基于鉆孔數(shù)據(jù)和交叉折剖面約束三維地層建模方法

鉆探、物探等工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)是揭示工程巖體空間狀態(tài)的原始數(shù)據(jù),其大量原始數(shù)據(jù)的處理是工程巖體三維構(gòu)模中存在的主要困難之一。從三維構(gòu)模的角度出發(fā),將工程巖體按幾何特征抽象為連續(xù)性巖體、斷裂巖體、倒轉(zhuǎn)褶皺巖體和侵入巖體4種結(jié)構(gòu)單元類型。由于鉆孔數(shù)據(jù)是描述工程巖體的重要原始數(shù)據(jù),且具有多尺度性的特點(diǎn),以鉆孔數(shù)據(jù)為例,提出原始數(shù)據(jù)的縱向概化準(zhǔn)則、橫向概化準(zhǔn)則和縱橫向協(xié)調(diào)準(zhǔn)則的處理方法,解決工程巖體多尺度顯示問題。根據(jù)地質(zhì)學(xué)的地質(zhì)數(shù)據(jù)解釋方法,結(jié)合巖層層狀分布的特點(diǎn),提出工程巖體三維構(gòu)模中急需的鉆孔數(shù)據(jù)處理方法:原始數(shù)據(jù)縱向概化準(zhǔn)則和原始數(shù)據(jù)層處理概化方法。利用層處理方法對(duì)實(shí)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理,確定工程巖體所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元類型,進(jìn)而建立組合結(jié)構(gòu)工程巖體三維模型,驗(yàn)證了所提出的鉆孔數(shù)據(jù)處理方法的可行性。

原始數(shù)據(jù)處理是工程巖體三維構(gòu)模中存在的主要困難之一。從三維構(gòu)模的角度,將工程巖體按幾何特征抽象為4種結(jié)構(gòu)單元類型。鉆孔數(shù)據(jù)是描述工程巖體的重要原始數(shù)據(jù),具有多尺度性。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn),提出鉆孔數(shù)據(jù)縱向概化準(zhǔn)則,解決工程巖體多尺度顯示問題;根據(jù)地質(zhì)學(xué)的地質(zhì)數(shù)據(jù)解譯方法,結(jié)合巖層層狀分布的特點(diǎn),提出層處理方法對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理,確定工程巖體所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元類型,創(chuàng)建工程巖體結(jié)構(gòu)單元三維構(gòu)模數(shù)據(jù),建立由鉆孔數(shù)據(jù)所得到的工程巖體三維模型。

提出一種基于交叉折剖面的三維地質(zhì)模型自動(dòng)構(gòu)建方法,重點(diǎn)解決模型構(gòu)建中\(zhòng)"高精度\"和\"快速\"的難題。該方法擴(kuò)大了建模可利用的數(shù)據(jù)源,提高了建模的自動(dòng)化程度,構(gòu)建的模型質(zhì)量得以提高。基于該方法開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng),并成功應(yīng)用到北京市奧運(yùn)場(chǎng)區(qū)的工程建設(shè)層三維地質(zhì)建模中,結(jié)果表明該方法具有建立實(shí)際三維地質(zhì)模型的能力。

含斷層地質(zhì)體的三維建模方法充分利用地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有線框模型進(jìn)行改進(jìn),能夠根據(jù)地質(zhì)剖面圖的特點(diǎn)半自動(dòng)化地發(fā)現(xiàn)地質(zhì)斷層線,從而構(gòu)建三維地質(zhì)斷層面和地層面,然后利用opengl加以渲染顯示。本文以貴州省黔西縣龍井煤礦為研究實(shí)例,在自主研發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件中驗(yàn)證了該方法的可行性。實(shí)踐表明,該方法能有效地利用現(xiàn)有的紙質(zhì)地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)含斷層地質(zhì)體的三維建模與可視化。

