CN105719346B - 山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统，首先，搜集山地区域的多元数据；其次，依据精度获得三维地质模型的点模型；再次，建立面模型和体模型，三棱柱模型会蜕变为金字塔模型、不规则四面体模型以及平面模型，具有很高的自适应性；最后，结合研究区域的综合地学信息与所建立的三维地质模型进行综合立体演示。本发明具有建模速度快，渲染速度快，适用于地质的三维建模；能够实现三维地质模型与综合地学信息的单独显示。本发明可应用于矿区建模、区域地质建模；支持包括地震勘探等多种地球物理数据建模，可用于地质及地球物理实验教学和实习，也可用于多种地球物理方法比对实验研究。

Description

山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统

技术领域：

本发明涉及一种三维地质体建模及演示。尤其适用于山地环境下的地质体模型的快速构建及包括地质、钻探、地震等综合地学信息立体演示。

背景技术：

传统的表示地质勘探成果方法主要通过地质图和地质剖面图等二维图件，难以直观、生动地对地质体进行三维表达和演示，从而给地质工作者带来诸多困难。随着地质勘探的不断深入，人们对地质体了解的需要日益增加，通过计算机可视化技术对地质体进行三维建模和立体演示，成为当前地学领域的热点和难点之一。

对于地形起伏简单的山地区域三维地质体建模，其实现容易。而对于地形复杂的山地区域三维地质建模，其实现困难。目前，CN103236088A公开了《基于复合网格的三维地质体构造建模方法与系统》，该专利采用复合网格，使用四面体填充。其建模方法所采用的数据源为钻探数据，对于钻探数据密集情况下的矿山建模可以采用该方法。对于区域地质建模，由于没有或很少有大量的钻探数据，因此该建模方法使用受到了很大限制。CN101051394公开了《一种基于地球物理场数据的地质体三维可视化系统》，该专利采用四面体模型对现有的高密度电法数据和大地电磁测深数据进行三维地质体构造。其建模方法所采用的数据源为高密度电法数据和大地电磁测深数据，无法实现通过地震勘探以及其他地球物理方法及地质方法获得的地质体数据的建模保证地质要求。另外上述专利均采用了四面体模型，没有针对研究区域地质体的复杂性有针对性的采用相适应的体模型构造，虽然可以表示复杂三维地质体，因模型数据量大，不利于快速的进行模型交互设计、调整和显示，难以满足山地区域三维地质体的快速建模需求。此外，在模型及综合地学信息展示方面，上述专利仅支持地质体模型演示，而本质上地质、钻探、地震及其他地球物理数据均存在相关性，依靠一种或少量几种数据源建模又存在多解性，为了获得更可靠的地质体模型，以及支持多种地球物理实验方法的对比研究及地球物理仪器比对研究，需要一种基于地质、钻探、多种地球物理数据的多元地学信息建模方法及演示系统，目前还没有这样的技术。

发明内容：

本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种适用于山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统，尤其适用于山地地质体。可以快速的实现对山地地质体的三维模型的快速构建以及与综合地学信息的同时演示。

本发明的主要思想是：首先，搜集研究山地区域的多元数据，即综合地学信息，具体包括地质、钻探、地震、电法、遥感等数据，依据上述资料建立三维地质体解释结果。其次，定义默认的三维地质体模型精度，依据该精度获得三维地质模型的点模型，使其满足精度要求，同时有效减少了计算机负荷，从而提高了三维模型的演示速度。再次，建立面模型和体模型，其中面模型可以采用Delaunay三角网，体模型采用三棱柱模型，对地表起伏简单的山地区域直接采用三棱柱模型，对地表起伏复杂的山地区域，三棱柱模型会进行自动蜕变，可蜕变为金字塔模型、不规则四面体模型以及平面模型，具有很高的自适应性，从而可以提高系统的三维建模速度。最后，结合研究区域的综合地学信息与所建立的三维地质模型进行综合立体演示。

