（地质工程专业论文）基于oosolid数据模型的三维地质模型构建与动态更新方法研究.pdf

论文题目：基于o o 。s o l i d 数据模型的三维地质模型构建与动态更新方法研究 专业：地质工程 博士生：邓念东 指导教师：侯恩科 摘要 ( 签名) ( 签名) 三维地质模拟( 3 d a 订) 是当前三维地理信息系统( 3 d g i s ) 和数字矿山( d m ) 理论与技 术发展急需研究和解决的关键问题之一，其研究成果对基础地质研究、矿产资源勘查与 开发等具有重要意义。 本文以地理信息系统理论为指导，以点集拓扑理论为基础，采用面向对象的方法研 究了基于剖面的三维拓扑( o o s o l i d ) 数据模型和数据结构，采用计算几何、地理信息系 统、计算机图形图像学等方法研究了基于修正后的o o s o l i d 数据模型的三维地质模型 构建与动态更新方法。在数据模型和数据结构研究方面，针对o o s o l i d 数据模型的不 足，修正了o o s o l i d 数据模型及其构模元素，对修正后的o o s o l i d 数据模型进行了形 式化描述，重新设计了相应的拓扑关系和数据结构。在基于修正后的o o s o l i d 数据模 型的三维地质模型的构建方法研究方面，主要研究了三维地质建模的流程、空间剖面的 定义与生成方法、体元的生成方法、三维地质模型的生成方法和关键算法，提出了“剖 面构模元素拓扑关系自动构建的新算法、“已知前后剖面推断中剖面 的新思路和构 建复杂地质体的“分而构之 的新方法。在基于修正后的o o s o l i d 数据模型的三维地 质模型的动态更新方法研究方面，提出了“由上至下进行动态更新的思路和点、线、 面、体四类对象动态更新的方法。在上述研究的基础上，以s q ls e r v e r 2 0 0 0 、v c + + 6 o 、 o p e n g l 等为工具，进行了实验系统的设计与开发，并利用河北金牛能源股份有限公司 章村矿地质勘探和生产数据对所开发的实验系统进行了应用研究，验证了上述几方面研 究成果的实用性和有效性。 关键词：o o s o l i d 数据模型；三维地质模拟；数字矿山；动态更新：拓扑关系 研究类型：应用研究 s u b j e c t：r e s e a r c ho nm e t h o do f3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n ga n dd y n a m i c u p d a t i n gb a s e do nt h eo o s o l i dm o d e l s p e c i a l t y：g e o l o g i c a ie n g i n e e r i n g n a m e：d e n g n i a n d o n g i n s t r u c t o r ：h o ue n k e a b s t r a c t ( s i g n a t u 心) ( s i g n a t u 心) n 鹏e - d i l i l e 璐i o n a lg e o l o g i c a l m o d e l i n g( 3 d g m ) i so n eo fm ek e yi s s u e so f t h r e e d i m e n s i o i l a lg e o l o g i c a l 0 姗a l i o ns y 咖m ( 3 d g i s ) 趾dd a t am k i ti ss i 蛐f i c a n t l a ti t s r e s e a r c hr e s u l t sa p p l yi i lt h er e 百o no fb 嬲i cg e o l o g i c a lr e s e a r c h 觚dr e s o u r c e 以p l o m t i o n 髓dd e v e l o p m e n t 1 kg e o 龋【p i l i ci 响m a t i o ns y s t e m ( g i s ) 舭o r y 舔a 嘶d e ，p o i n t - s c tt o p o l o g ym e o r ) r 嬲 b 2 u s i s ，n l i sp a p e ru s e so b j e c t o r i e n t e dm e t h o dt os t u d yo np r o f i l e - b a s e dt l l r e e d i m e n s i o n a l t o p o l o g i c a l 协i n o d e la i l d 纰蛐m c t l l r e b yu s eo fc o m p i u l 【a t i o n a lg e o m e t 吼g i s ，c o m p u t e r 伊a p l l i c si i i l a g e s ，3 d g m ，也cc o n s t r u c t i o n 锄dd y n 锄i cu p d a t i i l gm c m d d so f3 d g m 眦 1 e s e a i - c h e do nm eb a s i so f 