三维重磁人机交互解释的剖面成体建模方法.docx

1、三维重磁人机交互解释的剖面成体建模方法肖敦辉，董方灵（中国地质大学地质过程与矿产资源国家页点实验室，湖北武汉430074；中国地质大学数学地质遥感地质研究所，翔北武汉430074）摘要：由于重磁异常人机交互解释过程中三维地质体模型的构建和编辑操作在二维计算机屏幕上很困难，给物探解释人员带来很大的不便。该文提出了一种将各个剖面上多边形连接成体的建模方法，给出了该地质体模型的正演计算方法，并用VCH6.0与OpenGL在开发的三维重磁正反演解释系统中进行了实现.借助该方法.重磁解释人员可方便地编辑地质体模型并且可宜观地进行三维显示，从而提高人机交互解释的效率。关键词：三维地质建模；人机交互重磁解释

2、；制面生成体中图分类号:P208文献标识码：A文章编号：1672-0504（2009）050026-040引言最初，重磁人机交互解释过程中，人们用简单且规则的形体模拟复杂地质体，如球体、水平和垂直圆柱体、立方体、长方体等，这种简单规则形体的正演公式容易推导。如Talwani等工将复杂形体切分成多个等厚度的水平多边形薄片，任意测点的异常为各个薄片异常的总和，此算法容易在计算机上编程实现,但涉及大量的计算和多边形顶点的处理。PI-ouff和Van对此算法进行了改进，大大减少了计算时间，从而提高了算法的效率。Pau任计算了三维空间由三角形围成的均匀多面体的重力值，Barnett"】研究了多

3、面体模型的正演计算方法。可以认为，均匀的三维物体的正演算法研究日趋成熟。在三维重磁解释过程中需要不断对地质体模型进行编辑修改，因此建模方法成为系统的关键问题。要求能模拟任意复杂形状的地质体，可以正演计算且编辑修改灵活方便。夏恒仁等设计了一种基于三角形立方体的“裹皮”建模技术；林振民等采用一种橡皮膜建模技术，三维地质体模型由三角形组成；田黔宁等&采用可视化技术及混合优化算法实现了三角形多面体模型的人机交互反演及自动反演。采用基于三角形多面体模型的橡皮膜技术尽管技术十分复杂、先进，但在应用中模型难以修改，实际操作较困难。在二维计算机屏幕上通过拖动三维空间中的控制点观测模型理论值是否拟合不易

4、实现，远不如在一个二维剖面、截面内修改方便。因此，本文提出了一种三维重磁解释的建模方法一剖面连接成体的建模方法。1剖面成体建模方法各个二维剖面上的形体连接成体的技术难点在于：1）每个剖面上形体有差异（如为凹多边形或凸多边形，近似为一凸圆形或凹圆形）；2）两剖面间顶点个数不一致;3）取两剖面间哪两点进行连接，从而避免地质体的交叉、扭曲等问题。在重磁人机交互解释过程中，根据重磁异常数据构建的剖面上的多边形形态大致有4种（图l）o图1剖面上多边形类型Fig.1Typesofpolygononsections收稿日期：2009-04-30,修订日期：2009-0630基金项目：中国地质调查局基金项目“

5、危机矿山三维信息评价系统”（200699067）作者简介：H敦烽（1981），男.博上研究生，主要研究方向为3DGIS、三维建模与诃视化、重俄勘探.Email：xiaodunhuiR本文采用构造辅助顶点、轴助剖面和逐步分段逼近等方法对剖面进行连接建模。先对各个多边形分段，分成4个子段，连接主要顶点，保证其不出现扭曲变形；然后对4个了段分别进行处理（增加辅助顶点）后再连接。如果各个剖面间多边形差别较大则需要增加辅助剖面，主要步骤如下：1）判断多边形的凸凹性，如果两个剖面形状差别太大，则在两个剖面间做一辅助剖面；如果相差不大则跳过步骤4。2）求出在剖面工，3方向上最大、最小值（Xmin,Ymin,

6、Xmax,Ymax）,即图2中剖面a的1、2、4、7顶点，剖面b的1、2、4、6顶点。剖面可能位于平面或平面或平面，取决于此剖面所处的坐标系，本文仅论述C平面上情况，其他情况类似。3）根据求出的最大、最小值将多边形分为4段，如图2中ala7、Qlg2、q2a4、口4a7段和blb2、b2b4、b4b6、b6b段。4）增加辅助剖面，辅助剖面位于两剖面之间，且应减少两剖面形态的差异；最大、最小顶点的值取两剖面最大、最小值的平均值。5）增加辅助点。首先比较两剖面上多边形对应每段顶点个数（比较段和blb6段口2段和blb2段；。2a4段和5264段；a4口7段和6466段）；然后依次遍历每段，增加顶点

