基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模_康志军.pdf

061060三维地质建模（3D Geological modeling，3DGM）技术是综合计算机、图形图像学、地质学、地理信息系统的前沿技术，能够高效表达各类地质体的空间分布，揭露地质体之间的相互作用关系，实现地质工作从传统的依赖二维平面图和剖面图工作模式提升到三维立体工作模型的重要基础。三维地质建模也是加快“数字中国”建设，提升地学研究和找矿预测水平，保障国家能源安全的有效手段之一。从1993加拿大学者S W Houlding首次提出三维地质建模概念以来，大量科研工作者在三维地质建模领域取得了丰硕成果。李青元从三维地质建模矢量数据结构方面进行了研究；王纯祥等在岩土工程三维建模方面开发了3DSIS系统；吴立新针对空间建模原理和数据结构的几何特征从面模型、体模型和混合模型三个方面定义了空间三维模型，并将前人的三棱柱模型扩展为广义三棱柱模型，有效解决了地质钻孔倾斜情况下的建模问题；朱良峰、潘信、吴信才等提出断层与地层统一建模方法，既有效解决了整体法和局部法的不足，又兼顾了两种断层建模的优势。李梅、毛善君等针对非层状矿体特点，提出带控制线的平行轮廓线三维矿体重建算法，对复杂形态的矿体实体建模和分支处理问题提出了相1-6应的算法。以凝聚专家知识形成的地形地质图、剖面图、钻孔柱状图为代表的大量地质成果具有多源、多类、多维、多量、多尺度、多时态和多主题特征，其数据采集、处理和应用较为复杂，如何在三维地质建模中综合应用以上资料构建地质体三维模型，实现各类地质资料的协同利用，从而形成对研究区客观、完善的认识是本文主要解决的问题。1 三维空间建模基本理论4在众多有代表性的模型中，吴立新等学者将模型分为面模型、体模型、混合模型三大类。面模型主要用于地质体表面、地表DEM等表面的模拟，也可以用于模拟封闭的地质体空间，优点是容易实作者简介：康志军（1979），男，高级工程师，硕士，毕业于太原理工大学，主要从事地质、测绘相关研究工作。基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模摘要：二维地质图件是地质工作者在大量经验与研究的基础上形成的可靠资料，但难以直观表达三维空间中存在的地质现象。基于勘查区的地形地质图、煤层底板等高线图、钻孔柱状图、勘探线剖面图，对该区约束条件下的DEM、煤层底板模型、断层分布状态进行了三维建模，清晰展示了勘查区煤层形态及断层发育情况。结果表明：基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模技术可以直观地反映关键地层、构造形态及属性特征，能够为地质工作提供可靠的分析手段。关键词：三维地质建模；约束三角剖分；煤层建模；断层建模中图分类号：P628 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-60-5康志军（山西省矿产资源调查监测中心，山西 太原 030024）现且数据结构简单，但存在三维实体内部信息需另外插值获取的缺点。体模型将三维空间实体依据不同的属性分割为多个相邻但不重叠的几何体，常用的模型有四面体（TEN）模型、三棱柱模型、广义三棱柱（GTP）模型、八叉树（Octree）模型等；混合模型数据结构相对复杂，对计算机硬件要求高。混合模型在汲取面模型、体模型优点的基础上，针对同一地质空间的不同区域混合应用两类模型建模，有效克服了不同类模型的缺点，常见的混合模型有断面三角网（Section+TIN）混合模型、7八叉树四面体（Octree+TEN）混合模型等。2 基于多源多尺度地质数据的断层重构地质数据具有获取方法多样，成图比例尺不一致的特点，这些资料相互补充和协同构成了地质工作者对区域地质构造解释的基础，多源多尺度地质数据的融合建模为勘查区断层模型重构提供了有力支持。地质成果中的煤层底板等高线图、勘探线剖面图、地形地质图构成了地质成果的重要基础图件。煤层底板等高线表现了断层在水平方向的分布情况，同时底板等高线又为断层提供了一定的垂直方向发育状态信息。