锄e n d e do o s 0 1 i d ( 1 a t am o d e l i nr e s e a r c ho nd 妇m o d e la n d ( 1 a t a s 仃u c t u 】旧，c o r d i i l gt 0m el h i l i t a t i o 璐o fr n o d e l i n g ，d a t am o d e la 1 1 di t se l e m e n t so fo o - s o l i d w 嬲r e v i s e d a r e rr e v i s i o n ，t h er e v i s e do o s o l i dd a t am o d e lw 弱f o m ：x a ld e s c r i b e d ，锄dt h e t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i pa n d 妣as t r u c t u r ew 嬲r e d e s i 印e d b a s e do nt l l er e v i s e do o - s o l i d 1 1 1 0 d e l ，也ep a p e rr e s e a r c h e d 也ec o n s 协l c t i o nm 咖d so f t h r e ed i m e n s i o n a lg e o l o 西c a lm o d e l s ， i n c l u d e s 圮p r o c e s so f3 d a 订t 1 1 ed e 丘i l i t i o n0 fs p 撕a 1p r 0 6 l ea n dg e n e 删t e dm e t h o d s ，t l 嵋 g e n e m ! t i o nm 甜l o d so f b o d ye l e m e n t ，g e n e r a t i o nm e t h o d sa i l dk e ya l g o r i t h m so f3 d g m 7 n l e n e w a l g o r i t l l mw h i c ht h ea m oc o n s 岫j c t i o na _ b o u tt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s l l i po fp r o f i l em o d e l i n g e l e m e n t sa r ea u t o m a t i cc o n 咖t e d ，w a u sp r o p o s e d t h en e wi d e 巩w t l i c hw a si n f e m dm e m i d p r o f i l eo nt h eb a s i so fk n o w nf o r e p r o f i l e 锄db a c k p r o f i l e ，w a sg i v e n t h en e wm e t h o d ， w h i c hw 邪d i v i d e dt 1 1 ec o m p l e xg e o l o g i c a lm o d e la n dc o n s t l l j c t e d1 a t e lw a sp mf o n 吼r d b a s e do nr e v i s e d0 0 s o l i dd a t am o d e l i nt h ed ) ，i l 锄i cu p 妇i n gm e t i l o d so ft l l 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 l ，t h en e wi d e 钆w 1 1 i c hw 勰u p d a t i n g 舶mu pt 0b o 们m ，a n dm ed y m i i l i c u p d a t i n gm e t h o da b o u tp o i n t ，l i n e ，s u d 砬ea n db o d ya r ep r o p o s e d o nt 1 1 eb 雒i so fa b o v e 咖d y s q ls e r v e r 2 0 0 0 、v c + + 6 0 、o p e n g l 嬲t o o l s ，l ee x p 耐m e n t a ls y s t e mw 嬲d e s i g n e da n d d e v e l o p e d i tw a ss h o w nt h a tt h ep a p e rv e r i 匆t h ep r a c t i c a l i t ) ra n de 能c t i v e n e s so f t h r e e d i m e n s i o n a ld a 胁m o d e l ，t l l r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l i n g m e t h o d s 锄da l g o r i t h mf o r d y n 锄i cu p d a t eb