7、少的段，个数为两段个数之差，即将顶点数少的段顶点数增加到与顶点数多的段相同，如bb6段、4质段各增加一个顶点。辅助顶点的位置采取比例法确定，即计算此点到其中一个Xmin,Ymin,Xmax,Ymax点的距离占此段距离的比例，据此计算辅助点在多边形边上的位置（如图3中的辅助顶点7）。对辅助剖面上的顶点取两剖面顶点的平均值。6）确定对应关系后，依次连接各个顶点。经过上述步骤后，剖面上顶点数目相同，故可依次连接（图3）。4图2割面上的多边形Fig.2Polygononsection图3剖面连接成体Fig.3Bodybuildingfromsections以上是两剖面平行的情况。若两剖面不平行，则首先

8、求出两剖面间的夹角；然后以一个剖面为基准剖面，选择平行于此基准剖面的方向向前推进作辅助剖面，或选择此基准剖面左向或右向外推作辅助剖面，具体推进情况取决于重磁异常情况与实际地质背景。经过以上剖面生成体后，可以用2.5维的多边形截面柱体去逼近。基于2.5维多边形截面棱柱体重磁正演算法，国内外已有深入研究。文献9给出了详细结果，之后许多学者据此建立了正反演方法及人机交互系统。国内也有学者对其进行了重新推导，并得出计算效果相同的其他公式c，0-n本文采用图4的坐标系进行计算。图4空间中的多边形体坐标系Fig.4Coordinatesystemofpolygonalbody2模型的三维表达与编辑由于生成

9、的三维地质体模型由剖面连接而成，每个剖面上的多边形都由一系列点组成，故在数据结构上对点和面进行管理。数据结构中没有其他的拓扑数据，它们可由多边形顶点数据和面数据动态生成。typedefstructtagPoint3Ddoublex,y,z；POINT3D,*PPOINT3D,/顶点定义，坐标classPolygon（std：vectorVCPoint3D*>polygonvertexlisti/®点序列,;classModel3D（std'»vectorVCPolygon»>m_polygonList；多边形序列std:vector<CP

10、oint3D*>PointList»/顶点序列h按第1章方法建模和对数据结构定义后，可以采用OpenGL绘制模型体。模型体头部和尾部的多边形采用。penGL中的镶嵌对象进行绘制，包围部分采用三角函数进行绘制。人机交互解释系统要求用户不断编辑模型，因此模型编辑方法的灵活性决定了系统的好坏。橡皮膜技术在编辑方面还不够灵活口幻购，其只能实现模型从粗调节向细调节的过渡；一旦进入细调节，则不能再对模型进行粗调节。这意味着在修改模型时，首先尽可能完成大的改动，然后进入细调节；否则需通过大量的细调节完成一次粗调节。这对用户而言过于苛刻，因为用户在调节模型时，大范围的调整和小范围的调节常常反复

11、进行，不可能事先准确预料。该建模方法首先通过鼠标顺时针或逆时针确定角点，然后通过角点生成多边形，最后将相邻勘探面之间的地质体界线（剖面上的多边形）按照第1章方法连接成空间体。角点的编辑采用两种方案，一是运用OpenGL的拾取和反馈技术在屏幕上拖动；二是以对话框形式修改坐标点的值。在屏幕上移动角点时，要考虑实时计算、实时显示、体捕获技术和相交检测问题，这对算法和程序设计要求较高。3方法应用该建模方法已在笔者开发的三维重磁正反演解释系统中得到应用，成为核心建模方法之一。关于重磁反演，国内外不少学者给出了新的算法，但其存在解的不确定性相比而言，人机交互反演可以发挥解释人员的经验。解释人员根据地质情况

12、及异常拟合程度实时修改模型，这样便于做出既符合地质情况又满足地球物理场特征的反演结果，因而人机交互解释法更受物探工作者的育睐。图5为解释流程。lx域成磁异常数据读人数据的三维显示交址编辑结束.保存模型|图5重磁异常解释流程Fig.5Theinterpretationflowforgravity&magneticanomalies运用此系统对云南建水县普雄某区域磁力异常图进行解释.目的是了解此异常形成的原因及其对应的物性场源分布，为推断深部隐伏金属矿体提供参考。普雄地区出露的地层主要是三叠系上统至二登系上统的浅海相一滨海相沉积岩构造，在一些山间盆地中可见第三系和第四系分布。岩相有侵入相和