本发明是通过以下技术方案实现的：

山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统，包括以下步骤：

a、搜集研究山地区域的多元数据，即综合地学信息，具体包括地质、钻探、地震、电法、遥感等数据。通过对上述数据联合解释，获得三维地质体解释结果；

b、建立点模型，针对三维地质体的模型精度要求，建立水平网格，其中单位网格为正方形，定义正方形边长为其中为模型精度，代表单位面积内模型所包含的点数,意味着模型在水平面方向上每平方米包含一个点；

c、不妨设三维地质体由浅及深包含的地层分界面数为n，则该模型包含n-1个地层，设水平网格数为l₀，将水平网格分别投影到各分界面，则各水平网格中心点位置在各分界面上的投影点集合记为P＝P₁∪P₂∪…∪P_i∪…∪P_n，其中为P_i为第i个分界面点集，i∈[1,n]，P_i＝{V_i,j|j＝1,2,…l₀}，V_i,j代表第i个分界面中的第j个点，j∈[1,l₀]。根据步骤a获得的解释结果定义V_i,j,用三维空间坐标表示为V_i,j＝{(x_i,j,y_i,j,z_i,j)}，P即是三维地质体的点模型；

d、建立基于Delaunay三角剖分的三维地质体面模型，所谓面模型即对每个地层分界面建立空间三角网，该三角网由若干三角形连接而成，分界面上的全部点均在三角网的各顶点上。构建Delaunay三角网有多种算法，本专利采用逐点插入法，具体方法如下：

d1、定义集合R_j＝{M_j|j＝1,2,…l₀}，M_j代表二维点集，可表示为M_j＝{(x_1,j,y_1,j)}，构建超级ΔABC，使R_j的全部顶点均在ΔABC内部。先插入点M₁，连接AM₁、BM₁和CM₁得到三个三角形：ΔABM₁、ΔBCM₁和ΔACM₁，则当前三角网由上述三个三角形组成；

d2、插入点M₂，若M₂落在某一个三角形内部，不妨设该三角形为ΔA′B′C′，则连接A′M₂、B′M₂和C′M₂，在三角网中删除ΔA′B′C′，加入ΔA′M₂B′、ΔB′M₂C′和ΔA′M₂C′；若M₂落在某一个三角形边上，不妨设该边为A″B″则三角网内一定存在ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，连接C″M₂和D″M₂，在三角网中删除ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，增加ΔA″D″M₂、ΔD″B″M₂、ΔA″C″M₂和ΔC″B″M₂；

d3、类似地插入M₃…M_l0所有点，则得到一个平面超级三角网，设其三角形的个数为m，则该平面三角网记为T＝{T_k|k＝1,2,…m}；

d4、将T投影至各分界面上得到对应不同分界面的空间三角网，记为S＝S₁∪S₂∪…∪S_i∪…∪S_n，其中S₁…S_n为对应n个分界面的n个空间三角网，其中第i层三角网S_i由m个空间三角形组成，每个空间三角形顶点的x、y坐标与其对应的平面三角形顶点的x、y坐标一致，其z坐标为对应的平面三角形在各分界面投影的z坐标，S即为三维地质体面模型；

e、建立基于三棱柱的体模型，在上述面模型中选取由浅部起第一分界面的空间三角网S₁内任一三角形，不妨设其三个顶点为和其中d₁、d₂和d₃为分界面相应顶点序号，其中d₁∈[1,l₀]、d₂∈[1,l₀]、d₃∈[1,l₀]；再选取其下一分界面对应的三角形，不妨记顶点坐标为和分别连接和得到三棱柱根据地质解释结果对三棱柱进行地层属性填充，类似地可完成第一分界面和第二分界面之间所有的三棱柱填充，从而得到第一个地层的体模型；

f、用步骤e中得到第一层体模型的方法填充其余n-2个地层，从而完成整个三维地质体模型的构建；

g、地质体三维模型演示，主要包括以下g1-g6内容；

g1、地质体三维模型的演示可通过三种途径，具体分为PC客户端，Web浏览器和移动客户端；

g2、模型演示可选择不同的显示方式，具体包括点模式，线模式和体模式；

g3、支持对地质体三维模型进行平面切割；

g4、支持对地质体三维模型进行柱体切割；

g5、支持对地质体三维模型进行虚拟钻孔提取；

g6、上述演示均可通过鼠标滚轮，实现对当前模型的放大和缩小；

h、地质体三维模型与综合地学信息同时演示，主要包含h1-h3内容；

h1、地质体三维模型与单一地学信息同时显示，从数据库中调用钻孔信息，地震勘探信息、电法勘探信息、磁法勘探信息等其中一种，根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h2、地质体三维模型与多元地学信息同时显示，从数据库中调用钻孔信息，地震勘探信息、电法勘探信息、磁法勘探信息等多元地学信息，根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h3、支持用一模型区域内不同仪器信息对比显示。