yu s i n ge x a m p l e so ft 量l ea c t u a lc o a lm i n ee x p l o r a t i o n 觚dp r o d u c t i o nd a _ t a 劬mz h a l l g c 吼m i n ei nh e b e ij i 皿i ue n e 唱yc o m p a l l yl i m i t e d k e yw o r d s ：o o - s o l i dm o d e l 3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g d i g i t a lm i n e d y n 锄i cu p d a t i n g t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s t h e s i s：f 0 u n d a t i o nr e s e a r c h 西安科技大学 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 已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感谢。 学位论文作者签名： 渗p 私雏- 旦期：叩么- ，2 l 。 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 印件和电子版。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应本声明。 学位论文作者签名： 叹防啦 l 指导教师签名： 偿舅，矛 抽7 年么肌日 1 绪论 1 1 研究背景与研究意义 1 绪论 地理信息系统( g e o 鲈a p l l i ci n f o m a t i o ns y s t 锄，g i s ) 是一种专门用于采集、存储、管 理、分析和表达空间数据的信息系统【1 1 。它是一门集地球科学、空间科学、环境科学、 地理学和自动制图技术等最新成就的新兴边缘学科【2 巧】。作为地理信息空间技术的重要 组成，g i s 与遥感技术一起，已成为世界上继生物技术( b i o t e c l m o l o g ) r ) 和纳米技术 甜趾o t e c l 1 0 l o g y ) 之后发展最为迅速的第三大技术1 5 j 。 当今g i s 技术已经被广泛应用到生产生活各领域，三维g i s 以二维g i s 为基础， 并借助计算机科学技术及图形图像学等研究成果，逐渐成为g i s 发展的重要方向。随着 “数字地球( d i g i t a le a n h ，d e ) 战略的提出，许多国家、公司投入了大量的财力和人力， 旨在开发更加高效精确的g i s 系统【6 】。面对这场前所未有的发展热潮，我国也提出了发 展“数字中国 的口号，并着手实施数字海洋、数字交通、数字黄河、数字城市以及数 字矿山( d i g i a t l m i n e ，d m ) 等一系列示范工程，科技人员因此也得到了激励不断投身到研 究g i s 的工作当中。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域己率先发展 专用的具有部分功能的三维g i s 软件睁7 1 。与二维g i s 软件相比，三维g i s 软件及其使 用的三维空间技术对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户 展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间 的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维g i s 软件特有的功能。 与c a d 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间 分析的能力【引。 为了解决地学领域中三维问题，三维地学模拟( t i 玳ed i m e i l s i o n a lg e o s c i e n c e m o d e l i n g ，3 d g m ) 由加拿大s i m o nwh o u l d i n g 于1 9 9 3 首先提出【9 】，其定义为一门运用 现代空间信息理论和技术对地层及其环境进行信息处理、数据组织、空间建模与数字表 达，并运用科学可视化来对地层及其环境进行三维再现和可视化的科学和技术。从其定 义可以看出，三维地学模拟是是三维地理信息系统的一个重要组成部分，或者说是三维 地理信息系统的一个重要分支。自2 0 世纪9 0 年代初起，三维地学模拟逐渐成为数学地 质、石油勘探、岩土工程、地质工程、g i s 和科学运算可视化领域的研究与应用热点。 而地质模拟定义为利用计算机等现代空间信息理论和技术对地质对象的各种特征数据 进行管理、解释、分析、推断和可视化的过程。人们将三维地质信息的表达称为三维地 质模拟，它是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、g i s 、图形 图像学、科学可视化等学科交叉形成的一门新型学科。