CN111612903A - 一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，涉及地质勘察技术领域。本发明三维地质体模型在构建三维模型时，采用不规则四面体结构TEN和三角面TIN混合数据模型进行联合建模，采用混合数据结构综合了TIN和TEN的优点，能够快速形成三维空间实体的轮廓，便于显示和数据更新；精确的表达空间实体的边界；进行有效地空间分析，最大限度地弥补了单一数据结构的缺陷，既具有灵活高效的拓扑关系，又可以充分利用映射和光线跟踪等可视化算法，因此具有较强的通用性和柔韧性，不仅可以提高地对三维实体表达的精度，而且还能更好的适应三维拓扑的复杂性，能够胜任各种不同复杂程度的三维地质建模。

Description

一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法

技术领域

本发明涉及地质勘察技术领域，尤其涉及一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法。

背景技术

三维空间数据模型分为基于体元的数据模型(三维栅格结构、八叉树、不规则四面体结构TEN等)、基于边界的数据模型(格网模型Grid、面片结构TIN、三维适量数据结构等)、混合数据模型(Octree+TEN、TIN+CSG、Octree+TIN、面向对象的数据模型等)。基于体元的数据模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大，运算速度慢；基于边界面的数据模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。混合数据模型将两种或两种以上的数据模型加以综合，能够适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。采用混合数据模型，处理三维几何和拓扑的复杂性，对多变的三维空间信息进行完整有效的描述，不是为一个可行途径。

三维可视化地质建模技术在工程地质应用中具有前沿性。而三维模型所能达到的准确程度，对于工程分析、判断和决策所产生的影响极大。常规的三维地质建模方法通过大量简化地质条件来降低建模复杂度，仅适用岩层单一、地质构造简单的区域，而无法精确描述诸如断层、微构造、隔夹层等复杂特殊地质现象。本次研究将研究区已有地质资料进行整合分析，针对复杂地质构造条件下三维地质建模中的关键技术和建模方法进行了探索性研究，形成一套以地层构造三维展布为整体框架，以岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素，钻孔数据作为层面的控制要素，由面成体构建研究区三维地质模型的技术方法流程。目标在于通过对获得的钻孔地质分层资料及地质剖面图等地层结构的信息进行分析，认识地质结构，经过统一的人为分层处理，重现研究区工程地质实体三维结构的可视化模型，为工程地质分区评价提供基础地质依据。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法；

本发明所采取的技术方案是：

一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，包括如下步骤：

步骤1：生成地表模型；将研究区的数字高程模型、数字地形图和离散钻孔点和工程区域范围线，通过格式转换和投影变换，将其统一到规定坐标系统和格式，以点(X，Y，H)模式将离散钻孔转换为点集，存储至文本文件进行预处理，生成三维地表模型，其中X为北坐标，Y为东坐标，H为以1956年黄海高程系为基准的高程值；

步骤2：制定区域标准地层表；分析地质发展历史与地质年代信息，结合野外勘察中钻孔原始分层数据、研究区测绘资料、地质力学理论，迭代建立区域标准地层，修改完善已有的标准地层，统计出该区域所有的地层信息，按照地层沉积年代进行统一编号，得到该区域的“标准地层表”；