在鉆孔分布合理的條件下,利用鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)地層進(jìn)行插值重構(gòu)是正確認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造的重要手段,選取合理、有效的插值方法是保證空間地質(zhì)建模質(zhì)量的根本。通過對(duì)最小二乘法、三角剖分法和克里金法等幾種常用插值重構(gòu)方法的闡述和數(shù)值實(shí)驗(yàn),對(duì)云南中部地區(qū)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,在253個(gè)鉆孔中隨機(jī)抽取90余個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行了比較:三角剖分插值算法及最小二乘距離加權(quán)插值算法是全局插值擬合方法,當(dāng)增加、修改和刪除數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)均需重新計(jì)算權(quán)函數(shù)或線性方程組的解,算法的穩(wěn)定性和效率都明顯下降,可在不追求精度時(shí)選用;而克里金插值法是局部插值方法,適用于精度要求較高的場(chǎng)合。

建立三維的土層模型是開展巖土工程數(shù)字化基礎(chǔ)工作之一.文章介紹運(yùn)用柵格法在基于鉆孔數(shù)據(jù)情況下構(gòu)建土層三維模型.該方法能夠在建模中簡(jiǎn)單通過柵格層之間的運(yùn)算關(guān)系處理土層之間拓?fù)潢P(guān)系,能夠大大減少拓?fù)潢P(guān)系處理的計(jì)算量.在此以杭州地震小區(qū)劃項(xiàng)目中江北區(qū)三維建模工作為例,驗(yàn)證了該方法能有效滿足工程需要.

鑒于剖面是水文地質(zhì)中常見的、有價(jià)值的數(shù)據(jù)形式,提出了基于水文剖面的三維地質(zhì)建模方法,即\"剖面信息提取\

本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存資源及計(jì)算能力有限的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于線形四叉數(shù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)lod(levelofdetail)地形,采用分層分塊的方法來組織格網(wǎng)的地形數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度過程中的相關(guān)問題進(jìn)行了分析,實(shí)現(xiàn)了基于多分辨率lod的二維地形數(shù)據(jù)調(diào)度算法,較好地解決了嵌入式系統(tǒng)地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化問題。

在分析三維地質(zhì)體建模特點(diǎn)的前提下,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識(shí),提出了一種利用二維剖面構(gòu)建三維塊狀地質(zhì)模型的方法.該方法以用戶編輯的二維地質(zhì)剖面為輸入,尋找地質(zhì)塊體的拓?fù)潢P(guān)系,自動(dòng)構(gòu)建以地質(zhì)塊體為單元的塊狀三維地質(zhì)模型,且能夠讓用戶充分利用已有資料進(jìn)行交互式建模.應(yīng)用實(shí)例表明該方法簡(jiǎn)單有效,具有較強(qiáng)的實(shí)用性.

三維地質(zhì)建模與可視化是數(shù)字礦山的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)礦山生產(chǎn)、地學(xué)分析和資源評(píng)估具有重要的意義。以鉆孔信息和地質(zhì)剖面圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提出了基于剖面的三維地質(zhì)建模流程,建立了地質(zhì)體的面模型及其相應(yīng)的地質(zhì)塊段體模型,最終實(shí)現(xiàn)了“剖面-tin-塊段”(section-tin-block)面體混合構(gòu)模和科學(xué)計(jì)算可視化。對(duì)建模涉及的關(guān)鍵算法進(jìn)行了研究:提出“切開-縫合”法解決了形狀和頂點(diǎn)數(shù)目差異較大的相鄰剖面輪廓線重構(gòu)三維形體問題;研究了含島嶼多邊形的三角剖分算法,解決了含有夾石或孔洞的復(fù)雜地質(zhì)體構(gòu)模問題。