三维地质建模是三维地学模拟的 西安科技大学博士学位论文 重要研究方向，三维地质建模有着广泛的需求和应用前景，可为岩土工程开挖、资源环 境调查、矿山建设和生产、城市规划、防灾减灾设计等提供直观形象的可视化环境、高 效快捷的技术支持和服务。经过多年的研究，三维地质模拟可以定义为从2 5 维和真三 维角度对地质对象的模拟，而实现三维地质模拟的信息系统称为三维地质模拟信息系统 ( n 鹏ed 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 gi n f o m a t i o ns y s t e m ，简称3 d g m i s ) 。三维地 质模拟信息系统处理、管理的对象是地面及其以下各种空问地质对象数据及其关系，包 括空间定位数据、图形数据、图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定空间范围 内分布的各种地质对象和过程，解决复杂的地质对象分析、决策和管理问题【9 1 引，其中 地质对象包括岩体、构造、矿体、溶洞、陷落柱等三维地质体。 地质数据是3 d g m i s 的“血液”，是系统发挥作用的前提和基础。地质对象通常位 于地下，能够获取的地质数据只是一些采样有限、离散、模糊、甚至有时是相互冲突的 低维数据【l 钔。此外，由于地质体经历了长期的地质作用过程，其空间形态和拓扑关系非 常复杂，并具有不连续性、复杂性、不确定性、非线性、多尺度等特点。数据模型是三 维地质建模和空间分析的基础和关键，在3 d g m i s 实现上占有重要的地位。前人提出了 二十多种数据模型【1 5 斟l ，大部分模型仅适合于规则、连续、相对简单及确定性空间对象 的三维空间构模，有些虽能进行复杂的、不规则地质体的三维构模，但在构模方法、拓 扑关系、动态更新或空间分析等方面存在不足【l l 1 8 2 5 1 。 剖面是地质对象表达和地质问题分析的一种常用的传统方法，也是计算机三维地质 建模的一种有效途径。地质对象及其几何要素之间拓扑关系的表达和分析是研发实用三 维地质信息系统的重要保证。现有基于剖面的三维地质建模研究成果中尚未涉及地质对 象及其几何要素之间拓扑关系的表达和分析【l 。基于此，侯恩科博士2 0 0 2 年提出了一 种三维体元拓扑数据( o o s o l i d ) 模型【2 1 1 ，该数据模型不但顾及了地质对象及其几何要素 之间拓扑关系表达和建模时地质人员对地质对象交互式解释推断的需要，而且充分考虑 了钻孔、剖面图等地质数据的多源性以及地质对象几何形态的不规则性和地质构造的复 杂性等问题，因而具有较大的实用性。但未能从拓扑学角度进行严格定义和形式化描述 【2 6 掣刀( 从拓扑学角度进行严格的定义和形式化描述直接影响着空间数据的组织、空间查 询、空间分析的完整性和有效性【2 6 2 8 ，2 9 1 ) ，未充分考虑地质模型动态修改问题【2 7 3 0 圳】， 使得将该数据模型直接应用于开发实用三维地质信息系统还有不少问题需要研究解决。 因此，拟以前人对o o s o l i d 模型的研究为基础，进一步完善和修正数据模型、重 新设计相应的逻辑模型，并从拓扑学角度进行形式化描述和完善数据结构。基于修正后 的数据模型和数据结构，提出三维地质模型构建和动态更新的方法和关键算法。该研究 对于丰富三维地质建模的相关理论与方法，研制我国具有自主知识产权的三维地质信息 系统，促进数学地质、地理信息系统学科的发展具有重要的理论和实践价值，同时对于 解决我国当前面临的矿产资源勘查、地质灾害与地质环境等问题具有重要的现实意义。 2 l 绪论 1 2 研究现状 1 2 1 三维数据模型及建模方法研究现状 在过去的几十年来，国内外学者对三维数据模型进行了大量深入的研究，针对不同 的空间现象研究了不同的构模方法，提出了许多种三维数据模型。由于现实世界的复杂 性和应用领域的特殊性，很难提出一个通用的三维数据模型，往往是根据研究领域具体 描述对象的特点或功能要求进行特别考虑而设计出各具特色的三维设计模型。 三维地质建模主要涉及地质界面建模和地质体建模，所采用的数据模型不同，则建 模方法也就不同，三维地质建模方法划分为3 种类型：即基于面的建模方法、基于体的 建模方法、混合建模方法【4 2 5 1 。 ( 1 ) 基于面的建模方法 基于面表示的模型是借助微小的面单元或面元素来描述物体的几何特征，它主要侧 重于3 d 空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物( 建筑物) 及地下工程的 轮廓与空间框架。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t i n 模型和基于数据内插的嘶d 模型通常用于非封闭表面模拟( 如地形表面建模和层状矿床 建模) 【3 2 刁4 】；形状( s h 印e ) 模型是通过表面点的斜率来描述目标表面；而边界表示( b r e p ) 模型和线框( w i r ef r 锄e ) 【3 5 】模型通常用于封闭表面或外部轮廓模拟。断面( s e c t i o n ) 模型 【3 6 】、断面三角网( s e c t i o n - t i n ) 混合模型及多层d e m s 模型通常用于地质建模【3 7 4 1 1 。 