三維地質(zhì)建模技術(shù)難點(diǎn)分析

三維地質(zhì)建模技術(shù)難點(diǎn)分析

在傳統(tǒng)的地質(zhì)現(xiàn)象表達(dá)中，二維圖的表達(dá)通常是地質(zhì)勘探的結(jié)果。表現(xiàn)信息不足，缺乏直覺(jué)感。隨著地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,工程地質(zhì)逐漸向著綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展。三維地質(zhì)建模已成為數(shù)字化的一個(gè)重要方面,并成為當(dāng)前地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域最富有活力的研究方向之一[5～7]。文中將著重探討三維實(shí)體建模與可視化的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及建模技巧,并以實(shí)際工程實(shí)例來(lái)闡述在建模過(guò)程中對(duì)具體問(wèn)題的解決方案。最終的模型很好地反映了實(shí)際地層和礦體的真實(shí)賦存狀態(tài),具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。1維地質(zhì)建模由于地質(zhì)體形成的年代和原因的不同,各地質(zhì)體在空間上具有極其復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系。特別是浸入體、褶皺和斷層錯(cuò)動(dòng)的出現(xiàn),更使地質(zhì)體在形態(tài)上具有多變性。為了使不同建出的地質(zhì)體模型能更好地反映出其實(shí)際形態(tài),必須將其分類以選取不同的方法對(duì)其進(jìn)行建模。地質(zhì)體根據(jù)其形態(tài)可分為層狀實(shí)體、塊狀實(shí)體斷層和褶皺。層狀地質(zhì)體是由一系列在空間上連續(xù)或間斷沉積的地層組成的、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合自然體。地球表面的大部分巖體為層狀巖體,包括沉積巖及部分變質(zhì)巖,在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上主要表現(xiàn)為地形表面、礦層等。它記錄了地球的形成及演化歷史,賦存有豐富的能源及礦產(chǎn)資源,其中在煤層中表現(xiàn)得最為明顯。三維實(shí)體是三維建模的重要組成部分,主要用于巖性模型和礦體模型的建立,和三維表面一起構(gòu)成了三維地質(zhì)模型。三維可視化實(shí)體模型能夠形象地表達(dá)地質(zhì)構(gòu)造的真實(shí)形態(tài)特征以及構(gòu)造要素的空間關(guān)系,結(jié)合三維的信息處理和空間分析功能,可以使地質(zhì)構(gòu)造分析更為直觀、準(zhǔn)確。斷層和褶皺在地質(zhì)現(xiàn)象中比較常見(jiàn),并且形態(tài)多樣,它們的存在破壞了原有的地質(zhì)體的連續(xù)性,改變了數(shù)據(jù)的原始分布情況。分叉和空洞現(xiàn)象也給建模帶來(lái)了一定的難度。2地質(zhì)-體重建的關(guān)鍵技術(shù)2.1基于最小三角形法則建立地形表面模型不規(guī)則三角形網(wǎng)模型TIN(triangulatedirregularnetwork)由不規(guī)則三角形網(wǎng)組成,三角形的結(jié)點(diǎn)主要從等高線或離散高程測(cè)量點(diǎn)中鏈結(jié)而成。TIN模型的主要優(yōu)點(diǎn)是保留了地形特征點(diǎn)和特征線,精度比較高。在利用不規(guī)則三角網(wǎng)建立地形表面模型的過(guò)程中,目前主要有兩種思路:一種是基于全局最優(yōu)的方法,目標(biāo)是使所連接的輪廓線之間生成的表面面積最小;另一種是基于局部計(jì)算和決策的啟發(fā)式算法。