（地质工程专业论文）基于钻孔数据的三维地层模型构建方法研究.pdf

论文题目：基于钻子l 数据的三维地层模型构建方法研究 专业：地质工程 硕士生：孟凡利 指导教师：侯恩科 摘要 ( 签名) ( 签名) 三维地质建模是当前三维地理信息系统和数字矿山技术研究中急需解决的关键问 题之一。钻孑l 技术问世以来，由于能够记录大量地质实体单元的原始信息，而一直受到 地质工作者的青睐。研究基于钻孔数据的三维地层模型构建方法对于三维地质建模理论 和方法的发展具有重要意义。 本文分析和总结了当前三维数据模型的研究现状、真三维地质建模软件的研发情 况，指出当前三维地质建模研究中存在的主要问题。介绍了传统的钻孔数据，三维地质 建模以及两者相互关系，并对计算机环境下数据库交互式操作进行了详细的分析和设 计。提出面向对象的三维地层数据模型并设计了其数据结构，模型的构造过程条理清晰， 而且能与面向对象的编程语言有机结合，同时该模型借助d e l a u n a y 三角网来构造二维 和三维数据拓扑关系，大大简化了三维地质体之间复杂的拓扑关系。借助v c + + 及o p e n g i 。 工具包实现了钻孔数据管理模块、钻孔数据三维可视化；对三维地质体空间查询方法进 行了初步研究，实现了图形属性相互查询等部分功能。 关键词：三维地质建模；三维地层模型：三维数据结构；钻孔数据；三维查询 研究类型：应用研究 盘 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nc o n s t r u c t i n gw a yo f3 ds t r a t u mm o d e lb a s e do n d r i l ld a t a s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：m e n gf a n l i i n s t r u c t o r ：h o i le n k e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n g ( 3 d g m ) i so n eo ft h ek e yi s s u e st ob es o l v e di n t h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( 3 d g i s ) a n dd i g i t a lm i n e s i n c e t e c h n o l o g yo fd r i l lc o m e so u t ，i tw a sr e c o g n i z e db yg e o l o g i s te n g i n e e r sa l w a y si nc a s eo f h a v i n gt h ea b i l i t yo fr e c o r d i n gag r e a td e a lb a r b a r i s mi n f o r m a t i o no fg e o l o g ye n t i t yc e l l s t u d y i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o n a l g e o l o g i c a lm o d e lb a s e do nd r i l l i n gd a t ai so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fat h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n gt h e o r ya n d m e t h o d o l o g y t h ep a p e rs h i l l su pt h em a i np r o b l e mi nc u r r e n t3 d g ms t u d y , s u c ha st h ea b s e n t t o p o l o g yd e s c r i p t i o na n dt h ei n t e r a c t i v ed i f f i c u l ti n3 ds p a c e ；a n dt h e na n a l y z e st h et r a d i t i o n a l d r i l ld a t a , 3 d g ma n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，a n dd e s i g n st h ed a t a b a s e si n t e r a c t i o n o p e r a t i n gu n d e rc o m p u t e re n v i r o n m e n t ；p u t sf o r w a r dak i n do f3 ds t r a t u md a t am o d e l o r i e n t e do b j e c ta n