李青元在基于点、弧、多边形的2 d 拓扑关系模型的基础上针对地质构造现象提出了基 于点、边、环、面、体元素的，由五组拓扑关系结构组成的3 d 矢量拓扑数据模型【4 2 】， 这种模型没有考虑人工勘探工程，只适合互斥、完整体域所形成的自然地质体。陈军对 于三维空间实体分类为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体，在研究了三维空间 实体的形式化描述以及拓扑关系形式化描述的基础上，建立了顾及空间剖分的三维拓扑 数据模型( e r ) h 引，等等。 通过表面表示形成3 d 空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处由 于缺少3 d 几何描述和内部属性记录而难以进行3 d 空间查询与分析。为了更好对它们 有一个较为系统的比较，对比较常见的几种基于面表示的三维空间数据模型从模型体元 或基本特征、模型的优缺点( 如数据量、拓扑关系、建模难易程度、表达能力、可视化 速度等) 、适应情况四个方面进行比较，比较结果见表1 1 。 3 西安科技大学博士学位论文 表1 1 基于面表示的三维空间数据模型比较表4 ，5 ，2 5 4 4 j 4 ( 2 ) 基于体的建模方法 基于体表示的模型是用体元信息代替表面信息来描述对象的内部，是基于3 d 空间 的体元分割和真3 d 实体表达，侧重于3 d 空间实体的边界和内部的整体表示。体元的 属性可以独立描述和存储，因而可以进行3 d 空间操作和分析。体元模型可以按体元的 面数分为四面体( t e t r a h e 捌) 、六面体( h e x a h e d r a l ) 、棱柱体( p r i s m a t i c ) 和多面体 ( p o l y h e d r a l ) 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嗍。 规则体元包括c s g 、v o x e l 、o c n i e e l 4 i 、n e e d l e 和r e g u l a rb l o c k i 删共5 种模型。规则体 元通常用于水体、污染和环境问题建模，其中v o x e l 、o c t r 模型是一种无采样约束的 面向场物质( 如重力场、磁场) 的连续空间的标准分割方法，n e e d l e 和i k g u l a rb l o c k 可 用于简单地质建模。不规则体元包括n 1 n i 捌旧l 、p 辨m i d 、t p m 蚓、g i c e l l u 眠i 船g u l 盯 b 1 0 c k m 、s o l i d m 、3 dv o r o n o i l 2 蜘、g t p l l 和0 0 s o l i d l 2 1 ，5 8 5 l 模型。不规则体元是有采样 约束的、基于地质地层界面和地质构造的面向实体的3 d 模型。对比较常见的几种基于 体表示的三维空间数据模型进行比较，比较结果见表1 2 。 表1 2 基于体表示的三维空间数据模型比较表1 4 ，5 捌 5 西安科技大学博士学位论文 2 0 0 2 年侯恩科博士提出的0 0 s o l i d 数据模型【2 ，模型用面向对象的方法将地质对 象抽象为点、线、面和体4 类。体类又进一步划分为复合体、复杂体、简单体和体元4 类。体元( c o i n p o n e n t ) 是对简单体的进一步划分，一个简单体由多个体元组成。从面向 对象的观点出发，简单体是同一类体元的联合，复杂体是同一类简单体的联合，复合体 则是不同类型简单体和复杂体的聚集。 基于剖面的三维拓扑地质建模的主要优点如下： 1 ) 由于在建立含拓扑矢量地质模型时，定义了地质对象及其几何要素之间的相邻、 包含等拓扑关系以及地质对象的属性，所以一方面可以避免相邻地质体几何边界的重复 数字化和存储，另一方面可以通过对数字化地质模型数据库的操作，方便地查询显示某 一地区的整个地质模型、某一个地质对象( 如矿体) 或某几个地质对象( 如几个矿体及其 6 1 绪论 与断层面的组合) ，还可以通过在三维环境下点击地质对象显示出地质对象的属性信 息，从而实现地质对象图形和属性的互查，方便地质问题的分析。 2 _ ) 体元三个剖面的定义充分考虑了地质资料的有限性和地质人员对地质对象空间 变化推断解释的需要，既有利于地质人员在二维剖面上进行地质体边界的交互式解释 ( 推测主剖面上实测点之间地质界线的变化和扩展剖面上地质界线的位置) ，也有利于在 第三维上( 垂直体元剖面方向) 的扩展和交互解释。 3 ) 地质体由若干个不规则体元组合而成的思路有利于复杂地质体的建模，地层界 面和断层面等地质界面由部分体元面片组合而成的思路有利于复杂地质界面的建模，即 有利于含逆断层、倒转褶皱的地质界面、地质体和地质模型的构建。 有了含拓扑数字化三维地质模型，就可以对地质体的剖面面积、体积以及相离地质 体之间的距离等进行计算( 即进行度量空间分析) ，也可以对地质对象进行拓扑空间分 析，如对矿体顶底板一定范围内的岩性进行分类统计，对隧道所穿越的地层进行分类统 计，对隧道周围一定范围内的地层进行缓冲区分析、显示和分类统计。 尽管与其它基于体元的真3 d 地质模型相比，o o s o l i d 数据模型在许多方面具有独 特优势，但o o s o l i d 建模原理还不是很成熟，许多基础理论与关键技术尚需要研究解 决。