基于IDL的三维地质动态建模_张庆嵬.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY IDL; dynamic display; coal field 在地球科学领域，地质学家用闭合的线圈在平 面上表示高山、盆地等地貌，用特殊的记号表示断 层、褶皱等构造，这种方式在无形之中提高了信息 传递的门槛。三维地质建模技术凭借着地质信息直 观表达、功能丰富多样的特点，成为弥补二维图件 模式缺点的最佳工具之一。 所谓三维地质建模就是在 原始数据的基础上， 建立能够反映地质构造形态、 构 造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型[1]。 三维地质建模概念最早于 1994 年由加拿大学者 Simon Houlding 提出，发展至今不仅在理论上推陈 出新，并且出现了针对各行业的商业软件。 交互式数据语言Interactive Data Language， IDL是数据处理与可视表达的首选工具之一。凭借 功能强大的内置函数与优秀的图形显示能力，IDL 可以快速完成数据分析与表达，尤其是在数据动态 展示方面有自己的优势。笔者在总结三维地质建模 方法的基础上，探索了在 IDL 平台上实现三维地质 建模关键步骤的方法，并设计了动态显示体系，最 后开发程序以山西某煤田地层静态展示与陕西磨沟 泥石流动态展示为例对实际使用效果进行了验证与 分析。 1三维地质建模方法 三维地质建模方法很多，但总体上可以归结为 ChaoXing 第 6 期张庆嵬等 基于 IDL 的三维地质动态建模145 表面建模、实体建模及混合集成建模 3 大类[2-3]。 表面建模方法只刻画地层的界面，用界面的空间位 置关系来表达三维视觉效果，这种方式空间拓扑关 系比较简单，对计算机的图形处理能力要求较低， 但模型内部是中空的，难以生成剖面图[4]，常见的 表面建模方法有三角网法[5]、格网法[6]等；实体建模 方式可以理解为将表面模型内部的空间进一步无缝 剖分，这种方式空间拓扑关系比较复杂，对于复杂 地质体刻画较表面建模方法吃力[7]，常见的实体建 模方法有四面体法[8]、棱柱法等；混合集成建模方 法就是将表面建模与实体建模方法进行组合用来描 述地质体。 三维地质建模的实现过程一般包含如下步骤 ① 基础数据处理； ② 数据插值； ③ 网格剖分； ④ 生 成面元或体元；⑤ 渲染显示。 2IDL 对象图形法[9-10] ENVI 软件包含 IDL 模块。 IDL 自 5.0 版本引入 面向对象编程的概念，对象图形法提供了一整套的 可视化工具类，包括原子类、框架类、显示类、场 景类等，其核心思想类似于“搭积木”，将不同的显 示类别按照开发需求组合在一起。原子类是最小的 单元，它们都具有特定的功能，彼此之间独立。其 余的类都属于容器类， 可以在其上添加原子类对象， 构成不同的层次图 1。 图 1对象图形法框架体系 Fig.1The frame of IDL object graphic system 图 1 中的 IDLgrPolyline线类、 IDLgrSurface面 类、 IDLgrVolume体类都属于原子类； IDLgrModel 是框架类，具有容器属性，可以容纳多种原子类， 平移、旋转、缩放等操作都需要基于此类的对象完 成；IDLgrView 是视图类，可以容纳其他容器类以 完成渲染显示；IDLgrScene 是场景类，其内可以包 含多个 IDLgrView 类。不同类的对象都是利用各自 的关键字进行属性设定，如用 oModelOBJ_NEW ‘IDLgrModel’,Render_0 语 句 定 义 了 IDLgrModel 类的对象 oModel，其关键词 RENDER_ 设置为 0，则意味着 oModel 对象会绘制 包含在其内的所有原子类对象；如设置为 1，则仅 绘制关键词 ACTIVE_POSITION 指定的活动部分。 