三维地质模型与可视化

三维地质模型与可视化
吴强、徐华
1.中国矿业技术大学，中国资源开发工程，中国，北京10083 .
2.北京化学工程学院，中国，北京102617.
回信请寄往吴强(邮箱：wuqiang@)
于2003年8月收到回信.
摘要
三维地质模型技术将在地址数据的获得方法、存储方法、过程与展示方法上带来巨大变化.但是，自从反应地质实体的地址数据承受住多样性、不确定性和复杂性特征后，不够完善和不够便捷的软件系统现在已经得到迅速发展.一些超大规模的模型、断层的数学模型和褶皱的地质模型已经得到发展以至于能够展示复杂地质结构的空间地址构成.以三维地质模型为目的的应用系统的构造已经确定；随着土壤模型和模型应用与核心一样的确定，基于空间数据处理的一个新颖设计概念也已提出.三维地质模型技术的理论与方法有望得到进一步的丰富和发展.
鉴于这些理论与方法，基于特征的可视化导航技术得以提出.随着地理数据库，图形库和知识库的动态模拟系统的整合，地质学家将能够获得以直观、形象和精确地方式融入的部分特征和全部特征.
关键字：三维地质模型，地质模型，系统结构，可视化
数字资源的条形码：10.1360/02ydo475
三维地质模型与可视性关键技术问题是解决“数字地球”实施计划的关键技术.目前，三维地质模型主要存在以下困难[1-5]：
(1)三维空间数据难以获得：目标与形象复杂的三维地质模型依赖于原始数据.当简单数据是稀少、不充分，地震剖面数据的能力和分辨率不足以及遥感数据模糊时，建立复杂的三维地质模型是很困难的.因此要精确的描述地质实体的空间属性的变化是不可能的.
(2)地质实体之间的空间关系是特别复杂的.由于断层引起了地层的不连续分
布，岩块岩性各不相同，时间的动态本质和地质过程也体现了这一特征.由于地质实体包含多值面的地质现象，如断层、褶皱、数据特征、拓扑关系和相关计算程序更加复杂.此外，多年生的地质勘探研究和区域映射运动和包含地质对象多样性的复杂离散模型已经得到很大程度上的发展.但是这些模型不能确定空间，时间，和模拟的地质对象和保持其连续性之间的结构的关系.
(3)空间分析能力有限.客观因素(如几何复杂度)、不连续性和不确定性都存在与几何模型中，客观因素如应用于三维地质模型过程的多样性等已经导致了用于建立三维地质模型的成熟的理论和技术的缺失和在空间分析能力上现有系统的限制.
一．三维地质模型的设计
地质结构的几何形状，如褶皱，节理，断层和裂缝，以如下两种基本方法展示：特征描述和空间分布.前者通过应用其本质特征，如：发生、规模，来展示其结构；而后者通过展示从不同复杂的地质结构中提取的几何图元的点，段、表面和体素.这种方法能够给数学分析和地质结构形状的空间描述提供支持.
1.1 超大数据模型
根据空间划分原则，即：一个物体的任意复杂形状能够通过明确的简单形状来处理，依赖于超大数据的三维地质模型在论文中得以设计.
如果问题的对象是由依赖于地质层位的离散点组成，那么一个超大数据模型是根据这些点的空间聚类，而且能根据如下方法确定：
如果一个空间域 i l
i H 1==Ω ，集合{}
N l R p p H i ∈∈=,3
，即p 是Ω的一
个离散点，而且Ω由i H 中的点组成.集合1-=i i i H H L ，i L 包含了这两个集合中的点，那么称反应这两个集合的空间类的i L 为ith 空间.
定义SV ik C 如下：
c d u ik S S S C =
这里，
}{}{}{N m L C S S p p S H p p S H p p S i m k i ik d u c i d i u i
∈=∈=∈=∈==+ 1
1,,,，或
即：SV ik C 最小细胞的形成和空间层次.SV 中的值i m 的合并可以代表整个空间分布.每个 SV ik C 组成三组分等等.代表分别形成上部和下部的视野和封闭边界的 c d u S S S 和, .为了减少冗余以保持数据的连续性，子集 c S 中的所有点来自子集 d u S S 和，集合 ()φ=◊⋂∂=◊⋃∂=j j j j j S S d u j S S S ,,或，这里，
j S ∂ 是开集 j S 中所有界点构成，j S ◊ 是开集 j S 中所有内点构成.因而 d u c S S S ∂⋃∂= 就可以精确的确定.
综上，空间域 Ω 可以定义为：
i l i m k ik i
C -===Ω11
也就是说：
所研究的区域可被分成几个大数据子集，一个基于 SV 模型的可利用
TEN GRID TIN 或, 构造的 ()1例ik M .所有的固体模型的合并 ik M ⋃⋃将能
够完整的描述空间几何形状复杂地质体.
1.2 描述断层的数学模型
在回顾现有的在3维断层的建模技术，最受欢迎的应用技术是由布莱宁等描述的.
