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地质体三维建模方法与可视化技术现状研究唐甜甜赵永安王鹏I(核工业北京地质研究院，北京IooO29,北京大学，北京100871)摘要地质体三维建模以直观化、立体化、动态化的手段来表达地质体与地质环境，使得地质成果通俗易懂、简单实用，地质体三维建模的研究和应用已成为地质类各专业勘察评价的新趋势。本文从地质体三维建模方法和三维可视化技术两个方面，对现今国内外地质体三维建模研究进行了阐述；同时，介绍了地质体三维可视化应用软件的开发现状，并进一步探讨了地质体三维建模存在的若干重点问题以及对未来的展望。关键词地质体三维建模；建模方法；三维可视化技术；应用软件StudyontheStatusofThree-dimensiona1Mode1ingMethodsandVisua1izationTechno1ogyforGeo1ogica1Bodies.TANGTian-Iian.ZHAOYong-an,WANGPeng<BeijingResearchInstituteofUraniumGeo1ogy.Beijing100()29.China)Abstract：Three-dimensiona1(3d)mode1ingofgeo1ogica1bodiesexpressthegeo1ogica1andgeo1ogica1environmentwithintuitive,three-dimensiona1,anddynamicmeans,whichmakesthegeo1ogica1resu1tseasytounderstandandpractica1.Therefore,inthefie1dofvariouskindsofgeo1ogica1prospectingeva1uation,theresearchandapp1icationof3dmode1ingofgeo1ogica1bodieshasbecomeanewtrend.Thispaperreviewstherecentdeve1opmentsof3dmode1ingofgeo1ogica1bodiesfromthemode1ingmethodsandthe3dvisua1izationtechno1ogy.Atthesametime,thepapera1sointroducesthepresentdeve1opmentsituationofapp1icationsoftwareforthe3dmode1ingofgeo1ogica1bodies.Fina11y,severa1keyprob1emsabout3dmode1ingofgeo1ogica1bodiesandthevisionofthefuturewerediscussed.引言近年来，针对地学系统的三维地学空间建模已成为3DGIS(GeographicInformationSyStern)和3DGMS(GeosciencesMode1ingSyStem)的研究热点和难点但1，其实质是在三维建模的基础上对地质体对象的虚拟展观。地质体通常是指地壳内占有一定的空间和有其固有成分并可以与周围物质相区别的地质作用的产物。地质体可由各种类型的数据表述，如钻孔数据、地形数据、岩石和土壤数据、地球物理和水文数据等。地质体三维建模，就是基于三维的环境，利用地质统计学，结合空间信息管理技术和预测技术，对地质体进行三维空间构建，并对其进行地质解释。它是由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS,图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科。自加拿大学者Simon.W.Hou1ding于1993年提出三维地质建模(3dGeoscienceMode1ing)的概念以来，很多人都在致力于三维数据模型的研究，地质体三维建模随即得到了快速的发展，到现在已经形成了一系列的理论与方法。按Rongxing1i的研究，构建三维地质数据模型的方法可分为表面建模法和实体建模法两大类，其核心是数据结构。至此，表面建模相对较成熟，而实体建模正处于热研究状态。1地质体三维建模方法国内外在地质体三维建模这一领域研究十分广泛,但其中最关键的技术之一是对建模方法的研究，其关键点在于如何将数值数据映射到几何空间。目前应用到的数据建模方法有几十种，主要可归纳为基于体的建模方法、基于面的建模方法、基于混合的建模方法、基于泛权的建模方法及基于地质统计的建模方法网。1.1 基于体的建模方法基于体的建模方法1网是通过3D空间的体元分割和真3D实体表达来实现的。体元的属性可以独立描述和存储，因而可以进行3D空间操作和分析。体元模型可以按体元的面数分为四面体(Tetrahedra1)>六面体(HeXahedra1)、棱柱体(Prismatic)和多面体(Po1yhedra1)等类型，也可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元两个大类。规则体元包括CSG、Voxe1、Octree、Need1e和RegUIarB1OCk共5种模型，不规则体元包括TEN、Pyramid、TP、Geoce11uarIrregu1arB1ocksSo1id、3DVoronoi和GTP共8种模型(表1)。表1基于体的建模方法1.2 TabIe1Mode1ingmethodbasedOntheCUbe1.3 基于面的建模方法基于而模型I的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示。所模拟的表面可能是封闭的,也可能是非封闭的。