如： 1 ) 构模的剖面和剖面多边形被限制于平行且垂直的剖面，还不能适应非平行折剖 面构模；且没有充分考虑模型退化方面的表达，如地层尖灭、缺失等构模时剖面多边形 或体元面可能退化为点或线。 2 ) 为了充分利用二维剖面已有拓扑关系和地质属性，需要进一步细分构模元素， 在一定程度上提高构模自动化和更方便建立模型的拓扑关系。 3 ) 未对地质对象及其几何构模元素进行形式化描述。 4 ) 地质模型生成方法方面还有一定关键算法尚未深入探讨。 5 ) 基于o o s o l i d 模型的地质模型动态更新未研究，如局部有限范围的更新、钻孔 和剖面的共同更新、剖面中基于线约束的更新问题、面数据和体数据动态更新的复杂算 法等有待深入研究。 ( 3 _ ) 混合建模方法 基于面模型的建模方法侧重于3 d 空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等， 通过表面表示形成3 d 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3 d 空间实体的边界与内部的整体表示，如 地层、矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3 d 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。对比较常见的几种基 7 西安科技大学博士学位论文 于混合表示的三维空间数据模型进行比较，比较结果见表1 3 。 表1 3 基于混合表示的三维空间数据模型比较表0 4 5 2 5 l 1 2 2 基于剖面的三维地质构模方法研究现状 基于剖面的三维建模方法最先出现在医学领域，后来迅速扩展到其它领域。在医学 领域，通过c a t 或者m 等技术，可以获得一系列相互平行的人体切片图像，通过提取 对象的边界，采用轮廓线算法，生成三维人体模型。m e y e s 等( 1 9 9 2 ) 将轮廓线算法分 为4 个主要问题：对应问题( c o n i e s p o n d e n c ep r o b l e m ) 、构网问题( t i l i n gp r o b l e m ) 、分支 问题( b r a l l c h i n gp r o b l e m ) 和光滑问题( s 眦f a c e f i t t i n gp r o b l e m ) 。 8 1 绪论 由于剖面容易获取，而且本身已经包含了地质学家对地质现象的解译，是地质对象 表达和地质问题分析中常用的方法。因此，这种基于剖面的三维建模方法同样适用于地 质应用。根据剖面组合方式的不同，可分为以下几种类型： ( 1 ) 基于平行剖面、平剖面的建模方法 该方法利用一组相互平行的平剖面( 共面剖面) 进行模型构建【6 2 】。剖面以带拓扑的矢 量形式组织，“地质体 对应于“多边形；然后基于这些多边形，采用轮廓线连接的思 想，进行多边形之间的三角形构网，形成地质界面，进而封闭形成地质体。 对于地层简单、剖面之间对应较好的情况，该方法自动化处理程度较高，而且对于 处理多值问题具有一定优势，因为在该方法中垂向的多值问题被转化成了横向的轮廓线 构网。但对于地质界面线对应不好的复杂情况，则需要大量的人工干预；而且由于该方 法只能利用相互平行的平剖面来建模，其它方向的剖面以及折( 非平) 剖面均无法利用， 因此使得建模的数据源受到很大限制。 ( 2 ) 基于多组任意折剖面的建模方法 陈学工2 0 0 2 年提出了基于多组任意折剖面的方法【6 3 l ，即各个方向的剖面都可以参与 建模，而且剖面也不局限于平行剖面，可以是折剖面( 平剖面是折剖面的一种特殊情况) 。 具体实现中，也是基于多层d e m 的思想，首先分别提取每一个地质界面上的地质界线， 然后三角剖分这些地质界线形成曲面，进而封闭成体。与以前的方法对比，该方法扩大 了建模可利用的数据源，但只能对按照时代或岩性划分的简单层状地层进行建模，解决 的问题的复杂度和实用性有待提高。 ( 3 ) 基于非平行剖面( 但不能相交) 、平剖面的建模方法 采用这种方法，剖面可以为非平行剖面，但不能相交【2 2 j 。具体实现中，还是基于轮 廓线的思想，剖面之间进行三角形构网。其不同之处在于该方法是基于“多边形一弧段” 之间的包含拓扑关系，由多边形到弧段一层一层来处理，而且最后一步是基于弧段( 多 数情况下非封闭) 的连接。该方法突破了平行剖面的限制，建模可利用的数据源有了提 高，而且可以处理剖面之间变化较大的复杂问题，但其仍不能处理剖面相交的情况。 ( 4 ) 基于交叉折剖面的建模方法 在该方法中，各种剖面( 面状) 资料均可参加建模噼】，例如垂直的纵、横剖面，水平 方向的切面资料等。建模思路主要是基于地质界线的追踪，利用各个方向的地质界线在 空间中的相交信息及其语意信息( 拓扑属性等) ，追踪出属于某一地质界面的地质界线， 进行三角剖分形成曲面，最后形成地质体。 通过以上分析，可以得出以下两点认识：1 ) 剖面是地质现象表达和地质问题分析 中最常用的方法，而且剖面资料相对容易获取( 如实测剖面、钻井联绘剖面、各种地球 物理资料的解释剖面等) ，因此应重点研究以剖面为框架的建模方法；2 ) 在三维地质 建模中，应尽可能利用多种来源、多种类型、多种数据格式等多源数据，如钻孔、交叉 9 西安科技大学博士学位论文 折剖面、等厚图、等深图、地质图、地形图等。 