最小三角形法則的基本原理是:以某一點(diǎn)為基點(diǎn),在它附近尋找離它最近的點(diǎn)連成一條線,然后以該線為三角形的底邊,在周圍尋找與該線斷組成的三角形面積最小的點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)。然后再依該三角網(wǎng)的各邊為底邊分別向周圍尋點(diǎn),尋找合適的點(diǎn)構(gòu)成新的三角網(wǎng),最后形成大范圍內(nèi)的三角網(wǎng)和三角面。2.2叉樹(shù)模式以權(quán)利類型為主導(dǎo)八叉樹(shù)主要用來(lái)解決地學(xué)信息系統(tǒng)中的三維問(wèn)題。八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)就是將空間區(qū)域不斷地分解為8個(gè)同樣大小的子區(qū)域(即將一個(gè)六面的立方體再分解為8個(gè)相同大小的小立方體),分解的次數(shù)越多,子區(qū)域就越小,一直到同一區(qū)域的屬性單一為止。它用層次式的三維子區(qū)域劃分來(lái)代替大小相等規(guī)則排列的三維柵格來(lái)表示礦體。其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)任何形狀的目標(biāo),規(guī)則的或是不規(guī)則的,都能夠通過(guò)對(duì)子目標(biāo)進(jìn)行多次分解而將目標(biāo)表示行足夠精確。Morton碼只存儲(chǔ)實(shí)葉結(jié)點(diǎn)的地址碼一屬性值,這樣減少了內(nèi)存空間。八叉樹(shù)同樣可分為常規(guī)八叉樹(shù)和線性八叉樹(shù)。與常規(guī)八叉樹(shù)相比,線性八叉樹(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是:其一,因?yàn)橹恍鑼?duì)葉結(jié)點(diǎn)編碼,節(jié)省了大量中間結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ),因而節(jié)省了存儲(chǔ)空間;其次,線性八叉樹(shù)可直接尋址,通過(guò)其坐標(biāo)值則能計(jì)算出任何輸入結(jié)點(diǎn)的定位碼(稱編碼),而不必實(shí)際建立八叉樹(shù),并且定位碼本身就是坐標(biāo)的另一種形式,不必有意去存儲(chǔ)坐標(biāo)值;第三,在操作方面,所產(chǎn)生的定位碼容易存儲(chǔ)和執(zhí)行,容易實(shí)現(xiàn)象集合、相加等組合操作。2.3圖像消隱算法所謂消隱就是為了在計(jì)算機(jī)屏幕上獲得空間物體真實(shí)感的圖像,隱藏三維物體的圖形中不可見(jiàn)部分,即隱藏從當(dāng)前觀察點(diǎn)看不見(jiàn)的三維模型表面,從而增強(qiáng)圖形的立體感。消隱算法的核心就是判斷三維模型的是否可見(jiàn)。消隱算法可以分為圖像空間算法和對(duì)象空間算法兩種。圖像空間算法由于顯示出的圖形較為粗糙,而且不能夠放大,因此應(yīng)用受到了很大的限制。而對(duì)象空間算法是在投影平面上逐點(diǎn)判別各像素所對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)面,數(shù)值計(jì)算精確,圖形細(xì)致,可以任意放大,比較容易在普通微機(jī)上實(shí)現(xiàn),因而人們?nèi)粘Ｊ褂玫南[方法也基本上屬于該類。2.4維交互切割質(zhì)賦存狀態(tài)的問(wèn)題對(duì)于地質(zhì)體任意方向的剖切是可視化分析的重要功能之一。在傳統(tǒng)手工繪制三維剖面的過(guò)程中,這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。它需要地質(zhì)工程師對(duì)整個(gè)區(qū)域的地質(zhì)賦存狀態(tài)有深入的了解,并且需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)木蜁r(shí)間。三維交互切割技術(shù)能夠很好地解決這一問(wèn)題。