基于in和kriging算法的地质构造三维可视化

基于in和kriging算法的地质构造三维可视化

1维体数据的构建方法科学计算的可视化是在20世纪80年代末随着计算机图形学的发展而发展起来的一个新的研究分支。受其推动，地质信息的可视化是20世纪90年代地质研究的前奏。地质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质特征的数学模型,采用计算机图形技术将数学描述以3D真实感图像的形式予以表现。地质三维可视化包括三维重构和三维显示。目前常用的构造方法可归纳为剖面成面法、直接点面法和拓扑分析法。Sirakov等(2000,2001,2002)采用剖面成面法的思想,应用构造插值法(morphological)生成2D剖面,再利用多项式曲面拟合形面三维体。Marschallinger(2001)采用剖面“堆砌(lapping)”法构建三维体数据。目前拓扑分析基本采用六面体、四面体模型。地质三维显示是实现地质可视化的关键。目前数据场可视化方法可分为两大类:表面拟合方法(Surface-fittingmethod)和直接体绘制(DirectVolumeRendering,DVR)。根据数据特点和用户需求,本文采用直接点面法,基本思路是,直接将原始的线状数据进行有效的分层,根据各个层面的标高,应用曲面构造法来生成各个层面,再把各层面组合成三维体数据。可视化采用光线投射法与z_buffer相结合直接体绘算法,实现体绘制。基于IDL(InteractiveDataLanguage)可视化编程工具,以福州市地热田热储结构为例,实现了地质三维分析和可视化,能交互式切割分析、显示和查询。2国家实验资料的分布地质三维重构是个非常复杂的问题,因为地质本身是一个三维性、非均质性非常明显的复杂体。实测资料分布极不均匀和不全面,具有很强的个性特点。但是地质三维重构是解决地质真三维可视化的瓶颈。下面介绍基于IDL开发的福州市地热田热储结构系统所用的地质三维重构的方法。2.1地层界面的观察和整理本研究区域为福州市地热田集中分布区,有69个钻孔资料。根据热储结构特点,把地层结构基本概化为:不透水盖层、第四系泥质砂砾卵石层状热水岩组、基岩脉状裂隙热水岩组、不透水基底岩层。在未揭示到不透水基底岩层的钻孔,采用基岩脉状裂隙热水岩组下推100米作为两者的界面。由数据库读出的数据整理后格式如表1。表中岩层属性:1表示不透水盖层,2表示第四系泥质砂砾卵石层状热水岩组,3表示基岩脉状裂隙热水岩组,4表示不透水基底岩层。2.2维矩阵建模要进行直接体绘制,首先要进行基于栅格结构的三维重构,即将有限的离散数据在足够重建精度下处理成三维体数据Nx×Ny×Nz。该体数据指沿X轴共有Nx个Ny×Nz的二维矩阵,每个二维矩阵称为沿X轴的一个片;同理沿Y轴有Ny个Nx×Nz的片,沿Z轴有Nz个Nx×Ny的片。体素是体数据的基本单位,把该三维矩阵八个相邻的网格点(i,k,j),(i+1,j,k),(i,j+1,k),(i,j,k+1),(i+1,j+1,k),(i+1,j,k+1),(i,j+1,k+1),(i+1,j+1,k+1)为顶点构成的小长方体当作一个体素(见图1),这个小长方体内的值是变化的,体素内任一点的值可以用八个顶点上采样值的三次线性插值计算出来。单凭过于稀少的采样数据无法实现基于栅格结构的三维体绘制,甚至运用插值算法,也会对其内插获得的数据的客观性有很大的影响。从离散稀疏的采样数据到生成可构造体素的三维矩阵数据,本文作了以下处理:福州市地热田热储结构主要体现四个不同属性的岩层构架,为使其保持真实的物理意义,结合分片曲面拟合的思想,首先根据离散采样点内插构造四种属性岩层分界曲面,然后将地质体切分成规定层数的均匀的平面,根据四个岩层分界曲面获取这些平面上各点的属性值,即可得到三维矩阵数据。1)插值构造分界曲面把离散的采样点按层分类,分别获得四组采样点数据,针对每组数据利用不规则三角网(TIN)表面法,构建曲面。Delaunay三角形方法是对分布在2D平面上的点集进行三角形连接的有效手段,其定义如下:给定二维平面上的非共线点集P={pi,i=1,2,…,n},对属于P的每一pi定义一个区域Vi,对属于Vi的任意点s有不等式d(s,pi)<d(s,pj)j=1,2,…,n,j≠I成立,则称Vp={Vi,i=1,2,…,n}为点集P的V氏图,其中d(a,b)表示a与b之间的欧氏距离。这时线段集合P¯¯¯={PiPj¯¯¯¯¯¯¯¯∈P¯¯¯|pi‚pj∈P‚i≠j且Pi、Pj在V氏图上的各自的区域内具有共同边界}构成的图形T为P的Delaunay三角化。Delaunay三角化满足以下两个准则:①满足“圆规则”,即在Delaunay三角化结果中,任意三角形的外接圆将不包含任何其它数据点;②形成的三角形网总是具有最优的形状特征,任意两个相邻三角形形成的凸四边形的对角线如果可以互换的话,那么两个三角形6个内角中最小的角度不会变大。