13、喷出相，岩性从基性、中性、酸性、碱性均有出现，即贾沙环状构造带、杨家田构造带、陡岩构造带、五指山背斜南部倾殁构造带，另外还有-组纵贯全区的北东向控岩断裂构造分布。图6上半部分的立体色阶图为云南建水县普雄某区域磁力异常三维显示图，其中位置稍偏上的为实测剩余磁异常，位置偏下为理论计算异常。磁测数据源于G-856磁力仪高精度（点间测距为25m）磁测数据。从图6可看出，立体色阶图不平坦，即存在剩余磁异常。运用图5的解释流程建立了图6下方所示的三维模型。如果不满意结果，只需切换到二维剖面进行编辑，然后生成体即可。解释人员根据此结果并结合当地的地质构造、岩浆活动、成矿作用、地球化学勘探资料、遥感资料等信息

14、对此地区深部是否存在隐伏金属矿体进行推断。图6利用磁异常进行三雄地质体建模Fig.63DgeologymodelingbyusingmagneticanomaJics剖面生成体建模方法是人机交互解释过程中进行三维建模的一种方法，将其运用到重磁解释中，可以方便解释人员建模，从而提高解释效率，但运用该方法的软件不能代替寻找矿源体或寻找隐伏金属矿的过程。从某种意义上只是重磁解释工具的一种三维地质体模型构建方法，为重磁解释提供方便。4结论本文的建模方法是根据所测的重磁数据对地下地质体进行人机交互式三维建模，从而为地质勘探工作者提供依据；并且可将二维编辑成果在三维显示分析、三维问题在二维处理，克服在三维

15、环境下编辑的困难。该建模方法同样可用于物探领域电法数据的解释，同时为三维地质体建模中两剖面生成体技术提供参考。该方法也可用于电法资料的人机交互，还可用于根据钻孔资料推断的地质体建模以及将物探资料与钻孔资料做联合解释对地质体建模。总之，作为三维显示的一种建模方法，其具有实用方便的特点。参考文献：1TALWANIM,EWINGM.Rapidcomputationofgravitationalattractionofthree-dimensionalbodiesofarbitraryshapeJ.Geophysics,1960,25(1):203-225.r2jPLOUFFD.Gravityandm

16、agneticfieldsofpolygonalprismsandapplicationtomagneticterraincorrectionsJ.Geophysics.1976.41(4),727-741.3 VAN8Efficientcomputationofthegravitationalfieldofageneralizedcylindricalprismfj.Geophysics,1989,54(3)：402-405.4 PAULMK.Thegravityeffectofahomogeneouspolyhedronforthree-dimensionalinterpretation.

17、PureandAppliedGeophysics.1974,112(3)：553561.5 BARNETTCT.Theoreticalmodelingofthemagneticandgravitationalfieldsofanarbitrarilyshapedthree-dimensionalbodyJ.Geophysics.1976.41(6).1353-1364.6XIAHR,HANSENR.HARTHILLN,ctal.InteractivemodelingofpotentialfieldsinthreedimensionsAJ.SEG63AnnualInternationalMeet

18、ing,Washington.ExpandedAbstracts.1993.403-404.7 林振民，陈少强.三维币Jfi交互解鞋及区域与局部异常的分离曰.地球物理学a.1996,39(5),705-711.8 出黔宁，吴文雄，管志宁.任意形状重磴异常三度体人机联作反演LJ1.物探化探计算技术.2001,23(2),125-129.9 RAMSMUSSENR,PEDERSENLB.EndcorrectioninpotentialfieldmodelingCJ.GeophysicalProspecting.1979,27(4)：749-760.10杨有印,管志宁.重燧异常的人机联作校正迭代反演

19、J.现代地质，1995,9(3):372-381.11 姚长利.黎益仕.重破异常正反演可褪化实时方法技术改进.现代地质,1998,12(1),115-122.12 林振民.陈少强计算机E的橡皮膜技术口.物探化探汁算技术,1996.18(1):6-16.13 陈少强.李琦.块状地质体的多面体表示及交互编WLJ-地球学报.2005,26(2):191194.14 占敦邺.维W视化反演解桦系统研究DJ.中国地质大学，2008.26-73.15 GUILLENA,CALCAGNOP.COURRIOUXG.etal.Geologicalmodellingfromfielddataandgeologica

20、lknowledgeJ3-PhysEarthPlanetInteriors.2008.10(16)1112.16 CHENS.ZHANGJ.SHIYL.GravityinversionusingthefrequencycharacteristicsofthedensitydistributionJ.AppliedGeophysics,2008.5(2)：99106.MethodofBuilding3DGeologicalModelfromSectionsduringGravity&MagneticInteractiveInterpretationXIAODun-hui,DONGFang

21、-lingStaleKeylaboratoryofGeo-ProcessesandMineralResourcesChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074；InstituteofMathematicalGeology&RemoteSensingGeologytChinaUniversityofGeosciencesyWuhan430074.China)Abstract:Amethodofconstructinggeologicalmodelsfromsectionsduringtheprocessof3Dinteractiveinterpretationforgravityandmagneticanomaliesispresented.The