1 2 3 三维地质模型动态更新方法研究现状 人们对地质现象的认识是一个随着资料的丰富和研究工作的深入而逐步加深的过 程。所以初期构建的常常是一个骨架模型，随着数据资料的不断补充，需要逐步细化和 更新，生成更加精细、更加符合实际情况的三维地质模型。模型的更新内容包括：空间 边界的变化、空间体元的增减( 消亡、分裂、合并) 、拓扑关系变化等。 毛善君在灰色地理信息系统理论的指导下，针对煤田地质领域，研究了在数据结构 层面的模型更新方法，提出了t i n 和二维g i s 的点、线、面一体化的数据模型，在三维 中表现为似直三棱柱( a r l 7 p n ) 模型【5 7 1 。灰色地理信息系统理论的提出具有重要的借鉴 价值，但这种模型动态修改方法，主要适合层状地层为主的煤田地质领域，对其它油气、 矿产资源、地质灾害等领域中复杂模型的更新，其适用性有待检验和深入研究。 齐安文研究了基于钻孔数据的类三棱柱( a t p ) 模型的自动更新问题【2 0 1 。该方法主要 考虑了基于钻孔上地层分界点的模型更新，把分界点所在的三角形进行了分裂，而没有 考虑该三角形周围局部有限范围的模型更新问题。 朱良峰等提出了基于虚拟钻孔和剖面的模型动态修正方法，具有一定参考价值【6 5 】。 但由于地质剖面也是通过增加插值控制点而对模型其修正作用，所以本质上还是基于分 界点的点约束，丢失了地质界线的线约束信息，信息利用不完整，需要进一步研究基于 线约束的更新方法。对于地质领域的多个钻孔上分界点的同时更新，以及小区域有限范 围的局部更新，而不只是单个三角形的更新，该方法尚未涉及。 屈红刚在对三维地质建模的不确定性和质量控制分析的基础上，提出了基于钻孔数 据的模型动态修改，具有一定的借鉴价值蝉】。考虑了钻孔数据，还需进一步研究剖面等 其它数据的修改方法。 总之，关于三维地质模型的动态更新目前尚处于初始探索阶段，前人关于动态更新 方面的研究都是基于特定数据模型而进行的，而且还存在很多问题有待深入研究。而基 于o o s o l i d 数据模型的动态更新方法和算法尚未研究过，有待深入研究。 1 2 4 三维地质模拟软件及应用现状 利用计算机辅助三维地质信息的采集、存储、管理、分析、制图、建立可视化三维 地质模型并进行地质问题的空间分析和决策一直是地质研究、地质勘探和矿业开发等领 域地质人员的希望。随着计算机技术的发展和利用信息技术改造传统产业思路的提出， 对三维地质模拟的需求也日益增长。达到这一目的的关键在于开发相应的软件系统。 自7 0 年代以来，国内外已开发了一些地学建模与可视化软件，但迄今为止，国内 外还没有一个成熟完整的3 d g m i s 。国外开发了一些面向矿山、石油等专业领域的三维 l o 1 绪论 地质建模商业软件，如加拿大鼬d ( h 锄g e o s y s t e m s 公司的m i c r o i 奶“：美国ct e c h 开发公司的e v s ；法国n a n c y 大学的g oc a d ；g e 0 s u a ls y s t e ml i i i l i t i e d 为石油工业 提供的三维建模和可视化软件( 圯o c a r d ；g e o q u e s t 公司推出的有关地质模型可视化软件 f r a m e w o d 、p r o p e r 3 d 和f l o 嘶d s a n d ；澳大利亚m i c r o m i n e 有限公司开发的勘 探及开发工作中应用的软件系统m i c r 0 m i n e ；美国地质调查局的m o d n o w 建模软件；澳 大利亚e n c o m 公司的m o d e l s i o n ；澳大利亚m a p t e k 公司的v m c 孤。但由于它们一般 都是针对某专业领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进 行设计，而且价格昂贵，在国内的应用具有很强的局限性。 加拿大鼬d 血l l i lg e o s y s t e m s 公司开发的的m i c r o i m 彤( + ，通过对离散点采样、钻探 采样和探槽采样等空间数据的处理，产生s e c t i o n 、v o l 硼1 c 、p o l y 9 0 n 、b l o c k 、嘶d 和 s u f f a c e 等多种模型。利用s e c t i o n 模型计算矿床储量，构建负责地质体、矿井、巷道等 地下采矿建筑设施。利用v 0 l 啪e 模型对地质体进行任意方向切割，从而表达任意复杂 程度的地质体。p 0 l y g o n 模型可以利用采样点数据生成。b l o c k 模型用于确定矿床分布和 等级变化，m i c r 0 i 腓软件有两大特点用于提高三维地质体的空间分辨率，是在矿 体或断层边界进行晶胞细分，二是在三维勘探空间中采用不同尺度的晶胞。嘶d 模型与 b l o c k 模型类似，但更适用于扁平分布的矿体。su r ：f 犯e 模型用于表现地表地形测量结果， 露天矿设计和实际开采状况，计算两个地层面之间的体积等。 