dd e v i s ei t sd a t ac o n s t r u c t i o n ，i m p l e m e n tm a n a g e m e n tm o d u l eo f b o r ed a t a , 3 dv i s u a l i z a t i o no fb o r ed a t a , b yo b j e c t o r i e n t e d3 dg e o l o g i c a lm o d e la n dd e s i g nt h e i r d r i l l i n gd a t as t r u c t u r e ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fm o d e li sc l e a r , a n dc a ni n t e g r a t ew i t ht h e o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a tt h es a m et i m et h em o d e l so nd e l a u n a yt r i a n g l e n e t w o r kc o n s t r u c t st o p or e l a t i o n so fb o t ht w o a n dt h r e e d i m e n s i o n a ld a t a ，g r e a t l ys i m p l i f i e s c o m p l e xt o p or e l a t i o n sb e t w e e n3 dg e o l o g i c a lb o d i e s ；a c h i e v e sd r i l l i n gd a t am a n a g e m e n t m o d u l e ，t h ed r i l l i n gd a t a3 dv i s u a l i z a t i o n ；r e s e a r c h e so n3 dg e o l o g i c a lb o d yo fs p a c e e n q u i r i e sm e t h o d s ，a c h i e v i n gm u t u a le n q u i r i e sw i t hg r a p h i c sa t t r i b u t e ss o m ef u n c t i o n a lb y v c + + a n do p e n g ls a d d l e b a g k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ；3 ds t r a t u mm o d e l ；3 dd a t ac o n s t r u c t i o n ；d r i l l t h e s i s d a t a ；3 di n q u i r y ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壶闩每1 日期：莎彳身牛砑d 兽日 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定。即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电予版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：壶f ：i 圳指导教师签名： 磊睦斜 加年t t 月，臼 1 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 近年来，随着现代信息技术与理论的不断进步，计算机地质学也得到了迅猛的发展。 以3 d 空间信息的研究与应用为核心和热点，掀起了三维地学模拟信息系统( 3 d g e o s c i e n c e sm o d e l i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m ，3 d g m i s ) 的研究热潮，3 dg m i s 主要以地球 表面及其以下空间目标为研究对象，用来表达和再现地表以下的空间地质体，从而解决 研究区域的地质问题。 目前，真三维地学模拟、地面与地下空间的统一表达、3 d 拓扑描述、3 d 空间分析、 3 d 动态地学过程模拟等已成为地学与信息科学的交叉技术前沿与攻关热点【l 】，是三维地 理信息系统和数字矿山研究的一个重要方面 2 1 。当前还没有产生一个成熟的、全面的三 维数据模型和数据结构，这严重制约了3 dg i s 、3 dg m i s 的发展和应用。因此，三维 地质建模的研究是非常有必要的，它对于促进地球科学信息化研究的进程，加快地质采 矿领域的信息化管理，提高工作效率和增加经济效益都具有重大的意义。 当前主流的三维地质建模软件g o c a d 、m v s 等提供了较强大的三维建模与分析工 具，实现了多种数据的三维综合建模、显示和分析，但都缺乏对钻孔数据分层的综合管 理。