勘探线剖面图是在综合探、采、掘不同阶段地质工作成果的基础上形成的，能够较为完整地展示出断层在该勘探线沿线地层中垂直方向的分布情况以及由断层导致的地层错位状态。地形地质图是包含区域地形特征、地层分布情况、地表露头断层褶皱等地质特征的综合图件，能够清晰地反映断层在地表的分布情况。地表断层露头对其他断层数据有强制约束作用并为断层的合理延伸提供依据。2.1 基于煤层底板等高线及煤层边界线的煤层模型构建Delaunay三角剖分具有任何一个三角形的外接圆内均不包含其他数据点和三角形最小内角最大的特点，以上两个特点保证了Delaunay三角剖分生成8不规则三角网（TIN）的唯一性。但是在二维地质平面图存在大量的断层线、合并分叉线、煤层尖灭线等煤层边界线，在利用煤层底板等高线构建煤层三维建模时一般在优先考虑煤层边界线的约束条件下采用约束Delaunay三角剖分。数据与处理步骤如下：第一步：图形拓扑。底板等高线及煤层边界联合拓扑处理，消除类似悬挂、虚焦点等拓扑错误；逆断层需要对重叠区单独进行拓扑处理，保证上下盘与各自相邻等高线的正确连接。第二步：数据离散。把以折线或曲线形式存储的底板等高线及煤层边界线进行离散处理，转换为以折线存储的点序列。第三步：边界线离散点三维化。将煤层边界线与底板等高线的交点按相交的底板等高线高程赋值，得到具有三维坐标的边界线。第四步：约束构建煤层底板面TIN。依据约束Delaunay三角剖分原则分区构建煤层底板面不规则三角网（TIN），该过程需要结合图面特征采用人机交互模式逐步构建。1）数据离散处理算法设曲线上相邻三点组成的三角形边长为a，b，c，则根据余弦定理得：角B的值需要依据对象曲率及约束构建煤层底板面TIN的情况多次人机交互确定。2）约束Delaunay三角剖分构建煤层底板面9TIN模型目前普遍采用的方法是Chew 提出的算法，该算法将限定条件离散成更短的线段，以离散后的短线段端点进行约束Delaunay三角剖分，交互重复该过程直至细分后的小线段成为TIN的一条边。3）褶皱的处理。对于垂直位置上存在两个Z值得的褶皱面，本文将其分为两个单曲面分别构建TIN面。某煤层依据底板等高线构建的煤层面见图1，结果较为合理地考虑了断层的影响。2.2 基于勘探线剖面的断层建模勘探线剖图是对三维地层的二维表述，二维剖华北自然资源地质勘探2023.2康志军：基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模总第113期022023年061060三维地质建模（3D Geological modeling，3DGM）技术是综合计算机、图形图像学、地质学、地理信息系统的前沿技术，能够高效表达各类地质体的空间分布，揭露地质体之间的相互作用关系，实现地质工作从传统的依赖二维平面图和剖面图工作模式提升到三维立体工作模型的重要基础。三维地质建模也是加快“数字中国”建设，提升地学研究和找矿预测水平，保障国家能源安全的有效手段之一。从1993加拿大学者S W Houlding首次提出三维地质建模概念以来，大量科研工作者在三维地质建模领域取得了丰硕成果。李青元从三维地质建模矢量数据结构方面进行了研究；王纯祥等在岩土工程三维建模方面开发了3DSIS系统；吴立新针对空间建模原理和数据结构的几何特征从面模型、体模型和混合模型三个方面定义了空间三维模型，并将前人的三棱柱模型扩展为广义三棱柱模型，有效解决了地质钻孔倾斜情况下的建模问题；朱良峰、潘信、吴信才等提出断层与地层统一建模方法，既有效解决了整体法和局部法的不足，又兼顾了两种断层建模的优势。李梅、毛善君等针对非层状矿体特点，提出带控制线的平行轮廓线三维矿体重建算法，对复杂形态的矿体实体建模和分支处理问题提出了相1-6应的算法。以凝聚专家知识形成的地形地质图、剖面图、钻孔柱状图为代表的大量地质成果具有多源、多类、多维、多量、多尺度、多时态和多主题特征，其数据采集、处理和应用较为复杂，如何在三维地质建模中综合应用以上资料构建地质体三维模型，实现各类地质资料的协同利用，从而形成对研究区客观、完善的认识是本文主要解决的问题。