在三維地質(zhì)實(shí)體模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)剖切生成指定位置的地質(zhì)剖面,很容易把表征地質(zhì)特征三維數(shù)據(jù)場(chǎng)投影顯示在圖形屏幕上,這樣就可以清楚地了解地質(zhì)模型內(nèi)部的各個(gè)細(xì)節(jié)。地質(zhì)家們往往需要對(duì)地質(zhì)體各個(gè)不同剖面方向及其某切平面或?qū)用娴牡刭|(zhì)特征進(jìn)行綜合研究與多角度認(rèn)識(shí),這時(shí)只需定義不同的剖切位置,三維圖形交互切割技術(shù)就能方便地滿足這一需要.3勘探中的西伯利亞銅礦床地質(zhì)結(jié)構(gòu)3.1地質(zhì)構(gòu)造及“侵蝕”型地層特征冬瓜山的地質(zhì)巖層有一個(gè)很重要的特征,就是其地層界線非常明顯,礦區(qū)除部分地段為第四系沖積、坡積層覆蓋外,出露地層均為三迭系中、下統(tǒng),局部有上統(tǒng)零星分布;深部工程揭露的地層有二迭系、石炭系、泥盆系上統(tǒng)諸地層。與冬瓜山礦床成礦關(guān)系較密切的地層主要有二迭系下統(tǒng)、石炭系以及泥盆系上統(tǒng)等地層。其礦體形態(tài)與背斜深部形態(tài)相吻合,空間上的背斜隆起部位的賦存標(biāo)高最高,呈一個(gè)不完整的“穹隆狀”,沿走向及傾向均顯舒緩波狀起伏(見(jiàn)圖1)。礦體北東側(cè)被包村巖體所侵占,致使礦體的頭部形態(tài)變化很大。巖體“呈枝杈狀”侵入圍巖,吞蝕或部分吞蝕賦礦層位,破壞了賦礦層位的連續(xù)及完整性。這些因素的存在,使得礦區(qū)的地質(zhì)條件變得非常復(fù)雜,也為建模增加了難度。3.2空間數(shù)據(jù)插值方法在地質(zhì)調(diào)查和測(cè)量中,通常表現(xiàn)為一系列離散的、稀疏的、空間上分布不均勻的數(shù)據(jù)。利用這些離散數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行三維建模時(shí),需要通過(guò)數(shù)據(jù)插值,然后才能形成完整的地質(zhì)體模型。目前空間數(shù)據(jù)插值的方法很多,主要有:雙線性插值、趨勢(shì)面插值、樣條函數(shù)插值、距離冪次反比法和克里金(Kriging)插值等。各插值方法有各自的優(yōu)勢(shì),因地質(zhì)數(shù)據(jù)有其特殊的特點(diǎn),在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值時(shí),不能簡(jiǎn)單地套用現(xiàn)成的自動(dòng)插值方法,必須考慮許多制約因素及相關(guān)的地質(zhì)學(xué)原理,選擇合適的方法來(lái)模擬,才能形成準(zhǔn)確可靠的模型。克里金(Kriging)插值方法是一種求最優(yōu)線性無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)量的方法,它首先考慮了空間屬性在空間位置上的變異分布,然后考慮樣品的形狀、大小及其與待估區(qū)間的空間分布位置等幾何特征對(duì)每一待估區(qū)域賦予一定的系數(shù)最后進(jìn)行加權(quán)平均來(lái)估計(jì)。在三角網(wǎng)過(guò)于稀疏的地方,生成的表面模型往往會(huì)顯得很粗糙,難以滿足工程上的要求。因此,對(duì)該區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)必須進(jìn)行加密處理。但由于克里金法比較復(fù)雜,步驟較多,國(guó)內(nèi)外在建立地形模型時(shí)通常采用趨勢(shì)面法或距離冪反比法。距離冪反比法的主要參數(shù)如表1所示。其待估區(qū)域內(nèi)高程值的估值公式為:式中,Z(x)為待估點(diǎn)的高程;Z(xi)為已知點(diǎn)的高程;d為第i個(gè)點(diǎn)到待估點(diǎn)的距離。高程點(diǎn)加密后,創(chuàng)建等值線網(wǎng),生成的地形表面模型如圖2。