中国地质大学吴冲龙教授研究提出了建立构造一地层格架三维可视化数值模拟理论。 根据建模所采用的数据信息来源不同，主要有三种途径：基于地质平面图建立构造一地 层格架、基于地质剖面图建立构造一地层格架、基于钻孔数据建立构造一地层格架。而基 于钻孔数据建立构造一地层格架三维可视化模拟是三种主要构造一地层格架的途径中 当前尚未完全解决的技术难题。 中国科学院岩土所王笑海博士在基于三维拓扑格网结构的g i s 地层模型研究中，介 绍了利用钻孔资料建立三维岩土工程地基模型的方法。该模型根据地层的特点，将地层 信息归纳为四种，即点状目标、线状目标、面状目标和体状目标，分别用结点、线、面 片、体四种元素来进行几何描述。其特点是：存储量小，检索查询操作简单、易于与其 它数据格式的对象集成。最近，美国b r i g h a my o u n g 大学e m r 实验室a l a nm l e m o n 和n o r m a nl 1 0 n e s ( 2 0 0 3 ) t 4 2 】也共同探讨了基于钻孔数据，采用用户自定义钻孔剖面图来 建立三维实体模型。王笑海( 1 9 9 9 ) 所建立的模型较为简单，仅能表达三维的地基岩土结 构，不能解决断层、尖灭体和溶洞的表达问题；而a l a n 和n o r m a n 提出的h o r i z o n s 建模方法，先根据用户指定钻孔生成钻孔剖面图，再根据剖面图进行三维插值，应归属 基于地质剖面图的技术范畴。这一过程涉及到相当大的人机交互工作量，也需要操作人 员具备有地质科学专业知识。本文通过一系列针对性的研究解决基于钻孔数据建立地层 西安科技大学硕士学位论文 格架的三维建模技术。 1 2 国内外研究现状 随着科学计算可视化的发展，地质信息的可视化已成为上世纪9 0 年代以来地学领 域的研究前缘。将可视化技术引入到工程地质、数字矿山、沉积地质、数值盆地。油气 储层等领域的研究工作中，有助更好地理解地形、矿体、地层、盆地、油气的空间形态 和位置关系。 数据模型和数据结构是计算机三维建模的关键，任何实体建模都离不开它，而软件 开发也是三维建模研究与成果应用当中的一个重要环节。以下从数据模型与数据结构、 软件开发两方面分析国内外三维地质建模研究现状。 1 2 1 数据模型与数据结构 空间数据模型是根据一定方案建立的数据的逻辑组织方式，是描述空间数据的概念 集合，包括对大量空间实体和空间关系的归纳。数据结构是数据模型的具体化，在系统 实现上占有重要地位。在三维空间数据模型和数据结构方面许多学者进行了大量的研究 工作，目前几种主要的数据模型研究成果可归纳为基于面模型、基于体模型和混合与集 成模型三种，如表1 1 所示： 表1 1 几种主要的3 d 空间数据模型 ( 据吴立新等，2 0 0 3 修改) 基于面模型基于体模型( v o l u m e t r i cm o d e l ) 混合( 集成) 模型 ( f a c i a lm o d e l )规则体元非规则体元 不规则三角网( t i n )结构实体几何( c s g ) 四面体格网( t e n ) t n 小c s g 混合 格网( g r i d l体素( v o x e l )金字塔( p y r a m i d ) t i n o c t r e e 混合与集成 边界表示( b r e p )八叉树( o c t r e e l 三棱柱( t p ) w i r e f r a m eb o l c k 混合 线框模型 针体( n e e d l e )地质细胞( g e o c e l l u l a r ) o c t r e e t e n 混合 ( w i r ef r a m e ) 块段模型 非规则块体( i r r e g u l a r 断面模型( s e c t i o n l 矢栅集成面向对象 ( r e g u l a rb l o c k )b l o c k ) 实体( s o l i d ) 多个矢栅集成 3 d v o r o n o i 图 t i n - t e n 混合 广义三棱柱( g t p ) 面向对象体元拓扑模型 2 1 绪论 上述模型中，不规则三角网和格网模型的实质是一种2 5 d 的表面建模，它是任何 3 dg m i s 系统的重要组成部分，有时也称为数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，d t m ) 。 多用于层状矿床构模，对于层状矿体，一般先生成各岩层接触界面的d t m 表面模型， 然后根据岩层间的截割和切错关系通过“修剪”、“优先级次序覆盖”或算术和逻辑运算的 方法对各岩层接触界面或厚度进行精确修饰。这种建模一般只能得到地质界面的2 5 d 模型，而不能表达地质体内部的属性特征和地质对象之间的空间关系。 以下对当前研究比较多的线框模型、结构实体几何模型、八叉数模型、四面体格网 模型、实体模型、广义三棱柱模型、面向对象的体元拓扑模型、混合( 集成) 模型等几种 模型做以分析和描述。 ( 1 ) 线框模型( w i r e f r a m e ) t 3 1 4 】：线框构模技术就是把目标空间轮廓上两两相邻的特 征点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后主要依据三角形数据模型把这些多边形 面以三角面片的形式拼接起来形成一个多边形网格来模拟地质边界或开采边界( 如图 1 1 ) 。这种方法就是由二维轮廓线重构三维物体的问题，目前研究已比较成熟，m e y e r sd 等人【5 】用其对应的最小生成树的方法来模拟管状物体的连接，m w j o n e s 【6 】等人提出了将 多轮廓线之间的形体重构问题转换为体数据中的等值面改造问题，这一方法对地质体的 构模更具参考价值，而a b e k o u l e i ”也在1 9 9 1 年解决了非凸轮廓线的三维物体重构问 题。 剖面轮廓线 图1 1 基于剖面无拓扑建模示意图 线框构模因其易于实现、操作简单而在地质、采矿领域的商品化软件中普遍采用， 如m i c l 公司的d a t a m i n e 软件 就采用线框模型【8 i 、m a p t e k 公司 的v u l c a n 软件也采用线框模型 等，但目前线框建模法仍不能表 达地质体内部的属性和地质对象 之间的空间关系。 ( 2 ) 结构实体几何模型 ( c s g ) ：这种模型是利用预先定 图1 2c s g 模型的构模原理 西安科技大学硕士学位论文 义好的一些规则体元( 也称为刚体) ，如立方体、球体等来合成实体，这些体元之间可以 进行几何变换和正则布尔运算，生成的3 d 物体可以用c s g 树来表示( 如图1 2 所示) 。 这种模型对于描述结构简单、形状规则的物体非常有效，但对于复杂不规则物体则很不 方便，所以不适合用来进行三维地质体的模拟。 f 3 ) 八叉数模型_ ( o c t r e e ) 1 9 1 0 】：这种模型是为了克服三维栅格模型在三维物体边界表 达和数据存储方面的缺陷而由h u n t e r ( 1 9 7 8 ) 等人提出的一种空间栅格数据模型，后来 发展成为线性八叉树模型，它是二维中的四叉树模型在三维中的推广。该模型是将三维 空间区域分为八个象限，如果每一个象限都均质( 即象限中每一个体元的类型相同或达 到了一定的误差精度) 就不再细分，否则，再将该象限细分为八个象限( 如图1 3 所示) 。 该模型已经在医学、生物学、机械学等领域得到成功应用【l ”，郭达志等人对这种数据结 间结点 _ 叶节点 口空节点 图1 30 c t r e e 模型的构模原理 ( 侯恩科2 0 0 2 ) 构改进以后用来表达矿山地下的三维物体【1 2 1 。模型的主要优点是数据便于查找，利于对 三维体数据进行空间分析i ”】，但由于其几何变换非常困难等问题而在矿床地质构模中有 较大局限。 ( 4 ) 四面体格网模型( t e n ) ：t e n 模型是将空间 无重复的散乱点集用互不相交的直线两两相连成为 三角面片，再由互不相交的三角面片构成t e n 。模 型中四面体内部不含点集中的其它任何点，内部点 的属性值由四面体四个顶点的属性值内插所得。该 模型虽然可以表示实体内部，但难于适应交互式地 质解释工作，且在表示和生成空间3 d 曲面时比较 困难，算法设计复杂【l l 】。 ( 5 ) 实体模型( s o l i d ) ： 三维实体模型实际是一 4 图l _ 4 广义三棱柱法构模原理图 ( 吴立新等，2 0 0 3 ) 1 绪论 种复合数据模型，它采用多边形网格来精确描述地质边界和开挖边界，同时采用传统的 块体模型来描述形体内部的品位或质量分布【l 】，从而解决了地质体边界和内部属性的完 美表达和计算。加拿大的l y n x 系统中的3 d 元件构模就采用了这种模型。但实体模型适 合具有复杂内部结构的构模，缺点是人工交互工作量大，另外对于空间对象内部及其之 间的拓扑关系的表达不够完善。 ( 6 ) - - 3 ( - - - - 棱柱( g t p ) 4 1 5 1 6 1 7 1 ：广义三棱柱是在最初的三棱柱口p ) 模型基础上 发展而来的，它经过了三棱柱( z f i p r i s m ，t p ) 模型、类三棱柱( a n a l o g i c a lt f i - p f i s m ，a t p ) 模型、广义三棱柱( g e n e r a l i z e dt r i p r i s m ，g t p ) 模型，刘少华1 1 6 】等人也提出了类似于g t p 的似三棱柱( s i m i l a rt r i p r i s m ，s t p ) 模型。g t p 模型用t i n 面来表达地层面，用空间四边 形面来描述层面之间的空间关系，用g t p 柱体来表达层与层之间的空间实体，如图1 4 所示。 g t p 模型最大的优点是模型的开放性和具有拓扑描述性，但这种拓扑关系只包含 空间几何要素之间的拓扑描述，缺乏地质对象之间的拓扑描述，另外，模型主要针对钻 孔数据设计。 ( 7 ) 面向对象的体元拓扑数据模型【3 8 】：随着面向对象技术的发展，面向对象数据 模型的研究也是当前3 d g m 数据模型研究的热点和难点问题，许多学者利用面向对象 技术提出了许多相关的数据模型。侯恩科、吴立新提出了面向对象的三维体元拓扑数据 模型【2 】。