g b o c o ms o f i 、a r e 桌面系统是加拿大g e i n c o ms o f h a r ei n t e m a t i o n a li n c 公司为使矿 产资源勘探、矿产资源评价、矿井规划、矿井设计和采矿生产的关键操作自动化而设计 开发的软件系统。c k m c o ms o f h a r e 桌面系统继承人开放数据库、多种应用程序、无线 技术和网络商业化智能系统，为用户提供高级的决策支持手段，能够规划、管理和监督 采矿生产，减少采矿风险和降低成本，是新一代采矿工程企业的企业级解决方案。 g e i n c o m 软件通过钻孔、点、多边形等数据，利用大量的使用的图形编辑和生成工具， 显示钻孔孔位分布，运用不规则三角网建立s u r 舭e ( 表面) 和s o l i d ( 实体) 模型，运用多 义线圈闭岩层和矿体边界储量或品位分析，提供了交互操作功能并允许用户根据自己的 经验和专家知识勾画地质模型，实现任意剖面切割任意角度观察实体或实体与表面的交 切与布尔运算。 s u 印a c 由澳大利亚s s i 公司为矿山地质模拟和开采规划的软件，采用的建模方式有 s e c t i o n 、s o l i d 、b l o c k 模型。s e c t i o n 、s o l i d 、b l o c k 模型。s e c t i o n 和s o l i d 模型用于地 层、断层、矿体和采场巷道建模，b l o c k 模型用于属性描述和地质统计分析，先表面建 模，然后转换为b l o c k 模型。s u 印a c 完成集成数据可视化和三维图形编辑，可以实现数 字化图形、等值线、网格内插模型等可视化功能。 e v s 、m v s 和m a s 是c r e t c h 公司的产品。典型m v s ，采用分层s u r f i 尬e 建模，2 d 和3 dg r i d ，对复杂地质构造如断层用平面( 简单) 和非平面模拟。m v s 可以接受多种数 西安科技大学博士学位论文 据，与多个系统整合( a r c v i e w 、心c g i s 、g m s 、v i s u a lm o d n o w 、s t 硒等) ，可以输出 多种格式的数据( 有限元、有限差分、d x f 文件、i i l l a g e 文件等) ，并提供三维f e n c e 、 任意正交平面切割等显示。 e a n h s i o n 由d y n 锄i cg r a p l l i c 公司研制，系统包括构造建模、岩层建模、剖面生 成和几何重构等模块，将三维地质建模与钻井设计、地震勘探数据处理融合在一起，采 用面向过程的建模方法，并提供最小张力法、陆n g i n g 等多种网格插值方法进行屙眭内 插和建模。其最新版本e 砌s i o n 7 正试图简化建模过程，以降低使用费用和扩大应用 范围。 国内三维地质建模软件的开发应用相对落后，自主开发或二次开发了一些三维地质 建模实验系统或应用系统，例如中国地质大学的g e o e w 、北京大学的g s i s 、武汉中 地数码公司m a p g i s 平台的三维扩展模块、中国矿大的g e o m 0 3 d 、北京理正设计研究 所的理正地质软件、北京东方泰坦科技有限公司研制的t i 伽1 t 3 m 三维建摸软件、煤炭 科学研究总院西安分院开发的矿井三维模拟软件等( s t e r l a c c 蛐：1 is ，2 0 0 1 ) ，但这些软件 还有待进一步研究完善。值得指出的是，中国矿业大学、北京科技大学、武汉大学、中 国地质大学、中科院地理所、北京大学、石油大学、南京大学、西安科技大学等单位的 许多博士对有关三维地质模拟方面的问题做了研究。所有这些工作，为诞生国产三维地 质模拟信息系统奠定了一定的基础。但总的来看，我国目前还没有非常成熟的、自主研 发的三维地质模拟信息系统软件。进一步研究三维地质模拟的基础理论、方法，借鉴国 外类似软件的开发经验，利用当前先进的空间数据库技术和可视化技术开发三维地质模 拟信息系统软件是未来一段时期的重要发展方向。 1 3 研究内容 三维地质模型构建与动态更新都是一个复杂、涉及面广的问题，本文主要针对 o o s o l i d 数据模型的不足和应用进行研究，主要研究内容包括： ( 1 ) o o s 0 1 i d 数据模型和数据结构的修正与完善 对地质对象的内涵、基本类型和特征进行分析，分析o o s o l i d 数据模型的构模原 理和优缺点。针对o o s o l i d 数据模型的不足对其进行修正，并对修正后的o o s o l i d 数 据模型进行形式化描述。在对修正后的o o s o l i d 数据模型构模元素和地质对象拓扑关 系分析的基础上，设计相应的数据结构。 ( 2 ) 基于修正的o o s o l i d 数据模型的三维地质模型构建方法及关键算法研究 为了实现基于修正后的o o s o l i d 数据模型的三维地质模型的构建，研究内容涉及 三维地质建模的流程、空间剖面的定义与生成方法、构模元素剖面拓扑关系的自动构建 方法、体元的生成方法、三维地质模型的生成方法、复杂地质对象构建方法及三维地质 模型构建的关键算法等方面。 1 2 1 绪论 ( 3 ) 基于修正的o o s o l i d 数据模型的三维地质模型动态更新方法研究 研究基于修正的o o s o l i d 数据模型的三维地质模型动态更新