4.3角面的生成和地層模型的建立層狀地質(zhì)體模型的建立通常有兩種方法,一種是類似地表的方法,通過(guò)繪制地層上下兩個(gè)層面,然后根據(jù)上下層面的邊界繪制地層四周的邊界,從而建立起一個(gè)封閉的實(shí)體模型。這種方法適用于在煤層建?；蚴堑貙臃纸绫容^明顯的巖層中。另一種是剖面重構(gòu)出三維實(shí)體,這此方法適用于特殊的礦體或巖體。在剖面間連接三角網(wǎng)時(shí),一般采用最小對(duì)角線法則。其基本原理是:設(shè)兩剖面線一為P,一個(gè)為Q。設(shè)P1Q1為兩剖面間最近的兩個(gè)點(diǎn),則以P1和Q1兩點(diǎn)為基點(diǎn)尋找距離最小的對(duì)角線組成三角面。如P1Q2<P2Q1,則以三角形P1Q1Q2構(gòu)成三角面,反之則連接P1P2Q1。然后按順序依次生成其它的三角面,如圖3所示。這種由隨機(jī)分布在空間不同位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)的三角形,每一個(gè)三角形的外接圓都不會(huì)覆蓋除構(gòu)成該三角形3個(gè)頂點(diǎn)之外的其他任意點(diǎn)。這種連法具有以下優(yōu)點(diǎn):形成的三角形接近等角三角形,這樣可以盡量減少由于數(shù)據(jù)精度而導(dǎo)致的問(wèn)題;可以保證所形成的表面上的每個(gè)點(diǎn)都盡量接近已有的樣品點(diǎn);三角網(wǎng)形成與樣品點(diǎn)的處理順序無(wú)關(guān)。地層上下表面模型的建立不同于地表模型。地表可以通過(guò)測(cè)量獲取大量的點(diǎn)數(shù)據(jù),能夠比較準(zhǔn)確地構(gòu)出其表面模型。而地層在地表以下,只能通過(guò)鉆孔獲得零散的分界點(diǎn)數(shù)據(jù)。冬瓜山礦的地層有以下幾個(gè)特征:(1)地層形態(tài)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,呈水平或微傾斜狀態(tài),形態(tài)比較規(guī)則,在垂直方向上沒(méi)有較大的變化;(2)地層呈層狀分布,不同的地層在空間上按照一定的順序疊加;(3)地層在整個(gè)區(qū)域中分布比較連續(xù)。因而在建立冬瓜山礦的地層模型時(shí),可以通過(guò)先創(chuàng)建每一地層的上下表面輪廓界面,然后封閉其邊界的方法來(lái)創(chuàng)建。這兩部分合并后就構(gòu)成了一個(gè)封閉的實(shí)體模型。該方法的最大優(yōu)勢(shì)就是在任意切割剖面時(shí),不會(huì)出現(xiàn)重疊和空洞現(xiàn)象。以同樣的方法創(chuàng)建其它地層的三維實(shí)體,最終生成的模型如圖4所示。3.4輔助控制線法基本過(guò)程是:將各勘探線剖面按照其實(shí)際地理坐標(biāo)位置載入到三維視圖中,然后沿一定的走向趨勢(shì)將各剖面線依次相連形成三維線框,在兩端將勘探線封閉,從而重構(gòu)出三維巖體或礦體(見(jiàn)圖5)。該方法應(yīng)用比較廣泛,可用于一般的礦體、特殊的礦體或巖體,尤其在建立礦體模型時(shí)最為常用。由于實(shí)際礦體的復(fù)雜性,采用上述自動(dòng)生成的實(shí)體模型不一定符合實(shí)際礦體的構(gòu)造特征(見(jiàn)圖6),這時(shí)在聯(lián)結(jié)實(shí)體時(shí)就需要對(duì)相鄰剖面間的聯(lián)結(jié)法則進(jìn)行人為的控制,添加輔助控制線。添加輔助控制線的目的就是為了控制三角網(wǎng)的聯(lián)結(jié)過(guò)程。這些線與地質(zhì)線或者構(gòu)造的相似性,將實(shí)體多邊形上結(jié)構(gòu)聯(lián)系非常緊密的點(diǎn)連在一起(見(jiàn)圖7)。從圖6和圖7的對(duì)比來(lái)看,后者更能反映礦體的實(shí)際賦存狀態(tài),在幾何形態(tài)上具有良好的匹配性,其拓?fù)潢P(guān)系在地質(zhì)解譯中也是更為合理的。4模型建立的意義冬瓜山銅礦是我國(guó)第一個(gè)大型深井礦山,現(xiàn)有的工程揭露已經(jīng)呈現(xiàn)了地壓大、高溫、高硫、有巖爆及自燃、自爆傾向等深部開(kāi)采的技術(shù)條件特征。