三维地质模型可视化方法及应用

摘要：三维地质模型是一个较为直观、有效的研究地质领域内容的方法。文章将三维地质模型分为面模型、体模型和混合模型三类，并从曲面插值法、三角网剖分法和地质断层建模法三个方面理论化地阐述了三维地质模型的可视化方法，最后就典型的体模型和虚拟钻孔模型进行了分析，描述了三维地质模型可视化的应用。

关键词：三维地质模型；可视化方法；曲面插值法；三角网剖分法；地质断层建模法 文献标识码：A

中图分类号：P642 文章编号：1009-2374（2015）30-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.30.069

三维地质建模技术（3D Geosciences Modeling Technology）是在地质勘探过程中应用空间信息处理技术和可视化技术，对地质数据进行分析、处理、组织和描述，并且构建三维地质模型，可以进行三维信息的查询，还可以结合计算机技术实现三维地质模型的图形化与可视化，同时正确分析已有数据，提高研究的准确率和可靠性。三维地质模型的研究逐渐成为热点问题，主要被应用于数学地质、GIS、岩土工程、石油勘探以及计算机可视化等领域。

1 三维地质模型可视化技术

早在20世纪50年代，外国学者就已经开始了有关三维地质建模技术的研究。伴随着计算机技术的不断发展，多种原始方法不断被完善。欧洲地球科学家和工程师协会（EAGR）、美国勘探地球物理学家协会（SEG）建立的三维建模委员会于1992年成立。1993年，Simon W.Houlding提出了三维地质建模技术的概念。1996～1999年间，分别在英国、新西兰和美国等地举办了四次关于地质建模、模拟和可视化的地质计算机会议。1997年在西班牙举办的国际数学地质会议上，地质建模和可视化则被重点指出并强调其重要性。国内对于三维地质模型可视化的研究开展的较晚，处于探索和尝试时期。近些年在三维地质模型的可视化研究中，数据处理和三维交互实现等技术的研究有了很大的突破。国内学者在该方面的研究已有了一定的研究成果：2000年，李青元等对三维地质模型的特点和典型的三维模型进行了详述；2001年，曹代勇等就三维地质可视化模型的方法进行了讨论；宁书年在2002年就三维地质可视化软件的基本理论和结构进行了分析，并提出了其研究方向；2004年程朋根等构建了一个适用于地质领域的三维GIS原型。

2 三维地质模型

三维地质建模技术是1993年加拿大学者Simon W.Houlding提出的，以计算机技术为基础，通过三维环境实现空间信息管理、空间分析和预测、地学统计、地质解译以及图形可视化等技术的结合，在构建了三维模型的同时，还可以较好地描述地质对象的多种特征，是地球空间信息科学的一部分，也是可视化研究的重要应用领域，其特点是确定性、可视性和可修改性。常用的三维地质模型有面模型、体模型和混合模型。

2.1 面模型

面模型构建于多个面元组合基础上，侧重于3D空间实体的表面轮廓描述，常用的不规则三角网模型（TIN）与网格模型（Grid），多用于地形表面构模；边界模型（B-rep）可以较好地描述结构简单的三维物体，而在不规则三维物体的描述上却效率很低；对于处理简单层状地质体，多层DEMs模型是一个较为有效且简便的方法。

2.2 体模型

体模型的基本结构是一系列体元，其属性可以被独立描述和存储，并易于进行三维空间操作和分析，但在计算、显示和刷新速度方面较慢。体模型可分为规则体元和非规则体元：规则体元模型有结构实体几何模型（CSG）、八叉树模型（Octree）等模型；非规则体元模型常用的有四面体网格模型（TEN）、三棱柱模型（TP）、实体模型（Solid）等模型。

2.3 混合模型

所谓混合模型，就是将面模型和体模型结合后构建出的面向实体的三维模型，常用的有TIN-CSG模型、Octree-TEN模型等。

3 三维地质建模可视化方法

3.1 曲面插值法

对于离散数据点的处理，是利用曲面插值法来构建三维空间曲面。适用于中、小规模数据量插值的常用方法主要有径向基函数插值法、与距离成反比的加权法和薄板样条法；适用于大规模数据量插值的常用方法有B样条大规模插值法、多层次B样条插值法以及自适应多层次B样条插值方法。

3.2 三角网剖分法

三角形是构成立体图形的首选图元，三角剖分是近些年的研究热点，集中在网格优化性、边界一致性和网格算法生成的健壮性等方面的研究。Delaunay三角网剖分（DT，Delaunay Triangulation）是指在平面域上有多个离散点的集合，一定存在一种剖分算法，可以形成一个邻接且不重叠的三角形的集合，使所有三角形最小内角和最大，并且每个三角形外接圆均不含有其他任意一个三角形的顶点。约束Delaunay三角网剖分法常用的方法主要包括逐点插入法、分而治之算法、区域子分算法和联动剖分算法等。

3.3 地质断层建模法

断层是主要的地质构造类型之一。对于地质断层的建模方法建立在TIN基础上。但是地质断层的结构十分复杂，所以在建模方法上也有不同的处理方式。对于单一断层而言，可以通过局部法和整体法对断层两侧不连续标志面的形态进行处理。对于多条断层而言，首先要明确断层切错之间存在的时间序列，晚期形成的断层切错要优先于早期形成的断层，并按照顺序利用做断层TIN面的方法逐个处理；若断层之间没有切错关系，则可以通过整体法或局部法进行单独处理。

4 三维地质模型可视化的应用

4.1 基于四面体体元的三维地质建模方法

以体模型为基本思想，以四面体为基本体元，选用合适的插值方法对研究区域进行加密处理成多层网格，并运用同种插值方法对于每层网格都进行差值处理，将不同层内相应的坐标的数据连接之后，可以构成多个四棱柱组合体，再按照一定规则将其分解成易于分析和处理的四面体体元，再进行切割和分解，最后构建规则的数字高程模型的地层。

4.2 基于虚拟钻孔的三维地质建模方法

钻孔数据是众多地质数据中最为基本的数据，由于钻孔费用较高，这就衍生出利用虚拟钻孔来进行三维地质建模，虚拟钻孔在地质不连续、边界控制点稀少的区域研究中发挥了较为重要的作用。虚拟钻孔的确定方法是根据模型的不同而不同的，若以三棱柱为基本体元，那么模型中对于虚拟钻孔的确定方法就是分别计算直线与其他各面的交点。

4.3 三维地质模型的可视化效果

对于三维地质模型的可视化显示效果，要凸显其可视性，有多种显示方式，主要有基本三维景观方式、掀盖层三维景观方式、透视方式、切面方式以及投影等值线方式。

5 结语

三维地质模型的研究已有很大的进展，但是仍有很多亟待解决的问题，比如数据不规则且数量较大，地质数据的离散型、片面性，模型的空间分析功能与实际工程需求相差加大等，所以三维地质模型依旧处于探索阶段，还有待进一步的研究和发展。

参考文献

[1] 吴观茂，黄明，李刚，邹时林.三维地质模型与可视化研究的现状分析[J].测绘工程，2008，17（2）.

[2] 魏嘉，唐杰，武港山，张杨，等.三维地质模型海量数据组织和可视化技术研究[J].石油物探，2013，52（2）.

[3] 曹代勇，李青元，朱小弟，周云霞.地质构造三维可视化模型探讨[J].地质与勘探，2001，37（4）.

作者简介：刘苏（1989-），女，辽宁沈阳人，供职于辽宁省地质矿产调查院，研究方向：矿产地质调查及三维地质

建模。

（责任编辑：蒋建华）endprint