步骤3：钻孔建模；通过钻孔模型，对空间位置处地层真实分布情况进行勘察；

步骤3.1：根据原始钻孔分层信息绘制所有典型剖面图，完成钻孔之间的地层对比；

步骤3.2：根据绘制的剖面图，结合步骤2中“标准地层表”，调整钻孔数据的分层，对剖面图上每个地层赋予标准地层代号；

步骤3.3：钻孔地层确定之后，根据钻孔的空间位置、钻孔深度和孔径大小，绘制钻孔三维模型，所述钻孔三维模型上的不同颜色，代表不同编号的地层；

步骤4：地层建模；将钻孔数据、岩层出露线和地层产状作为地层层面的控制要素，进行三维空间插值建模，其具体步骤为：

步骤4.1：通过钻孔对比和剖面中地层的岩性、岩相、厚度与变形信息，确定研究区域的地层系统；

步骤4.2：选择钻孔、岩层出露线，采用光滑离散插值(DSI)方法进行空间插值；

步骤4.3：对相交、尖灭和缺失的地层层面，进行校验处理，消除地层层面不合理之处；

步骤4.4：将地层层面校验处理完毕后，按地层自下而上的顺序，从各地层三角面TIN开始，依次与上层层面进行求交运算，不断新增地层控制点，修正TIN面；

步骤5：生成地质体；根据步骤4生成的地质层面TIN，转化为三维体，生成地质体；其具体步骤为：

步骤5.1：采用Delaunay缝合算法将相临地层的TIN面转化成多层三棱柱空间模型；

步骤5.2：根据钻孔上的地层节点，进行三棱柱四面体化，得到的不规则四面体结构TEN作为三维单元；

步骤5.3：剔除生成的TEN中的重合面，与所述步骤4修正后的TIN结合，得到该区域的三维地质体模型；

步骤5.4：三维模型体素化，将上述生成的三维地质体模型空间划分为均匀的网格，每个网格携带独立的属性值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出的一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，三维地质体模型在构建三维模型时，采用不规则四面体结构TEN和三角面TIN混合数据模型进行联合建模，采用混合数据结构综合了TIN和TEN的优点，能够快速形成三维空间实体的轮廓，便于显示和数据更新；精确的表达空间实体的边界；进行有效地空间分析，最大限度地弥补了单一数据结构的缺陷，既具有灵活高效的拓扑关系，又可以充分利用映射和光线跟踪等可视化算法，因此具有较强的通用性和柔韧性，不仅可以提高地对三维实体表达的精度，而且还能更好的适应三维拓扑的复杂性，能够胜任各种不同复杂程度的三维地质建模。

附图说明

图1为本发明三维地质建模流程图；

图2为本发明实施例中钻孔建模效果图；

图3为本发明实施例中某一地层TIN面图；

图4为本发明实施例中采用TIN与TEN混合数据结构建模示意图；

图5为本发明实施例中完整地质体模型示意图；

图6为本发明实施实例中三维地质体模型体素化效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：生成地表模型；将研究区的1:500数字高程模型、1:500数字地形图和离散钻孔点和工程区域范围线，通过格式转换和投影变换为CGCS2000投影坐标。以钻孔点P₀点为例，钻孔点数据为(4623920.14，41535946.23，45.29)，其中第一位为北坐标X，第二位为东坐标Y，第三位为以1956年黄海高程系为基准的高程值H。将离散钻孔转换为点集，以点(X，Y，H)模式存储至文本文件进行预处理，生成三维地表模型；

步骤2：制定区域标准地层表；综合分析地质发展历史与地质年代信息，结合野外勘察中钻孔原始分层数据、研究区测绘资料、地质力学理论，迭代建立区域标准地层，修改完善已有的标准地层，统计出该区域所有的地层信息，按照地层沉积年代进行统一编号，得到该区域的“标准地层表”；

步骤3：钻孔建模；通过钻孔模型，对空间位置处地层真实分布情况进行勘察；

步骤3.1：根据原始钻孔分层信息绘制所有典型剖面图，完成钻孔之间的地层对比；

步骤3.2：根据绘制的剖面图，结合所述“标准地层表”，不断调整钻孔数据的分层，对剖面图上每个地层赋予标准地层代号；

步骤3.3：钻孔地层确定之后，根据钻孔的空间位置、钻孔深度和孔径大小，绘制钻孔三维模型，如图2所示，所述钻孔三维模型上的不同颜色，代表不同编号的地层；

步骤4：地层建模；相对于建模区域而言，由钻孔得到的地层分布极其有限，因此在建模过程中，将钻孔数据、岩层出露线和地层产状作为层面的控制要素，进行三维空间插值建模，其具体步骤为：

步骤4.1：通过钻孔对比和剖面中地层的岩性、岩相、厚度与变形信息，确定研究区域的地层系统；

步骤4.2：选择钻孔、岩层出露线，采用光滑离散插值(DSI)方法进行空间插值；钻孔数据多少决定着插值地层的精度，钻孔较少情况下，插值出的地层面可能穿透上下层面，需人工添加部分虚拟钻孔参与插值，优化层面空间形态。

步骤4.3：对相交、尖灭和缺失的地层层面，进行校验处理，消除这些不合理之处。根据建模精度要求，高精度建模时，采用“专家干预”，根据专家经验补充缺失的数据；低精度建模时，采用“钻孔处尖灭”和“钻孔间尖灭”两种自动插值方法处理。

步骤4.4：将上述特殊情况校验处理完毕后，按地层自下而上的顺序，从各地层三角面TIN开始，依次与上层层面进行求交运算，不断新增地层控制点，修正TIN面，修正后的TIN面又参与到后续的运算中，其中图3为某一地层TIN面效果图；

步骤5：生成地质体；根据步骤4生成的地质层面TIN，转化为三维体，生成地质体；其具体步骤为：

步骤5.1：采用Delaunay缝合算法将相临地层的TIN面转化成多层三棱柱空间模型；

步骤5.2：根据钻孔上的地层节点，进行三棱柱四面体化，得到的不规则四面体结构TEN作为三维单元，如图4所示；

步骤5.3：剔除生成的TEN中的重合面，与所述步骤4修正后的TIN结合，得到该区域的三维地质体模型，如图5所示，不仅可以精确表达空间实体的边界，而且还能进行有效地空间分析；