本文研究的主要意義和作用在于:(1)鑒于我國(guó)埋藏在淺部的有色礦床資源已接近枯竭,必將加快向深部的礦床資源的勘探和開(kāi)發(fā)利用。模型的建立不僅對(duì)冬瓜山銅礦床今后的探礦工作有著巨大的指導(dǎo)意義,而且為我國(guó)礦床資源的開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移也提供了可靠的先進(jìn)技術(shù),促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造。(2)模型的建立有助于準(zhǔn)確確定工程的布置位置和方式了解巷道周邊圍巖的力學(xué)特性提前預(yù)測(cè)圍巖的破壞模式,以便進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),確定支護(hù)形式。工程實(shí)踐表明,該方法是解決冬瓜山深部開(kāi)采巷道地壓高應(yīng)力危害較理想的有效措施。(3)通過(guò)三維建模的方法來(lái)反映礦床的賦存狀態(tài),可為冬瓜山礦的深井開(kāi)采信息可視化集成系統(tǒng)(該系統(tǒng)集礦床儲(chǔ)量計(jì)算、采掘輔助設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬計(jì)算、巖層控制與巖爆預(yù)測(cè)和監(jiān)控、生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)分析于一體)研究提供很好的基礎(chǔ)。這也是至今國(guó)內(nèi)外密切關(guān)注但尚未解決的重要問(wèn)題,解決這些問(wèn)題將使我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)整體水平上一個(gè)新臺(tái)階。5地質(zhì)體賦存狀態(tài)的三維建模及應(yīng)用前景由于地質(zhì)體幾何形態(tài)的復(fù)雜性,三維地質(zhì)體的建模和可視化一直是地學(xué)信息化中的一個(gè)難點(diǎn)。本文在深入研究各種復(fù)雜地質(zhì)體建模的基礎(chǔ)上,著重闡述了在建模過(guò)程中經(jīng)常碰到但又十分關(guān)鍵的幾個(gè)問(wèn)題,得出以下結(jié)論。(1)三維地質(zhì)建模是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作,不僅需要熟練的軟件操作技巧,還必須結(jié)合專業(yè)知識(shí)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)加以判斷和構(gòu)思。(2)三維地質(zhì)模型的建立能夠很好地反映出礦體與周邊巖體的相互關(guān)系及各地質(zhì)體的賦存狀態(tài),為以后的采礦設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了方便。(3)利用三維建模的方法建立礦體模型可為進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算、品位估值、塊段分級(jí)、安排生產(chǎn)計(jì)劃、實(shí)時(shí)調(diào)度監(jiān)控提供很好的平臺(tái),這樣不僅對(duì)傳統(tǒng)的管理手段提出了更高的要求,也將對(duì)我國(guó)礦山企業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程起到巨大的推動(dòng)作用。目前,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)該方面進(jìn)行了一些研究并總結(jié)了其部分進(jìn)展情況。他們主要是借助于一些通用的軟件平臺(tái)(如AutoCAD,C++,VC++,OpenGL等)來(lái)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的三維可視化功