有益效果：经试验，本发明能够利用地质、钻探、包括地震勘探等地球物理方法获得的多元数据建模，由于多元数据之间可以进行互相约束，能够增加三维模型的可靠性。采用三棱柱模型，能够根据模型的复杂程度，自适应地改变三棱柱形态，适应变化的建模需求。本发明具有建模速度快，渲染速度快，不仅适用于山地地质的三维建模，同样适用于非山地地质的三维建模；在演示方面，能够支持实现三维地质模型与综合地学信息的单独显示、同时显示及比对显示要求。在具体地质应用方面，本发明可应用于矿区建模、区域地质建模；在地球物理方法应用方面，本发明支持包括地震勘探等多种地球物理数据建模，可用于地球物理方法联合解释及地球物理建模和演示；在应用领域上，本发明可用于地质及地球物理实验教学和实习，也可用于多种地球物理方法比对实验研究。由于地学仪器及方法不断进步，当前地质建模已经进入多元数据建模阶段，本发明在今后的各种以地质建模以及三维地质及地球物理模型演示方面发挥更大的作用。

附图说明：

图1 山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统结构框图

图2 山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统构架图

图3 Delaunay三角剖分过程示意图

图4 山地地质体三维模型展示图

图5 山地地质体三维模型平面切割效果图

图6 山地地质体三维模型柱体切割效果图

图7 山地地质体三维模型虚拟钻孔效果图

图8 山地地质体三维模型与单一地学信息同时展示效果图

图9 山地地质体三维模型与多元地学信息同时展示效果图

图10 不同仪器比对信息展示效果图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：

山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统，包括以下步骤：

a、搜集研究山地区域的多元数据，即综合地学信息，具体包括地质、钻探、地震、电法、遥感等数据。通过对上述数据联合解释，获得三维地质体解释结果；

b、建立点模型，针对三维地质体的模型精度要求，建立水平网格，其中单位网格为正方形，定义正方形边长为取λ＝1；

c、将水平网格分别投影到各分界面，则各水平网格中心点位置在各分界面上的投影点集合记为P＝P₁∪P₂∪…∪P_i∪…P₇，其中为P_i为第i个分界面点集，i∈[1,7]，P_i＝{V_i,j|j＝1,2,…1036}，V_i,j代表第i个分界面中的第j个点。根据步骤a获得的解释结果定义V_i,j，用三维空间坐标表示为V_i,j＝{(x_i,j,y_i,j,z_i,j)}，P即是三维地质体的点模型；

d、建立基于Delaunay三角剖分的三维地质体面模型，所谓面模型即对每个地层分界面建立空间三角网，该三角网由若干三角形连接而成，分界面上的全部点均在三角网的各顶点上。构建Delaunay三角网有多种算法，本专利采用逐点插入法，具体方法如下：

d1、定义集合R_j＝{M_j|j＝1,2,…1036}，M_j代表二维点集，可表示为M_j＝{(x_1,j,y_1,j)}，构建超级ΔABC，使R_j的全部顶点均在ΔABC内部。先插入点M₁，连接AM₁、BM₁和CM₁得到三个三角形：ΔABM₁、ΔBCM₁和ΔACM₁，则当前三角网由上述三个三角形组成；

d2、插入点M₂，若M₂落在某一个三角形内部，不妨设该三角形为ΔA′B′C′，则连接A′M₂、B′M₂和C′M₂，在三角网中删除ΔA′B′C′，加入ΔA′M₂B′、ΔB′M₂C′和ΔA′M₂C′；若M₂落在某一个三角形边上，不妨设该边为A″B″则三角网内一定存在ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，连接C″M₂和D″M₂，在三角网中删除ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，增加ΔA″D″M₂、ΔD″B″M₂、ΔA″C″M₂和ΔC″B″M₂；