3关键技术的实现 3.1数据读入 数据文件采用文本格式txt、dat，借助 READF 函数读入点云数据坐标。将所有坐标值输入到折线 类 IDLgrPolyline 对象中，设定其 LINESTYLE 属性 数值为 1，则可以只进行坐标点的初始化显示。为 了美观，还可以利用符号类 IDLgrSymbol 来进行单 点标志符号的定义，IDL 支持 27 种基本符号，比如 三角形、圆、钻石、星形等。此外，利用 COLOR 关键字可以定义显示颜色。 3.2插值方法 IDL提 供 了 十 多 种 常 用 的 插 值 算 法 ， 包括 KRIG2D 克里金算法、 GRID_TPS薄板样条算法、 MIN_CURVE_SURF最小曲率算法等， 这些算法经 过官方优化，计算高效，稳定性好。所有插值算法 的调用格式相同，但每个算法的控制参数不同，可 以查阅官方技术文档以获取详细信息。以实际使用效 果较好的GRID_TPS算法为例，调用格式为Result GRID_TPSXa,Ya,Za,NGRID[Nx,Ny]，START[X0,Y0]， DELTA[Dx,Dy]，其中Xa、Ya、Za分别表示源数据 中X、Y、Z坐标集合；Nx、Ny分别表示X、Y向插值 个数，X0、Y0表示起始插值坐标，Dx、Dy是X、Y向 间距。插值结果会赋值到二维数组Result中。 3.3表面建模 利用 IDL 中的 TRIANGULATE 函数可以构建 Delaunay 三角形网。将组网信息输入到多边形类 IDLgrPolygon 对象中绘制三角形面元可以表达地层 面，且面元支持颜色填充与纹理贴图。 事实上，借助于 IDL 对象图形体系中的面类 IDLgrSurface 可以不用进行剖分而实现表面建模， 只需将插值得到的数据按照格式输入到面类中就可 以达到良好的显示效果。面类对象生成格式为 ResultOBJ_NEW‘IDLgrSurface’,Za,Xa,Ya, PROPERTY value，值得注意的是 Za数据必须是 一个二维数组，假设 Zafltarra,b表示创建名为 Za 的 a 列 b 行的二维 float 数据类型的数组， 则 a 是 X 向插值点个数，b 是 Y 向插值点个数，Za数组元素 则为点的高程。Xa、Ya可以是一维数组，也可以是 二维数组，Xa为一维数组 Xafltarra时，其值为点 云数据中 Y 坐标取最小值时对应的 X 坐标值集合， 个数为 a；Ya为一维数组 Yafltarrb时，其值为点 云数据中 X 坐标取最小值时对应的 Y 坐标值集合， 个数为 b。当 Xa、Ya为二维数组时，其数组大小与 ChaoXing 146煤田地质与勘探第 46 卷 Za数组一一对应，如 Xa[i,j]、Ya[i,j]、Za[i,j]代表的是 插值格网中横向第 i1 个、纵向第 j1 个点数组行 列数起始为 0的三维坐标值。 IDLgrSurface 类中的关键字有很多，决定面显 示风格的是 STYLE，共提供 7 种选择，其中 0 为点 绘制， 1为网格绘制， 2为填充绘制， 如果令 STYLE1 则是用四边形进行剖分后的显示效果。此外，利用 TEXTURE_MAP 关键字可以实现贴图功能。 3.4实体建模 IDL 中的体绘制类 IDLgrVolume 是基于体素而 实现的。 语法格式 ResultOBJ_NEW‘IDLgrVolume’, vol,PROPERTYvalue，vol 为三维数组，用于确定 体素属性，用 DATA0、DATA1、DATA2、DATA3 关键词设置，当体绘制方式关键词 VOLUME_ SELECT0 时，为 8 位体数据绘制方式，数据只需 由 DATA0 注入。在 32、64 位 WINDOWS 操作系统 上支持的最大体素个数分别为 232、264。