在该数据模型中，用面向对象的方法将地质对象抽象为点、线、面、体，体类 又进一步划分为复合体、复杂体、简单体和体元四类，对所有对象类设计了1 2 种拓扑 关系和相应的数据结构。该模型的主要优点是：含拓扑关系，有利于空间统计、空间分 析、空间查询等；即能表达地质体几何特征，而且可以表示体内属性；体元剖面的定义 有利于平面编辑和空间任意不规则体的表达：体元的几何特征有利于体积计算和空间对 象的交切体积计算。但该模型对地层中含有夹层、洞穴等情况不能有效描述，而且建模 要求空间剖面必须是平行剖面。另外，模型的提出者对模型的有效性尚未全面验证。 ( 8 ) 几种混合( 集成) 数据模型：现有的三维数据模型中，有些模型便于描述规则目 标( 如c s gb r 模型) ，而另一些模型，则对于不规则目标的描述较为有利( 如t i n 和t e n 模型) 。矢量模型对图形输出、数据存储等有利，对空间分析却不利：而栅格模型对空 间分析效率高，但对图形输出、数据存储等效率却很低【3 】。所以，采用单一的数据模型 很难对各种类型的空间实体进行有效的描述。近年来三维数据模型研究的趋势集中在多 种数据模型的混合与集成及其算法分析与处理方面。 龚健雅、夏宗国提出了适于矿山应用的矢量与栅格集成面向对象的三维空间数据模 型l j ，他们特别强调引入数字表面模型、断面、柱状实体这三类空间对象，以处理复杂和 特殊的三维空间问题的发展。吴信才等人1 2 0 ) 在分析城市三维地质数据多种建模方法的基 础上，采用一种基于t i n 和t e n 的混合数据结构来构建城市三维地质数据建模系统。还 5 西安科技大学硕士学位论文 有学者提出了适合于城市应用的t i n c s g 集成模型，适于海洋、地学领域的t e n o c t r e e 集成模型等。这些模型由于是几个模型的集成，所以扩大了其应用范围，但仍然不适合 具有拓扑关系的三维地质建模。柳庆武等人【2 l 】提出了一种基于钻孔资料的计算机自动模 拟地层格架技术，把地层建模分成垂直于地层界面伸展方向和平行于地层界面伸展方向 两个相互独立的过程，采用线性插值的方法先自动模拟生成地层格架元，再依据格架元 之间的数值关系进行地层整合形成地层格架体。 因此，在现有的三维数据模型中，有些模型便于描述地质对象的外部而不能表达其 内部属性，如线框模型、t i n 模型等：有些模型便于表达地质对象的内部属性而对于地 质对象的外部和地质边界描述较差，如c s g 模型、t e n 模型等；实体模型、一些集成 数据模型虽然解决了地质对象的内、外表达与描述，但交互工作量大，且没有空间拓扑 关系表达或空间拓扑关系表达不够完善；g t p 模型、面向对象体元拓扑模型与其它模型 相比，具有便于空间查询和空间分析的优势，但这些模型的研究尚不成熟，需要进一步 探索和完善，这些都是三维数据模型研究中急需解决的问题。 1 2 2 软件开发 2 0 世纪9 0 年代以来，国际上用于盆地油气成藏模拟的主要软件有：德国尤利希核能 研究有限公司石油与有机地球化学研究所( i e s ) 研制的p e t r o m o d 盆地模拟系统，法国石 油研究院( i f p ) 研制的t e m i s p a c k 盆地模拟系统、美国p l a t t er i v e r a s s o c i a t e ( p r a ) 公 司研制的b a s i n m o d 盆地模拟系统等。这些软件致力于在油气储层研究领域解决应用二 维剖面图生成三维地层格架数值模拟，软件内容全面，技术含量和商品化程度都很高。 但只是在二维模拟方面比较成熟，在三维模拟上主要集中在储层模拟领域( r e s e r v o i r m o d e l i n g ) ，且建立三维地层格架的数据源比较简单。 近年来，以色列帕拉代姆地球物理公司( p a r a d i g mg e o p h y s i c a ll t d ) 的g e o d e p t h 软件将区域地质资料、地震资料与模型模拟技术综合进行三维地层骨架建模。美国动态 图形公司( d y n a m i cg r a p h i c s i n c ) 的e a r t hv i s i o n 空间地质建模软件，在建立复杂地质构造 的三维实体地质模型方面功能较强，能建立油田的三维地质构造模型和属性模型，绘制 精确描述层位面与断层几何形态的构造图和绘制与三维空间一致的剖面图。e a r t h v i s i o n 与g e o d e p t h 一样，都是基于三维面的等值线进行交互式对话。这些建模软件在三维地 质建模、可视化模拟方面功能较强，但数据来源主要依赖于地质剖面图和地震解释资料。 目前，国内很多企事业单位和科研机构也进行了这方面的探讨和研制，形成了一些 颇具科研和应用价值的软件产品。具有代表性的盆地模拟软件主要有中国石油勘探开发 科学研究院盆地综合模拟系统b a s i m s 、中国海洋石油总公司的超级盆地模拟系统 p r o b a s e s 等。它们的不足之处在于没有很好地解决地层格架的三维可视化建模。国内外 许多学者开展了与三维地质模拟有关的研究，一些软件也具有2 5 d 表面建模和3 d 地质 1 绪论 模型可视化能力，但这些软件还算不上真3 d 的地质模拟软件。