d3、类似地插入M₃…M₁₀₃₆所有点，则得到一个平面超级三角网，设其三角形的个数为m，则该平面三角网记为T＝{T_k|k＝1,2,…2037}；

d4、将T投影至各分界面上得到对应不同分界面的空间三角网，记为S＝S₁∪S₂∪…∪S_i∪…∪S_n，S即为三维地质体面模型；

e、建立基于三棱柱的体模型，在上述面模型中选取由浅部起第一分界面的空间三角网S₁内任一三角形，不妨设其三个顶点为和其中d₁、d₂和d₃为分界面相应顶点序号，其中d₁∈[1,l₀]、d₂∈[1,l₀]、d₃∈[1,l₀]；再选取其下一分界面对应的三角形，不妨记顶点坐标为和分别连接和得到三棱柱根据地质解释结果对三棱柱进行地层属性填充，类似地可完成第一分界面和第二分界面之间所有的三棱柱填充，从而得到第一个地层的体模型；

f、用步骤e中得到第一层体模型的方法填充其余5个地层，从而完成整个三维地质体模型的构建；

g、地质体三维模型演示，主要包括以下g1-g6内容；

g1、地质体三维模型的演示可通过三种途径，具体分为PC客户端，Web浏览器和移动客户端；

g2、模型演示可选择不同的显示方式，具体包括点模式，线模式和体模式；

g3、支持对地质体三维模型进行平面切割；

g4、支持对地质体三维模型进行柱体切割；

g5、支持对地质体三维模型进行虚拟钻孔提取；

g6、上述演示均可通过鼠标滚轮，实现对当前模型的放大和缩小；

h、地质体三维模型与综合地学信息同时演示，主要包含h1-h3内容；

h1、地质体三维模型与单一地学信息同时展示，从数据库中调用地震勘探信息，包括4条地震勘探线，分别是902、903、904和905线。902线的大地起点坐标是(289091.43,4513033.11,4000)，终点坐标是(289331.73,4525001.29,4000)；903线的大地起点坐标是(285921.68,4518389.95,4000)，终点坐标是(294699.52,4516151.28,4000)；904线的大地起点坐标是(291391.86,4511571.57,4000)，终点坐标是(291062.93,4523234.75,4000)；905线的大地起点坐标是(284736.86,4523502.25,4000)，终点坐标是(293622.60,4518451.25,4000)；根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h2、地质体三维模型与多元地学信息同时展示，从数据库中调用钻孔信息，包括4口井，分别是JK1、JK2、JK3和JK4井。JK1井的大地坐标是(291153.93,4519884.39,3000)，JK2井的大地坐标是(289477.97,4521012.40,3000)，JK3井的大地坐标是(290889.13,4517668.95,3000)，JK4井的大地坐标是(289090.72,4519226.68,3000)；地震勘探信息，包括4条地震勘探线，分别是902、903、904和905线。902线的大地起点坐标是(289091.43,4513033.11,4000)，终点坐标是(289331.73,4525001.29,4000)；903线的大地起点坐标是(285921.68,4518389.95,4000)，终点坐标是(294699.52,4516151.28,4000)；904线的大地起点坐标是(291391.86,4511571.57,4000)，终点坐标是(291062.93,4523234.75,4000)；905线的大地起点坐标是(284736.86,4523502.25,4000)，终点坐标是(293622.60,4518451.25,4000)；根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h3、支持用一模型区域内不同仪器信息对比显示，从数据库调用吉林大学无缆自定位地震仪与法国Sercel428XL在研究区域800线深浅层叠加剖面信息。

Claims (1)

1.一种山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统，包括以下步骤：

a、搜集研究山地区域的多元数据，即综合地学信息，具体包括地质、钻探、地震、电法、遥感数据，通过对上述数据联合解释，获得三维地质体解释结果；

b、建立点模型，针对三维地质体的模型精度要求，建立水平网格，其中单位网格为正方形，定义正方形边长为其中为模型精度，代表单位面积内模型所包含的点数，意味着模型在水平面方向上每平方米包含一个点；