步骤5.4：三维模型体素化，将上述生成的三维地质体模型空间划分为均匀的网格，每个网格携带独立的属性值，此实施例以X方向5米，Y方向5米，H方向5米为体素化单位格网，每个格网的属性值为地层岩性名称，其实例效果如图6所示。属性可以在三维场景下渲染，便于观察分析，同时还易于导出，实现与专业分析软件交互。

地质钻孔作为地质原始数据，其特点在于采样的零散性和空间分布的离散性，三维GIS在构建三维模型时，采用不规则四面体结构(TEN)和三角面(TIN)混合数据模型进行联合建模，不仅可以提高地对三维实体表达的精度，而且还能更好的适应三维拓扑的复杂性。因此，采用混合数据模型，精确完整地对错综复杂的地下三维空间信息进行描述，作为一个行之有效的方法。

根据建模区域中的钻孔数据，统计出该区域内所有的地层信息，按照地层沉积年代进行统一编号，得到该区域的“标准地层表”，以钻孔空口位置为空间基准，结合地层高度，采用三角剖分算法，生成不规则三角TIN网，构建地层三维模型的上下表面，并进行TIN面相交处理，然后采用特定的算法将相临地层的TIN面“缝合”成多层三棱柱空间模型，根据钻孔上的地层节点，并进行三棱柱四面体化，得更加精细的TEN作为三维单元，最终得到该区域较高精度的三维地质体模型。TIN网能迅速构建三维实体表面的轮廓，便于数据刷新显示；TEN能够提高三维实体边界的表达精度，提高地空间分析成果的准确性。TIN与TEN混合空间数据建模，具有高效灵活的拓扑关系，可以快速构建出多尺度、多精度的三维地质模型。

需要指出的是，对不同类型和特性的地质数据，可能需要采用不同的建模方法。例如:常见的层状地质实体或者与层状地质体空间分布相关的地质数据具有沿地层方向的强约束条件，对其建模一般不宜采用常规的空间自动插值方法，可考虑使用几何建模方法或者进行人工交互建模。另外，由于地质问题的高度复杂性和多解性，地质建模应是一个反复迭代的过程，任何建模方法都应该允许并且需要用户进行必要的人工干预，期待采用一种建模方法完全自动的解决所有的地质建模问题是不切实际的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：生成地表模型；将研究区的数字高程模型、数字地形图和离散钻孔点和工程区域范围线，通过格式转换和投影变换，将其统一到规定坐标系统和格式，以点(X，Y，H)模式将离散钻孔转换为点集，存储至文本文件进行预处理，生成三维地表模型，其中X为北坐标，Y为东坐标，H为以1956年黄海高程系为基准的高程值；

步骤2：制定区域标准地层表；分析地质发展历史与地质年代信息，结合野外勘察中钻孔原始分层数据、研究区测绘资料、地质力学理论，迭代建立区域标准地层，修改完善已有的标准地层，统计出该区域所有的地层信息，按照地层沉积年代进行统一编号，得到该区域的“标准地层表”；

步骤3：钻孔建模；通过钻孔模型，对空间位置处地层真实分布情况进行勘察；

步骤4：地层建模；将钻孔数据、岩层出露线和地层产状作为地层层面的控制要素，进行三维空间插值建模；

步骤5：生成地质体；根据步骤4生成的地质层面TIN，转化为三维体，生成地质体。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：

步骤3.1：根据原始钻孔分层信息绘制所有典型剖面图，完成钻孔之间的地层对比；

步骤3.2：根据绘制的剖面图，结合步骤2中“标准地层表”，调整钻孔数据的分层，对剖面图上每个地层赋予标准地层代号；

步骤3.3：钻孔地层确定之后，根据钻孔的空间位置、钻孔深度和孔径大小，绘制钻孔三维模型，所述钻孔三维模型上的不同颜色，代表不同编号的地层。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：

步骤4.1：通过钻孔对比和剖面中地层的岩性、岩相、厚度与变形信息，确定研究区域的地层系统；

步骤4.2：选择钻孔、岩层出露线，采用光滑离散插值(DSI)方法进行空间插值；

步骤4.3：对相交、尖灭和缺失的地层层面，进行校验处理，消除地层层面不合理之处；

步骤4.4：将地层层面校验处理完毕后，按地层自下而上的顺序，从各地层三角面TIN开始，依次与上层层面进行求交运算，不断新增地层控制点，修正TIN面。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合数据模型的地质数据可视化方法，其特征在于：所述步骤5具体包括：

步骤5.1：采用Delaunay缝合算法将相临地层的TIN面转化成多层三棱柱空间模型；

步骤5.2：根据钻孔上的地层节点，进行三棱柱四面体化，得到的不规则四面体结构TEN作为三维单元；

步骤5.3：剔除生成的TEN中的重合面，与所述步骤4修正后的TIN结合，得到该区域的三维地质体模型；

步骤5.4：三维模型体素化，将上述生成的三维地质体模型空间划分为均匀的网格，每个网格携带独立的属性值。

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