因为真正的3 d 地质模 拟软件要求将空间坐标( x ，y z ) 作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表 示式为：f = f ( x ，y ，z ) ，因而所建立的三维地质模型不仅可以实现3 d 可视化，而且可以进 行空间3 d 分析。由于三维地质现象的复杂性和研制三维空间信息系统的高难度性，致 使目前许多关键理论、方法和应用问题没有真正解决，还没有成熟的能应用于地质矿山 领域的三维地质模拟信息系统，真3 dg i s 的理论研究和产品开发都处于探索与试验阶 剐1 1 。现有的商用g i s 软件无法对地质体的切制剖面、三维查询、三维分析等真三维进 行操作1 2 2 】。因此，开展三维地质建模的关键理论、方法研究对于促进三维地理信息系统 理论和方法的发展与完善、开发实用三维地质模拟信息系统具有重要意义，许多学者已 经将能够进行三维地质建模的三维矿业地理信息系统作为数字矿山研究的关键技术之 一【2 3 1 。 在软件应用方面，由于国外软件价格昂贵、专业使用性强，而国内尚没有系统开发 出相应的三维地质模拟软件，所以这极大限制了我国地质、采矿、海洋等领域的发展。 所以，有必要进一步研发国产三维地质建模软件。 综上所述，缺乏三维空间物体之间及其内部各要素之间拓扑关系的完整描述和表达 等是当前三维数据模型存在的主要问题，而没有真正的三维数据模型，就不可能开发出 真三维地质建模软件；建模数据来源单一和人机交互繁琐等问题也是三维模拟软件急需 解决的。这些正是本文选题的主要依据。 1 3 研究目标与研究内容 1 3 1 研究目标 通过对当前国内外3 dg m 研究现状的分析，本文主要进行基于钻孔数据的三维地 层模型构建方法与查询功能研究，主要研究目标有： 1 ) 在对地质对象的特征、认识过程分析的基础上设计出地质数据结构； 2 ) 研究提出一种适合工程地质和石油地质学科特点的地层数据模型一基于钻孔数 据的地层格架数据模型，该模型采用了面向对象的思想： 3 ) 进行具体的数据库设计和开发，并最终实现基于钻孔数据的地质三维可视化及 查询功能： 4 ) 进行三维地质体的图形一属性互查功能的研究，并初步实现其互查功能。 1 3 2 研究内容 本课题探讨基于钻孔数据三维地质建模的理论与方法及基于钻孔数据三维地层格 架模型的自动生成技术。主要研究内容如下： 7 西安科技大学硕士学位论文 1 ) 数据源的组织和基于钻孔的三维建模思路与过程研究 在3 dg i s 和3 dg m i s 的研发当中，数据的管理和处理是首要的工作。地质数据的 来源多种多样，只有将不同类型的地质数据在计算机中合理地组织和管理起来以后，才 能进行有效的三维地质建模。因此，要根据基于钻孔数据三维地质建模的需要，对基本 地质数据在计算机中的不同组织方法进行研究，建立基于钻孔数据的三维地质建模的数 据库。 2 ) 基于钻孔数据的三维数据模型和数据结构研究 三维地质体建模的关键技术之一就是建立起一个适合地质学科特点的地质数据模 型，使之能够实现地质实体( 如断层、土层等) 和工程实体( 如基坑、隧道、钻孔等) 的几 何及拓扑信息可视化、对信息来源进行跟踪、对信息质量进行评估并提供一些工程实用 功能( 如变形预测、反演分析) 等。 面向对象方法是从特殊到一般的归纳过程和从一般到特殊的演绎过程的有机结合， 已经成为认识问题、分析问题、解决问题的一种有效方法，其核心思想就是要将众多具 有共性的事物抽象为类，再由类来生成具体的具有特性的对象。在地层数据模型的设计 过程中，同样涉及到复杂的信息类型，如作为地质信息的土层、断层、钻孔等，作为地 下构筑物的基坑、地下洞室、交通隧洞等。本文研究的主要工作之一就是要将这些复杂 的信息抽象成不同的类来表示整个系统的层次结构。 3 ) 基于o p e n g l 的地质体可视化及查询方法研究 科学可视化是计算机技术的又一个新兴应用领域，各种具体的或抽象的模型，可以 通过可视化技术实时、形象的展现出来。如何有效的将一种模型或一种数据结构以图形 图像的方式显示出来，这在很大程度上决定了这种模型的实用性。地质实体三维可视化 是所有g i s 软件和3 dg m i s 软件的主要目的之一，它可以使地质工作者方便的看到地 质体的三维空间形态与分布、相互关系【2 ”，为空间分析和查询做好基础。所以，本文将 对基于o p e n g l 的三维地质体可视化及空间地质对象属性查询进行研究。 2 钻孔数据与三维地质建模 2 钻孔数据与三维地质建模 对地学工作者和岩土工程师而言，三维地层模型对实际的地质分析极为有用 3 , 2 8 捌， 因为三维地质模型能够较完整准确地表达复杂地质现象的边界条件及地质体内含的各 种地质构造，逼真地呈现三维动态显示效果；辅以强大的交互式空间分析工具，三维地 层模型能够灵活自然地表现三维地质实体，最大限度地增强地质分析的直观性和准确 性。工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩 土层分布状况，取得的岩芯( 土样) ，还可以进行相应的室内试验，获得其物理力学指标 【3 叭。