不規(guī)則三角網(wǎng)(tin),廣義三棱柱(gtp)和四面體(ten)是廣泛應(yīng)用于鉆井三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)模型。本文重點(diǎn)研究tin-gtp-ten混合建模方法,通過引入vtk作為可視化工具,利用vtk類庫中的相關(guān)建模函數(shù)以及其自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以點(diǎn)索引號(hào)集合來表達(dá)任意幾何體的特點(diǎn),對(duì)基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)的傳統(tǒng)三維地質(zhì)建模過程作了一些改進(jìn)。例如,通過在tin構(gòu)造方法上添加頂點(diǎn)排序步驟,使tin拓?fù)湫畔⒏迂S富。簡(jiǎn)化了gtp模型結(jié)構(gòu),使原來的6組拓?fù)潢P(guān)系只保留兩組,分別為修正的tin-gtp和gtp-頂點(diǎn),其中修正的tin-gtp拓?fù)潢P(guān)系能實(shí)現(xiàn)gtp快速剖分為四面體,用于模型顯示和空間操作分析。此外,利用vtk提供的蝶形細(xì)分方法來得到更加精細(xì)的模型體。實(shí)驗(yàn)表明,本文得到的tin-gtp-ten混合模型可以很好地完成整個(gè)模型系統(tǒng),也能實(shí)現(xiàn)線,面及體的快速查詢,模型數(shù)據(jù)的維護(hù)和更新也更為簡(jiǎn)便。

對(duì)幾種三維空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了比較,總結(jié)了克里格(kriging)插值方法在三維地質(zhì)體建模方面的種種優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,借助于gstl開源地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)庫和wxwidgets界面庫,在dev-cpp開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了一個(gè)三維礦體數(shù)據(jù)的克里格插值系統(tǒng),為礦體的三維可視化提供了數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了kriging插值、變異函數(shù)擬合模型擬合程度的驗(yàn)證—交叉驗(yàn)證以及特定格式的結(jié)果輸出等功能。

近年來gis技術(shù)作為關(guān)鍵的空間信息方法,被廣泛應(yīng)用于地理信息相關(guān)的多門類行業(yè)。其中,礦山三維地質(zhì)建模主要是在傳統(tǒng)三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上,吸收了大量先進(jìn)的科學(xué)信息技術(shù),并有效利用地質(zhì)建模軟件構(gòu)建出基于gis的多元化、多方法的新型三維地質(zhì)建模方法,其能夠在一定程度上保持礦山數(shù)據(jù)在空間與時(shí)間上的統(tǒng)一,提高礦山管理的數(shù)字化程度,使其生產(chǎn)過程能夠更加的安全、可靠。本文主要圍繞應(yīng)用gis的礦山三維地質(zhì)建模方法進(jìn)行了探討分析,以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員的后續(xù)工作提供一些借鑒意義。

http://www.***.*** 基于imagis的三維建模方法研究1 陳玉萍，武文波 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新（123000） e-mail：clark929@sohu.com 摘要：作者首先對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何糾正和數(shù)字化，然后利用三維地理信息系統(tǒng)軟件 imagis3.0,對(duì)數(shù)字化地圖進(jìn)行預(yù)處理、三維建模、紋理粘貼，建立了遼寧工程技術(shù)大學(xué)三 維景觀模型，實(shí)現(xiàn)了基于imagis的三維建模方法的研究，并就有關(guān)問題進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞：imagis；數(shù)字地圖；三維建模；紋理粘貼 1.引言 近年來隨著城市規(guī)劃、交通、旅游、政府決策等部門對(duì)現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)表現(xiàn)需求的日益 增加,三維gis已成為國(guó)內(nèi)外gis界的研究熱點(diǎn)。三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了 抽象的地圖符號(hào)，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號(hào)化、空間信息水平化和

針對(duì)圍斜內(nèi)傾的\"漏斗\"狀火山口三維地質(zhì)建模問題,提出了基于地質(zhì)剖面進(jìn)行火山口三維地質(zhì)建模的方法。首先對(duì)火山口地表地質(zhì)界線和剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配提取三維地質(zhì)界線,然后根據(jù)三維地質(zhì)界線\"平緩\"或\"陡峭\"等特點(diǎn)提出不同的地質(zhì)界面建模方案。具體以福建鎮(zhèn)前幅石門火山口為例,用常規(guī)方法建立的角礫流紋巖界面存在\"尖點(diǎn)\"現(xiàn)象,且不經(jīng)過原始的地質(zhì)界線。采用biharmonic樣條模擬得到的地質(zhì)界面光滑且貼合效果較好,但發(fā)現(xiàn)其對(duì)平緩的角礫流紋巖界面建模有效,對(duì)于陡峭的火山角礫巖界面建模會(huì)出現(xiàn)形態(tài)突變的情況,為此提出將陡峭的三維地質(zhì)界線數(shù)據(jù)按照空間三角網(wǎng)的形式組織,采用基于空間三角網(wǎng)的改進(jìn)clough-tocher算法進(jìn)行空間建模。最后,地質(zhì)界面加上地形和底面約束封閉成火山口地質(zhì)體模型。