图1.大数据模型
关于三维地质模型与可视化是基于几何数据，如区域研究中 D D 2/3 地震反射数据和观测，断层表面通过每一交叉的断层线和断层点可以相应的形成.在三维地质模型中一个故障的网格模型的可视化的实现.但是，这些方法可获取构造模型的大量数据，而且处理超大表面的有效过程，例如，逆断层是不可用的.此外，没有什么方法可以预测断层在抽样范围内的断层的连续性.为解决这些问题，在三维地质模型中一种新颖的处理的断层模型的方法在论文中的已处理.
如果两个故障点的坐标，如：
()()22221111,,,,z y x p z y x p 和，
断层面的倾角和方向可以得到、预测和演绎端层面的三维空间几何结构.
当收集足够的相关时，确保形成端层面的梁断层点的深度可以得到纵向处理. 也就是说，这两个断层点()()22221111,,,,z y x p z y x p 和应满足条件：
()()()2121213y y x x z z -+-≤-
在这个区域里不难满足此要求.因此，只要相应横层地质、倾角的断层面上的两断层点是断层面赋予的，其一能精确地断层面的孤立方程.
当一个故障平面方程计算利用三维坐标等参数断层的性质和一系列的内插的断层实体的故障.一系列的内插的故障点可以自动推导，然后根据对断层的位移，这些内插的故障点可以随着断层面得到一系列的三维坐标插值性质挂上下盘块调整.
性质2是利用最大面来近似一个基于拓扑关系的断层，地质实体的每一水平面可以被断层分割成.为了更容易的观察，笔者仅仅展示断层和水平面断层和内插直线.图2(a)展示了一些发生在水平面4和8的断层的性质特点.我们可以看到断层深度转化成45度到60度，然后转至80度.因为进一步的信息在几何上断层和褶皱之间的关于断层点的的获得.断层面可近似为图2中的一条直线.
断层面的地质数学描述也能构造数学模型去形成预测参数(图2(c))集断层的
连续性,而且提供样条方法、克里格法、反距离加权插值、多项式，这些允许地质学家来做对比不同的参数方法，因而断层的三维模拟更加现实，误差也相应的变小.
图2.断层近似平面
1.3 褶皱的几何模型
虽然现有的自动映射系统己经成功建立了地址表面的简单模型，事实上，他们能够建立复杂曲面模型和复杂的地质对象（卷）如推力、逆断层，褶皱，褶皱等.
发生在地质内部的曲线现象称为褶皱，褶皱的地质表面可以通过从钻孔、截面和/或地质图进行数据模拟.对没有值表面的褶皱，上面提到的方法1.1可以应用到三维模拟的实施.这是一个比较复杂的过程，模拟了—将多值表面褶皱.具体的方案描述如下：
正如图()b 3显示，边界和发生褶皱可以从其地质图相关信息.为了准确地代表褶皱的空间形状，一组的轮廓被认为构成反映空间分布特征基于不同发生褶皱.那里有一些（例如n ）的轮廓线()n i EI ,,2,1 =，这里，
}{n M M J EI ∈≤≤=,1普，
即:
每个轮廓线由三维有序点集欧氏空间.一些特征点(如铰链点)使冠折合的地方，应选择来表达的两个翅膀的形状背斜或向斜.辅助约束边(如约束边c 在图
()b 3)需要分割轮廓线的过程中添加的，所以为使他们的视觉在网格模型保持褶
皱的形状不会丢失.在锡模型—把褶皱是由连接EI 、1/1+-i e EI 或和构造基于同步行进之间—分的轮廓(图()c 3).为使平面更加光滑，有必要对每个子表面的有效方法处理地质界面.
南
东
东
北
图4显示了一个复杂的地质模型随着设计空间地质构造的方法—计量模型.它准确地表示三维模型在其中一个复杂的地质体包括一个倒转褶皱、逆断层和一个折叠的右翼正断层.
一个倒转褶皱模型的建立过程.()a地质图和倒转褶皱;()b约束边缘轮廓:()c一TIN模型.
3复杂地质模型
图4.A D
2.三维地质建模系统的体系结构
在过去的三年里，三维地质模型—建模技术得到了不断的发展和逐渐成熟.许多技术提供使用不同的路径地质学家通过建模过程和不同的能力，以获得可用的地质和地球物理观测.在3D实现空间数据的集成和一个三维地理信息系统[ 5 ].笔者提出了一个前瞻性的三维模型的构造方法，一个单纯的、复杂的方法呈现了
5.2地质映射和基于垂Breunig—塔特斯的不规则地理对象的统一表示，建立了D
直数据提取技术—卡尔和倾斜测量法[ 10 ].一个开放的基于CORBA的系统体系结构展示：连接两个现有的地学软件工具—地质三维建模和可视化工具GOCAD地质和地球物理三维建模工具的免疫球蛋白MAS—通过三维地质数据库内核的优势.这种方法是3D模型工具不仅能远程访问的数据，也是先近的3D几何数据库模型[ 11 ]和属性模型，这是被定义为一系列的连锁河畔面[ 12 ].
在过去的30年，地质学家都集中模拟地球表面，然而，这个任务仍然有待完成.考虑到目前的情况，理论研究和应用开发环境的发展，面向应用的系统结构三维地质建模是本文提供的(图5)，其中包括三个主要阶段：空间数据的处理，实体建模和模型中的应用.
图5.三维地质建模系统的体系结构。