钻孔数据因其直观、准确、详细的特性在三维地层模拟中具有至关重要的意义，根 据钻孔数据构建三维地层实体模型一直是国内外研究的热点。 2 1 钻孔数据 2 1 1 钻孔数据的概念 钻孔是具有狭小地表面积和一定深度的柱状三维体 ( 图2 1 ) ，可以用点状实体存储表示。钻探是获得地 下岩层、构造、含水量等信息的有效手段。钻孔数据即 日常所说钻孔资料的抽象，是钻探工作的主要成果，是 技术人员进行计算、绘图、报告的主要基础数据。钻探 是地质勘探的最重要的方法之一，其目的就是为寻找资 源更好地服务。所以钻孔数据的好坏直接影响着生产。 比如在煤田地质普查与勘探过程中，在获得钻孔资料 图2 1 钻孔柱示意图 之后，通过钻孔数据分析，给出煤层赋存状况，清晰地了解地层状况，指导煤矿规划、 建设和生产。随着计算机技术和信息技术的发展，煤矿建设和生产也逐渐实现现代化和 自动化，要求相应的地质和测量工作实现计算机化 3 l 】。因此，只要利用计算机技术对钻 孔数据进行管理和处理，借助a u t o c a d 便可以实现煤层赋存状况的可视化。 2 1 2 钻孔数据的基本特征 由于工程区域涉及的钻孔资料种类众多，资料的翔实和可靠程度也不相同，因此， 进行三维构造一地层建模的前提是根据这些钻孔资料的基本特征进行分类整理，对能够 用于她质三维建模的资料需要进行抽取。 钻孔数据的基本特征是：它是由一组组离散的点组成，变化集中在垂直方向。钻孔 的分布具有空间性，同时，钻孔的空间信息是钻孔数据集成到g i s 的基础。由于地质钻 西安科技大学硕士学位论文 孔呈现为垂直地表的孔状结构；同时考虑到本实验系统的应用范围，可以将每个地质钻 孔抽象为一个具有三维空间坐标信息的点要素。 钻孔的非空间信息包括两部分内容：钻孔工程信息和后期采样信息。其中，钻孔工 程信息是钻孔工程施工时的相关信息，包括钻孔编号、钻孔深度、地面高程等，这些信 息构成钻孔数据的元数据：采样信息是钻孔工程实施后，多次进行的采样过程所获取的 信息，包括岩芯性质及地质信息等【北j 。 2 1 3 钻孔数据的应用 钻孔数据在人类的生产过程中有着广泛的应用。在找矿、油气勘探等过程中钻孔数 据是成矿、石油天然气储集地质环境分析等显示最直接的地质依据，在工民建中的作用 亦不容忽略。为此，许多专家学者对钻孔数据在各行各业的作用进行了深入的研究。 骆鸣津研究了综合应用钻孔应变固体潮和应变地震波数据求解地震参数和地层的 力学参数；汤友谊研究了利用钻孔数据预测矿井未开采区煤层瓦斯含量；韩永琦研究了 利用钻孔的综合测井资料进行水文分析：也可以利用钻孔资料求取地层产状：利用斜井 钻孔崩落资料反演地壳应力状态：利用钻孔资料研究煤层顶板的稳定性等等。 在工程勘察中，钻孔数据是被普遍使用的资料之一，为充分发挥已有工程勘察资料 的作用，一些城市相继建立了工程勘察信息系统。在建立的信息系统中，钻孔信息起着 十分重要的作用。通过钻孔资料，我们可以了解该处地层分布、土及岩石的构成与物理、 力学特性等，利用己知钻孔点建立模拟钻孔，它不但可以用于初步设计和地质、地层分 析，还对完善工程地质报告很有帮助。 2 2 三维地质建模 三维地质建模是当前科学计算可视化应用领域之一。我们知道寻找煤、石油和金属 矿藏是包括我国在内的许多国家的一项长期的战略性任务。其主要方式是通过地震勘 探、钻孔取样了解大范围内的地质结构，发现可能的含煤、含油矿藏构造，并通过测井 数据了解局部区域的地层结构，探明矿藏位置及其分布，估计蕴藏量及勘探价值。由于 地震资料、测井数据及钻孔数据的数据量极其庞大，而且分布不均匀，因而很难从纸面 数据做出分析。利用三维可视化技术可以从大量的地震、钻孔数据或者测井数据中构造 出感兴趣的等值面、等值线，显示其范围及走向等，从而使专业人员能够对原始数据做 出正确解释。 2 2 1 三雏地质建模的概念 三维地质建模( 3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g ，3 dg m ) 是随着计算机地质学、图形图象处 理、科学可视化等技术的发展而在上世纪8 0 年代后期被人们所关注。传统的地质信息 1 0 2 钻孔数据与三维地质建模 表达主要是通过平面图与剖面图表达，以及采用透视和轴侧投影原理将3 d 地质环境中 的对象进行透视制图，或投影到两个以上平面上进行组合表达，以增强3 d 视觉效果。 但这种表达方式仍然存在空间信息的失真、操作繁杂、修改和更新困难等问题1 2 】。3 dg m 正是针对这些不足和缺陷，借助计算机和科学可视化技术从2 5 d 和真3 d 的角度对地质 对象及其环境进行模拟和显示。而含有拓扑关系的三维数据模型与数据结构更是3 dg m 所不可缺少的，它不但要完成地质信息的空间模拟和显示，而且要能够在此基础上进行 3 d 空间分析和空间查询、信息的动态更新等操作。 与其它的地质信息表现形式相比，三维地质建模有突出的优越性： 1 ) 逼真的三维动态显示效果，使不熟悉地质结构和构造复杂性的人员对地质空间 关系有一个十分直观的认识。 2 ) 强大的可视化功能，可提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别，为勘察、 试验工作提供验证和解释。 