1 三维空间建模基本理论4在众多有代表性的模型中，吴立新等学者将模型分为面模型、体模型、混合模型三大类。面模型主要用于地质体表面、地表DEM等表面的模拟，也可以用于模拟封闭的地质体空间，优点是容易实作者简介：康志军（1979），男，高级工程师，硕士，毕业于太原理工大学，主要从事地质、测绘相关研究工作。基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模摘要：二维地质图件是地质工作者在大量经验与研究的基础上形成的可靠资料，但难以直观表达三维空间中存在的地质现象。基于勘查区的地形地质图、煤层底板等高线图、钻孔柱状图、勘探线剖面图，对该区约束条件下的DEM、煤层底板模型、断层分布状态进行了三维建模，清晰展示了勘查区煤层形态及断层发育情况。结果表明：基于多源多尺度地质数据的勘查区三维地质建模技术可以直观地反映关键地层、构造形态及属性特征，能够为地质工作提供可靠的分析手段。关键词：三维地质建模；约束三角剖分；煤层建模；断层建模中图分类号：P628 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-60-5康志军（山西省矿产资源调查监测中心，山西 太原 030024）现且数据结构简单，但存在三维实体内部信息需另外插值获取的缺点。体模型将三维空间实体依据不同的属性分割为多个相邻但不重叠的几何体，常用的模型有四面体（TEN）模型、三棱柱模型、广义三棱柱（GTP）模型、八叉树（Octree）模型等；混合模型数据结构相对复杂，对计算机硬件要求高。混合模型在汲取面模型、体模型优点的基础上，针对同一地质空间的不同区域混合应用两类模型建模，有效克服了不同类模型的缺点，常见的混合模型有断面三角网（Section+TIN）混合模型、7八叉树四面体（Octree+TEN）混合模型等。2 基于多源多尺度地质数据的断层重构地质数据具有获取方法多样，成图比例尺不一致的特点，这些资料相互补充和协同构成了地质工作者对区域地质构造解释的基础，多源多尺度地质数据的融合建模为勘查区断层模型重构提供了有力支持。地质成果中的煤层底板等高线图、勘探线剖面图、地形地质图构成了地质成果的重要基础图件。煤层底板等高线表现了断层在水平方向的分布情况，同时底板等高线又为断层提供了一定的垂直方向发育状态信息。勘探线剖面图是在综合探、采、掘不同阶段地质工作成果的基础上形成的，能够较为完整地展示出断层在该勘探线沿线地层中垂直方向的分布情况以及由断层导致的地层错位状态。地形地质图是包含区域地形特征、地层分布情况、地表露头断层褶皱等地质特征的综合图件，能够清晰地反映断层在地表的分布情况。地表断层露头对其他断层数据有强制约束作用并为断层的合理延伸提供依据。2.1 基于煤层底板等高线及煤层边界线的煤层模型构建Delaunay三角剖分具有任何一个三角形的外接圆内均不包含其他数据点和三角形最小内角最大的特点，以上两个特点保证了Delaunay三角剖分生成8不规则三角网（TIN）的唯一性。但是在二维地质平面图存在大量的断层线、合并分叉线、煤层尖灭线等煤层边界线，在利用煤层底板等高线构建煤层三维建模时一般在优先考虑煤层边界线的约束条件下采用约束Delaunay三角剖分。数据与处理步骤如下：第一步：图形拓扑。底板等高线及煤层边界联合拓扑处理，消除类似悬挂、虚焦点等拓扑错误；逆断层需要对重叠区单独进行拓扑处理，保证上下盘与各自相邻等高线的正确连接。第二步：数据离散。把以折线或曲线形式存储的底板等高线及煤层边界线进行离散处理，转换为以折线存储的点序列。第三步：边界线离散点三维化。将煤层边界线与底板等高线的交点按相交的底板等高线高程赋值，得到具有三维坐标的边界线。第四步：约束构建煤层底板面TIN。依据约束Delaunay三角剖分原则分区构建煤层底板面不规则三角网（TIN），该过程需要结合图面特征采用人机交互模式逐步构建。1）数据离散处理算法设曲线上相邻三点组成的三角形边长为a，b，c，则根据余弦定理得：角B的值需要依据对象曲率及约束构建煤层底板面TIN的情况多次人机交互确定。2）约束Delaunay三角剖分构建煤层底板面9T