c、不妨设三维地质体由浅及深包含的地层分界面数为n，则该模型包含n-1个地层，设水平网格数为l₀，将水平网格分别投影到各分界面，则各水平网格中心点位置在各分界面上的投影点集合记为P＝P₁UP₂UL UP_iUL UP_n，其中为P_i为第i个分界面点集，i∈[1,n]，P_i＝{V_i,j|j＝1,2,L l₀}，V_i,j代表第i个分界面中的第j个点，j∈[1,l₀]，根据步骤a获得的解释结果定义V_i,j,用三维空间坐标表示为V_i,j＝{(x_i,j,y_i,j,z_i,j)}，P即是三维地质体的点模型；

d、建立基于Delaunay三角剖分的三维地质体面模型，所谓面模型即对每个地层分界面建立空间三角网，该三角网由若干三角形连接而成，分界面上的全部点均在三角网的各顶点上，构建Delaunay三角网有多种算法，采用逐点插入法，具体方法如下：

d1、定义集合R_j＝{M_j|j＝1,2,L l₀}，M_j代表二维点集，可表示为M_j＝{(x_1,j,y_1,j)}，构建超级ΔABC，使R_j的全部顶点均在ΔABC内部，先插入点M₁，连接AM₁、BM₁和CM₁得到三个三角形：ΔABM₁、ΔBCM₁和ΔACM₁，则当前三角网由上述三个三角形组成；

d2、插入点M₂，若M₂落在某一个三角形内部，不妨设该三角形为ΔA′B′C′，则连接A′M₂、B′M₂和C′M₂，在三角网中删除ΔA′B′C′，加入ΔA′M₂B′、ΔB′M₂C′和ΔA′M₂C′；若M₂落在某一个三角形边上，不妨设该边为A″B″则三角网内一定存在ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，连接C″M₂和D″M₂，在三角网中删除ΔA″B″C″和ΔA″B″D″，增加ΔA″D″M₂、ΔD″B″M₂、ΔA″C″M₂和ΔC″B″M₂；

d3、类似地插入M₃L所有点，则得到一个平面超级三角网，设其三角形的个数为m，则该平面三角网记为T＝{T_k|k＝1,2,L m}；

d4、将T投影至各分界面上得到对应不同分界面的空间三角网，记为S＝S₁US₂UL US_iULUS_n，其中S₁L S_n为对应n个分界面的n个空间三角网，其中第i层三角网S_i由m个空间三角形组成，每个空间三角形顶点的x、y坐标与其对应的平面三角形顶点的x、y坐标一致，其z坐标为对应的平面三角形在各分界面投影的z坐标，S即为三维地质体面模型；

e、建立基于三棱柱的体模型，在上述面模型中选取由浅部起第一分界面的空间三角网S₁内任一三角形，不妨设其三个顶点为和其中d₁、d₂和d₃为分界面相应顶点序号，其中d₁∈[1,l₀]、d₂∈[1,l₀]、d₃∈[1,l₀]；再选取其下一分界面对应的三角形，不妨记顶点坐标为和分别连接和得到三棱柱根据地质解释结果对三棱柱进行地层属性填充，类似地可完成第一分界面和第二分界面之间所有的三棱柱填充，从而得到第一个地层的体模型；

f、用步骤e中得到第一层体模型的方法填充其余n-2个地层，从而完成整个三维地质体模型的构建；

g、地质体三维模型演示，主要包括以下g1-g6内容；

g1、地质体三维模型的演示可通过三种途径，具体分为PC客户端，Web浏览器和移动客户端；

g2、模型演示可选择不同的显示方式，具体包括点模式，线模式和体模式；

g3、支持对地质体三维模型进行平面切割；

g4、支持对地质体三维模型进行柱体切割；

g5、支持对地质体三维模型进行虚拟钻孔提取；

g6、上述演示均可通过鼠标滚轮，实现对当前模型的放大和缩小；

h、地质体三维模型与综合地学信息同时演示，主要包含h1-h3内容；

h1、地质体三维模型与单一地学信息同时显示，从数据库中调用钻孔信息，地震勘探信息、电法勘探信息、磁法勘探信息其中一种，根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h2、地质体三维模型与多元地学信息同时显示，从数据库中调用钻孔信息，地震勘探信息、电法勘探信息、磁法勘探信息多元地学信息，根据地学数据对应的大地坐标与三维地质体模型同时显示；

h3、支持用一模型区域内不同仪器信息对比显示。