2 2 2 地质对象的基本特征与建模要求 任何地质对象在空间上都占有一定的位置和范围，具有一定的形态和性质特征，并 与其它地质对象之间存在着一定的空间联系。因此地质对象的基本特征可归结为空间特 征、属性特征和空间关系特征三个方面。 1 ) 空间特征是表示地质对象所处的空间位置特征，也称作几何特征或定位特征。地 质对象一般是通过地质体来反映的，地质体的形态通常是不规则的，而且具有不同的产 状。 2 ) 属性特征表示地质对象的各种性质特征，如地质对象的年代、岩性、孔隙度、渗 透率、矿化度、含水性、力学强度参数等。不同的地质对象具有不同的属性特征，同一 地质对象的属性特征在空间上往往是不均一的。比如金属矿体内部的品位随着位置的不 同而发生变化。在计算机存储中，属性特征以一组数字或字符来表示特定含义。 3 ) 空间关系特征指各地质体之间的空间邻接关系和包含关系。在计算机图形显示 中，各地质体的空间关系是借助图形或色彩差异来识别和解释的，各地质体间的空间关 系是利用空间数据的拓扑结构加以定义的。 计算机地质建模就是要在计算机环境下建立起某一研究范围内所有地质对象的三 维模型。这种三维模型要能够全面表达地质对象的几何、属性和空间拓扑关系特征。由 于地质体通常位于地表以下，地质工作者不可能直接全面地观察到地质对象的各种特 征，而只能通过钻探、物探等手段获得地质对象的部分特征信息，并通过对这些信息的 分析、解释来推断出整个地质对象的三维基本特征。这种分析、解释和推断通常是在一 系列二维剖面上进行的。一个勘探区往往有许多这样的剖面，每一个剖面上既有实际的 勘探资料，也有解释、推断的资料。随着勘探工作的深入和资料的增多，对地质对象特 西安科技大学硕士学位论文 征的认识会不断得到完善和提高。 2 2 3 地质体的分类及其表示方法 地质现象极其复杂，地质体的成因、规模、形态结构差别较大，呈非线性特点。漫 长的地质活动、地壳物质的非均一性、气候、水文环境的多变性甚至生物活动都是地质 现象非线性的重要因素。但是从几何观点来看，各种地质体及其构造都可以归纳为点、 线、面和体。体是钻孔、侵入体等；面主要有岩层、层理、和断层；线包括呈线形的构 造以及各种面的交线。 对于分类为体的地质体的大致位置和形状需要根据钻孔数据和地质学理论来推断 确定。通常用闭合曲面来表示它。 在分类为面的地质体中，岩层是主要的描述对象，对于平面的岩层可以用其走向、 倾向、倾角数据来描述，但实际上岩层面往往不是稳定的平直面，而是顺走向和倾向都 会发生变化的曲面。断层与岩层的几何特性比较相似，一般与岩层成一交角。由于三角 片构成的分片曲面可以用较少的网格数表示任意边界、变化剧烈的复杂地质构造，因此 本文主要采用面向对象的d 一三角格架模型建立地质层面构造模型。 2 3 地质体可视化方法 目前，地学信息可视化的产品很多。例如：应用3 d s 制作动画，实施预定路径的地 景观察：应用o p e n g l 软件在微机或工作站上实现可实时交互的、可立体观察的虚拟地 景仿真；运用p e r f o r m e r 及m u l t i g e n ( 三维建模软件) 在s g i 工作站上完成地景建模与 实时显示等。可视化技术的研究和利用给地球科学研究带来了根本性变革。在本论文实 验程序开发的过程中，作者应用了o p e n g l 开发工具包。 2 3 10 p e n g l 简介 o p e ng l 指的是开放图形程序库( o p a ng r a p h i c sl i b r a r y ) ，是由s i l i c o ng r a p h i c s i n c o r p o r a t e d ( s g i 公司) 的i r i sg l 发展而来的，它不是一种开发语言。现已成为应 用最为广泛的三维图形工业标准【3 3 i 。m i c r o s o f t 公司与s g l 公司合作共同开发了o p e ng l 的w i n d o w s n t 版本，以动态链接库形式( o p e n g l 3 2 d l l 和g l u 3 2 d l l ) 连接到 w i n d o w s n t 3 5 1 、w i n d o w s n t 4 0 、w i n d o w s 9 5 ( o s r 2 ) 、w i n d o w s 9 8 等环境中，开发者可 以在各种硬件平台及操作系统下方便地利用该图形库。同时为了利用可视化开发工具 v i s u a lc + + 的强大功能来实现对o p e n g l 三维图形的操作，v i s u a lc + + 2 0 以上版本中， 提供了o p e ng l 的静态库和开发库( s d k ) 。关于o p e ng l 操作技术方面的详细介绍已有 许多书籍做过说明和示范，本文就其图形处理流程和基本操作命令做一简单介绍。 2 钻孔数据与三维地质建模 图2 2o p e ng l 的工作流程示意图 ( 1 ) o p e ng l 的工作流程： o p e ng l 下对图形图像的处理以及对顶点数据的处理过 程如图2 2 所示，在该过程中，象素操作、光栅化、图像片断化等过程是为图像输出所 作的处理；纹理