Delaunay三角化方法能适应于任意边界,也可以推广到三维点数据集:把三维数据投影到某个2D平面上进行Delaunay三角化,然后把结果映射到3D空间。Kriging插值是一种用于空间估计的统计方法,是地质和矿业领域国际上公认的先进技术。本文利用克里格算法将三角化后的每组数据进行插值,获取拟合曲面的各点矩阵。插值得到的数据为每个曲面的均匀网格数据{x,y,z,p}。2)分层处理体数据分层处理体数据是将地质体用单位直六面体包围,进行纵向分层(按z方向),这样最后分成的各单元即为构成体数据的体素,而本文计算的是该体素的顶点属性值。按整个钻井的最深井深均分层(Z方向),层数可根据实际情况所需精度调整密度。每层相应的X,Y值相同,Z值根据分层间距计算,与插值得到的数据{X,Y}相对应单元对比,获取该Z值所具的属性。例如,求Z值为-40.0的层对应点{X:2888810.0,Y:430171.1}的属性,与该点纵向数据{X:2888810.0,Y:430180.0,Z:-20.2,P:1}、{X:2888810.0,Y:430180.0,Z:-38.2,P:2}、{X:2888810.0,Y:430180.0,Z:-60.08,P:3}、{X:2888810.0,Y:430180.0,Z:101.8,P:4}相比较,Z值为-40.0介于第二层、第三层之间,可知该层该点数据为{X:2888810.0,Y:430180.0,Z:-40.0,P:3}。由此扩展可得各层面上所有栅格点的属性值。该步骤后所得的数据即为三维体数据。3基于z-聚合式地质三维建模算法的三维体绘制技术目前国内外各种GIS软件的三维展示功能,基本处于虚拟现实的水平,在三维复杂切割和内部展示方面,仍是初级技术。本文基于地质数据的特点和用户需求出发,采用光线投射法和Z-Buffer相结合实现体绘制。利用IDL提供的可视化开发平台,基本实现了三维复杂交互切割分析,大大提高地质三维数据管理与服务系统的应用水平。本文采用的算法能较容易实现切片显示,可更直观的显示地质体内部结构的细节。由于利用内存的一部分实现Z缓冲器,实现方法简单,能更快速的进行绘制。由于采样数据的稀少,以及对地质体结构精度要求不高,该算法可在PC机上实现快速绘制。Z-Buffer算法是针对视图屏幕逐像素赋值,这使得对各像素点逐一判断,构造生成等值曲面较易实现。根据该算法实现该模块流程如图2。其中三维体绘制过程为:首先将要显示的多边形内的所有点的三维坐标进行转换,处理成屏幕坐标系的二维坐标(xi,yi),按Z-Buffer算法对(xi,yi)逐一进行深度值z判断,如其深度值大于Z缓冲器中该像素点的深度值,则更新(xi,yi)的深度值,同时从此点根据观察方向发出一条射线,沿着这条射线选择K个等距的采样点,并由距离某一采样点最近的8个数据点的颜色值和不透明度值作三次线性插值,求出该点的不透明度值及颜色值,将该值存入帧缓冲器(xi,yi)处。重复以上步骤,直至多边形的所有点都处理完,最后根据帧缓冲器的数据进行屏幕绘制。IDL能方便、快捷的实现地质三维的分析和可视化。其中slicer3是直接体绘制的控件,它涵盖了直接体绘制各种关键算法。Slicer3原来是为医学图象可视化而设计的。地质数据不同于医学数据,表现在:①特征值分布较为杂乱;②各体素处梯度方向杂乱无章,没有明晰、光滑连续的分界面;③通常是通过整体特征反映地层变化规律,单个体素附近的细节信息重要性较小。基于地质数据的特点和用户需求出发,采用光线投射法和Z-Buffer相结合,对slicer3进行修改,实现适应专业用户的需求的体绘制。对slicer3修改主要工作是:①继承了slicer3交互式切块和切片分析;②增加空间地理坐标和地质属性的查询;③增加二维地图与三维地质剖面的交互操作;④增加图例;⑤增强交互功能;⑥增强切片的灵活性。4地质构造模型分析福州市地热田热储结构系统在IDL中slicer3控件的基础上进行二次开发,实现了地质真三维交互式切割分析。真三维显示分析模块实现了以下几种显示方法:1)三维地质体显示:表达地质体的整体轮廓、地层之间的位置关系及地层的厚度等信息见图3。2)切片显示:通过各种形式对三维地质体剖切生成的剖面或切片可以清楚的显示地质模型内部的各个细节,从而为了解地质构造带来帮助。本文中模型剖切按如下方式进行:①任意垂直方向作为剖切面生成剖面;②任意方向作为剖切面生成剖面;③直接用鼠标直观地在平面图上绘制剖面走向线,然后系统自动分析展示出对应的三维立体剖面图,见图4、图5。3)切块显示:地质体的局部显示,表达内部的地层属性和地层界线;并可以存储,见图6。4)动态显示:为了全方位、动态地显示三维地质整体构造,在提供旋转、平移、放大、缩小等交互手段。5)查询:交互式查询地质体内部各点的地理位置和地层属性。5建筑工程及地下资源分析与开发的应用简介地质体真三维重构和可视化分析是地学、数学、计算机、软件