地質(zhì)剖面是三維地質(zhì)建模的重要數(shù)據(jù)源,運(yùn)用地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法應(yīng)用較為廣泛。在模型構(gòu)建之前,統(tǒng)一確定模數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和比例足,建立原始資料數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵是不同地質(zhì)界面。本文詳細(xì)介紹了模型邊界面、斷層面、地層界面、巖體界面等4種主要地質(zhì)界面的構(gòu)建流程與方法,尤其對(duì)褶皺構(gòu)造、地層界面的斷層效應(yīng)、復(fù)雜巖體界面等的構(gòu)建進(jìn)行了重點(diǎn)闡述按模型邊界面(模型的底界面和四周邊界面)、dem面、斷層面、其他地質(zhì)界面的順序依次構(gòu)建地質(zhì)界面,構(gòu)建斷層面和其他地質(zhì)界面時(shí)嚴(yán)格按先新后老的順序。運(yùn)用已構(gòu)建好的地質(zhì)界面按先新后老的順序逐個(gè)、依次建立單個(gè)地質(zhì)體,再將所有地質(zhì)體的面模型組合成整個(gè)模型的面模型。通過對(duì)面模型進(jìn)行網(wǎng)格(實(shí)體)填充和對(duì)網(wǎng)格賦予相應(yīng)的屬性值,最終構(gòu)建三維地質(zhì)模型。

隨著數(shù)字化測(cè)量的發(fā)展，三維激光掃描儀能夠快速地以多角度、高效、高精度方式獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)，可以用于校園典型建筑物的三維建模。以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的國(guó)立西南聯(lián)合大學(xué)紀(jì)念碑和國(guó)立昆明師范學(xué)院紀(jì)念柱為典型建筑物三維建模對(duì)象，首先采用徠卡p40三維激光掃描儀采集它的三維點(diǎn)云信息，然后利用cyclone軟件對(duì)多站式點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、統(tǒng)一化和去燥，將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入geornagicstudio軟件．對(duì)其進(jìn)行封裝、孔洞填充、平滑等相關(guān)處理，構(gòu)建其三維模型并對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，最終完成校園典型建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建。該三維建模流程方法對(duì)校園典型建筑物的三維建?？扇〉幂^好的效果。

由于深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、地質(zhì)信息的不確定性,使得三維地質(zhì)模型一直存在可信度問題。通過多元數(shù)據(jù)的綜合分析、對(duì)比、相互約束,能夠較為準(zhǔn)確的控制深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)與隱伏地質(zhì)體,進(jìn)而提升地質(zhì)模型可信度。該方法在銅陵礦集區(qū)建模工作中取得較好效果。

隨著淺地表礦床發(fā)現(xiàn)的難度增大,資源勘查深度增加,三維建模技術(shù)在深部找礦中作用更加突出。三維地質(zhì)模型的精確程度直接決定了對(duì)地質(zhì)背景及成礦條件的認(rèn)知程度,為此提出了一套基于航磁資料處理與三維可視化相結(jié)合的三維地質(zhì)建模技術(shù)。對(duì)研究區(qū)選取適當(dāng)剖面進(jìn)行二維反演,獲得各剖面地質(zhì)模型。通過剖面相連法構(gòu)建各地質(zhì)單元的三維地質(zhì)模型后,引入起伏地形三維塊體磁場(chǎng)正演技術(shù),對(duì)構(gòu)建的三維初始模型正演計(jì)算,從而獲取全區(qū)三維地質(zhì)模型及各地質(zhì)單元的航磁異常理論響應(yīng)。與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析后,合理添加地質(zhì)約束條件,重新修正模型,使得構(gòu)建的模型最大程度接近實(shí)際情況,這樣模型既能很好地反映地質(zhì)信息,又能滿足觀測(cè)場(chǎng)與理論場(chǎng)的擬合誤差最小,最大限度發(fā)揮地質(zhì)學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)區(qū)域地質(zhì)的理解。利用主塊體和次級(jí)塊體思想對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行剖分建模,在保證模型精度的同時(shí),減少總的模型塊體個(gè)數(shù),大幅提高模型正演運(yùn)算速度,有效解決三維反演建模方法在建模過程中對(duì)模型復(fù)雜度和規(guī)模的限制,可方便構(gòu)建形態(tài)復(fù)雜、不同規(guī)模的三維地質(zhì)模型。并將該方法應(yīng)用于湖北大冶鐵礦區(qū),構(gòu)建大冶鐵礦研究區(qū)三維地質(zhì)模型,驗(yàn)證了該方法的可行性及合理性。

