角形，将其放入倒三角形链表中；③依次插入每个数据点，确定其影响范围，合并影响三角形，得到1个凸多边形，连接该点至多边形各顶点，构成新三角形，插入到三角形链表中，更新其拓扑关系。
万圣节鸡尾酒1.3 三维地层建模1.3.1 构建GTP体元模型
在地表面TIN的基础上，根据地层空间分布顺序，依次将TIN中的三角形顶点沿所在钻孔向下扩展至钻孔底部点，生成GTP体元模型，由地表面TIN中所有的三角形生成GTP，组成
地层整体描述模型。在沿钻孔扩展生成GTP模型的过程中应遵循地层出现的先后顺序，保证建模结果的合理性与唯一性。构建GTP体元模型的步骤：①在生成的地表面TIN中选择1个三角形作为所要构建GTP体元模型的上三角形；②根据该三角形3个顶点所在的地层编号，按地层编号顺序沿各自所在钻孔向下扩展，由3个钻孔相应的下一节点构成新三角形(称下三角形)；③由上、下三角形及3个钻孔相应孔段所包含的信息构建GTP体元模型，记录GTP体元模型拓扑关系，并将下三角形置为上三角形；④重复②、③，直至上三角形顶点均为所在钻孔的底部点，即1个GTP体元模型构建完成；⑤重复①～④，直至地表面TIN中的所有三角形遍历完毕为止。当有新的钻孔点插入时，仅需更新地表面TIN，根据新生成的TIN，按照上述步骤，可构建新的GTP体元模型。
1.3.2 GTP体元的四面体剖分
紫砂壶鉴定方法由于构建的GTP体元模型的侧面不一定是平面，易导致对GTP体元模型进行剖切操作时出现空洞，因此需要对其进行四面体剖分[13-14]。本研究采用最小顶点标示法(Smallest Vertex Identifier，SVID)对GTP体元模型进行四面体剖分。该方法的基本原理为在GTP体元模型的侧面使用从最小标识号顶点出发的对角线将其剖分为TEN[15]。为方便进行四面
体剖分操作，对地表面TIN中所有三角形的顶点进行了排序编号(见图1)。图1中，GTP体元模型中上三角形3个顶点的编号依次为P1、P2、P3，在同一钻孔中，下三角形顶点所在地层的编号大于上三角形顶点所在地层的编号，则P1、P2、P1分别是侧面P1P11P22P2、P2P22P33P3、P3P33P11P1中编号最小的顶点，根据SVID法可选用P1P22、P1P33、P2P33 3条对角线对GTP体元模型进行四面体剖分[16]。
2.1 VTK体系结构
VTK是一种用于三维计算机图形学、图像处理和可视化的开源免费软件系统，在建筑、气象、医学、生物学、航天航空学等学术研究及商业领域得到广泛应用[17]。VTK是在三维函数库OpenGL的基础上采用面向对象的方法开发的，内核采用C++语言构建，所有函数都封装在600多个类库中，同时包括Tcl，Java，Python等众多翻译接口层，方便用户通过各种语言使用VTK。VTK的可视化设计是基于管线流[18-21]的设计模式，将数据视为在管线内流动的介质，在不同阶段对数据采用不同的处理方式。VTK的可视化管线主要包括可视化模型和图形模型，前者将处理后的数据生成几何体，后者负责绘制。
2.2 三维地层模型可视化
VTK无法直接读写比较专业的数据格式文件，在进行可视化之前应将构建的GTP体元模型数据转换成VTK专用的“vtkUnstructuredGrid”数据集类型数据,数据转换流程见图2。
在VTK中“vtkDataSet”是所有数据集类的父类，是一个抽象的无法实例化的类，当“vtkDataSet”作为输入的过滤器时可接受“vtkPolyData”、“vtkImageData”、“vtkStructuredGrid”、“vtkRectilinearGrid”和“vtkUnstructuredGrid”等类型作为输入。在实现可视化过程中应首先利用“vtkDataSetReader”读入VTK格式的数据；然后考虑到所使用的数据属于非结构化数据集，利用“vtkUnstructuredGrid”对数据进行格式转变,获取数据的属性表量范围；最后利用“vtkLookupTable”采用颜色映射的方法实现地质体的三维可视化。部分关键代码如下：
vtkDataSetReader reader = new vtkDataSetReader();
群管理制度reader.SetFileName("1.vtk");
reader.Update();
vtkUnstructuredGrid ungrid = new vtkUnstructuredGrid();
ungrid.DeepCopy(reader.GetOutput());
double[] range = new double[2];
ungrid.GetScalarRange(range);
做最好的老师vtkLookupTable table = new vtkLookupTable();
vtkDataSetMapper mapper = new vtkDataSetMapper();
mapper.SetInput(ungrid);
mapper.SetScalarRange(range[0]，range[1]);
mapper.SetLookupTable(table);
vtkActor actor = new vtkActor();
actor.SetMapper(mapper);