基于采样点的T1N模型和基于数据内插的Grid模型通常用于非封闭表面模拟；而BRep模型和WireFrame模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟(表2)。表2基于面的建模方法Tab1e2MOde1ingmethodbasedOnthePoIygOn建模方法建模主要思想优点缺点T1N和Grid模型T1N方法将无重点的散乱数据点集按某种规则（如De1aunay规般用于地形表则进行三角剖分，使之形成连续但不重登的不规则三角面片网，面建模和层状矿并以此来描述3D物体的表面：Grid模型则是考虑到采样密度和分布的非均匀性，经内插处理后形成规则的平面分割网格床建模边界表示模型通过面、环、边、点来定义形体的位置和形状来建模便于直接存取几对于不规则(B-Rep)何信息，利于面、3D地物则很边、点的各种几何不方便，且效运算和操作率低下线框模型把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，(WireFrame)形成系列多边形：然后把这些多边形面拼接起来形成个多边形网格来模拟地质边界或开挖边界断面模型通过平面图或剖面图来描述矿床，记录地质信息3D问题2D化，在矿床表达不<Section)地质描述上最为完整，存在误方便、使用性最强差断面一三角网混给二维地质剖面上的每条地质界线赋予属性值，然后将相邻剖面合模型上属性相同的界线用三角面片（TIN）连接，构成了具有特定属性含义的3D曲面多乂DEM建模基石各地U的界面点按DEM的方法对各地必进行插值或拟合，实现3D地下空间对多层DEM进行交叉划分处理，形成3D地层模型的骨架结构的完整剖分1.3基于混合的建模方法基于面模型的建模方法侧重于3D空间实体的表面表示，通过表面表示形成3D目标的空间轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是难以进行空间分析。基于体模型的建模方法侧重于3D空间实体的边界与内部的整体表示，通过对体的描述实现3D目标的空间表示,优点是易于进行空间操作和分析，但存储空间大，计算速度慢。混合模型四的目的则是综合面模型和体模型的优点，以及综合规则体元与不规则体元的优点，取长补短（表3）。表3基于混合的建模方法Tab1e3Mode1ingmethodbasedonthehybrid建模方法建模主要思想优点缺点TIN-CSG混合建模TIN-Octrcc混合建模WireFrameB1ock混合建模Ociree-TEN混合建模GTP-TEN混合建模以TIN模型表示地形表面，CSG模型表示城市建筑物分开存储数据：将两种模型数据通过一定方式关联，实现T1N与CSG的集成以T1N表达3D空间物体的表面，以OCIree表达内部结构。用指针建立TIN和Ociree之间的联系。以WireFrame模型表达目标轮廓或地质与开挖边界，以BIOCk模型填充其内部Octree作整体描述，TEN做局部描述：精确表达第杂空间拓扑关系同时保存原始观测数据利用GTP进行地层形态描述，用四面体进行GTP和实体内部的几何与属性描述集合了TIN与CSG的优点拓扑关系搜索有效,利用了映射和光线拨踪等技术可解决地质体中断房或结构面等纪杂情况的建模问题实用效率不高空间实体间的拓扑关系不易建立1.4基于泛权的建模方法基于泛权的建模方法是在综合应用概率统计、模糊、神经网络、插值、积分等理论的基础上，构造了一种新算法（称之为“泛权”算法），其核心思想就是能对任意M维的连续、非连续边界进行重构分析，并同时能耦合地模拟各种复杂背景因素的影响（表4）。Tab1e4表4基于泛权的建模方法Mode1ingmethodbasedonthewide-weight建模方法建模原理三类地质三维重构算法可分别利用剖面成面法、直接点面法与拓扑分析法构造地质体，进而来表达三维体泛权建模法遵循空间相关性、已知等同、相关性模糊测度、不同属性概率测度与、背景及约束耦合等原理1.5 基于地质统计的建模方法地质统计学是在大量采样的基础上，通过对样本属性值的频率分布或均值、方差关系及其相应规则的分析，确定其空间分布格局与相关关系，其研究既具有随机性又具有结构性。目前，随机变量的产生已被认为是评价不确定事件的基础，故利用地质统计学的方法为岩石类型、构造控制应力创建模型，以及对复杂地质体和能影响到投资决策的多元变量整合进行非平稳模型的创建，为应对地质问题提供解决方案。在目前的空间数据插值方法中，Kriging插值方法是最为常用也是精确度最高的一种方法,大部分的三维矿体都采用这种方法作为空间数据插值手段W1但在实际应用过程中，利用克里格系统(Kriging)对未知区域估值时存在一定的“光滑”效应，即将数值较低的部分过高估算，而将数值较高的部分过低估算；而在快速傅立叶变换基础上功率谱方法进行条件模拟，能严格地处理克里格估值，从而再现正确的协方差模型，但局部精确有损。地质统计建模方法主要有功率谱建模、贝塞尔建模、黑盒子克里格法和样条函数法四种。(1)功率谱模型协方差模型为地质统计学提供了空间连续性的基本测度，正定性保证了克里格系统解的存在和唯一性。对于协方差函数C(h),当且仅当它能用一个有限的非减测度S(w)的傅立叶变换表示时，它才是正定的，即：C(h)=所ZS(W)这里，h是d维空间中的距离向量，W是相应的频域内的频率向量。根据BoChner的这一定理，Yao和JOUmeI利用快速傅立叶变换(FFT)将试验(交叉)协方差表转换成似功率谱表，这些似功率谱表在正性和单一和(PoSi1iVityandUnitSUm)的限制下进行光滑，这种变换方法不要求在某点上进行分析模型的拟合，并且这种算法不受线性协同区域化模型的限制。(2)贝塞尔模型利用谱理论提出的关系式，当且仅当：C(A)=fAr>()这里，M(t)是一个有限的非减函数，并且：,(d-2)2z,X5七J匕JJy/2()这里，Jn是贝塞尔函数；特别的，CG)=CO