隨著淺地表礦床發(fā)現(xiàn)的難度增大，資源勘查深度增加，三維建模技術(shù)在深部找礦中作用更加突出。三維地質(zhì)模型的精確程度直接決定了對(duì)地質(zhì)背景及成礦條件的認(rèn)知程度，為此提出了一套基于航磁資料處理與三維可視化相結(jié)合的三維地質(zhì)建模技術(shù)。對(duì)研究區(qū)選取適當(dāng)剖面進(jìn)行二維反演，獲得各剖面地質(zhì)模型。通過剖面相連法構(gòu)建各地質(zhì)單元的三維地質(zhì)模型后．引入起伏地形三維塊體磁場(chǎng)正演技術(shù)。對(duì)構(gòu)建的三維初始模型正演計(jì)算，從而獲取全區(qū)三維地質(zhì)模型及各地質(zhì)單元的航磁異常理論響應(yīng)。與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析后，合理添加地質(zhì)約束條件，重新修正模型，使得構(gòu)建的模型最大程度接近實(shí)際情況．這樣模型既能很好地反映地質(zhì)信息，又能滿足觀測(cè)場(chǎng)與理論場(chǎng)的擬合誤差最小，最大限度發(fā)揮地質(zhì)學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)區(qū)域地質(zhì)的理解。利用主塊體和次級(jí)塊體思想對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行剖分建模．在保證模型精度的同時(shí)，減少總的模型塊體個(gè)數(shù)，大幅提高模型正演運(yùn)算速度，有效解決三維反演建模方法在建模過程中對(duì)模型復(fù)雜度和規(guī)模的限制，可方便構(gòu)建形態(tài)復(fù)雜、不同規(guī)模的三維地質(zhì)模型。并將該方法應(yīng)用于湖北大冶鐵礦區(qū)，構(gòu)建大冶鐵礦研究區(qū)三維地質(zhì)模型．驗(yàn)證了該方法的可行性及合理性。

在數(shù)值模擬分析中,數(shù)值模型與實(shí)際地質(zhì)模型是否吻合,直接影響著分析的可靠性。本文通過對(duì)眾多礦山數(shù)值模擬分析資料進(jìn)行匯總提煉,總結(jié)出四種建立礦山三維數(shù)值模型的建模方法:塊體堆積建模法、面拉伸建模法、坐標(biāo)建模法和質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)建模法。同時(shí)對(duì)露天礦山、淺部地下礦山和深部地下礦山各自數(shù)值模擬研究中建模方法的選擇給出了合理的建議,可為類似研究提供參考。

將指路標(biāo)志劃分為各種路標(biāo)指示項(xiàng).結(jié)合道路網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),定義了路標(biāo)指示項(xiàng)的狀態(tài)函數(shù)集,并把路標(biāo)指示項(xiàng)分為狀態(tài)性標(biāo)識(shí)、連接性標(biāo)識(shí)和方向性標(biāo)識(shí)3類.交叉口是指路標(biāo)志必須反映的本質(zhì)特征,也是指路標(biāo)志建模的關(guān)鍵.基于交叉口特征函數(shù)集的指路標(biāo)志建模方法是通過交叉口特征函數(shù)的運(yùn)算確定路標(biāo)指示項(xiàng)的狀態(tài)函數(shù)集.以實(shí)際路網(wǎng)交叉口為例,構(gòu)建了連接性標(biāo)識(shí)模型.