在实际使用 中有两种实现思路，一是可以建立一个 100100 100 的立方体显示空间，以立方体为实体建模单元， 将地层的插值数据点按照相应的规则进行归一化变 为模拟数据，然后将模型空间内的所有位置点与各 地层数据进行比较，并根据比较结果赋予显示特征 值；二是将插值数据进行平移消除负值后，循环选 取点作为四边形左下角位置的控制点，其正向相邻 3 点作为四边形其余 3 个位置点，上下 2 个层面的 四边形确定后进行竖向组合成为四棱柱，将四棱柱 作为体素，赋予显示特征值。当每个体素都具有特 征值后，注入 IDLgrVolume 类对象中则会按照不同 属性进行显示，从而实现实体建模。 对于实体模型切片的提取有 2 种实现方式，一 种是利用函数 EXTRACT_SLICE，另一种是借助交 互插件 SLICER3。 两者均支持任意方位的切片提取， 相较而言 SLICER3 方式更便捷且功能更为强大， 但 它需要弹出额外的窗口界面。 3.5动态表达 所谓动态效果， 其实就是在时间变化的驱动下， 将模型的整个或者部分数据不断进行更新绘制，以 完成对连续变化地质事件的表达。IDL 有多种动画 生成机制，如 JPEG2000 方式、Xinteranimate 方式 等，下面将介绍笔者采取的动态显示算法的主要实 现步骤。 设 定 一 个 IDLgrModel 类 对 象 命 名 为 Animationmodel，因其为容器类对象，故可将数据 Data如 IDLgrPolyline、IDLgrSurface、IDLgrVolume 等加载其中， 并将其 RENDER_ 属性设置 为 1。定义一个 Process_control 原子类，在类中封 装用来序列化图像与控制数据流动的相关函数。设 定 Process 为 Process_control 类的对象， 并将图像数 据源指定为 Animationmodel。定义 IDLitWindow 类 的对象 oWindow，利用 AddWindowEventObserver 关键词添加 Process 为 oWindow 的窗口事件观察， 当窗口对象 oWindow 发生状态改变时触发 Process 内的增量函数，完成图像数据的循环展示。如图 2 所示将整个流程衔接在一起， 保持数据 Data 的正确 流动可形成动态效果。 要实现地质现象的动态表现，显示算法只是一 个方面，数据 Data 的生成方式、注入方式、造型方 法及进程控制等同样重要。程序中对于动态显示过 程的把控则是通过设定 oWindow 中的关键词实现 的， 利用 SETEVENTMASK 关键词进行动态模拟启 停控制，利用 SETTIMERINTERVAL 关键词进行播 放速度的调整。 图 2动态显示算法的组织流程 Fig.2Organization process of dynamic display algorithm 3.6辅助功能 三维地质模型的可视化必须要做到三维交互功 能，IDL 平台上借助虚拟跟踪球 TrackBall 可以实现。 调 用 格 式 为 TrackBallOBJ_NEW ‘TrackBall’, center,radius，center 为二元一维数组，表示跟踪球圆 心坐标，radius 为跟踪球的跟踪范围半径。利用 IDLgrModelScale,Sx,Sy,Sz命令可以分别在 X、Y、Z 方 向 上 进 行 缩 放 操 作 ； 利 用 IDLgrmodel Translate,Ax,Ay,Az命令可以分别在 X、 Y、 Z 方向上进行 平移操作。灯光类 IDLgrLight 用于创建三维图形对象 的光源，调用格式为 Light OBJ_NEW‘IDLgrLight’， PROPERTYvalue，关键词 LOCATION 可以指定光 ChaoXing 第 6 期张庆嵬等 基于 IDL 的三维地质动态建模147 源位置，DIRECTION 确定灯光方向，COLOR 选择灯 光颜色，TYPE 设置灯光类型。灯光类型共有 4 种， 分别为环境灯、位置灯、方向灯、聚光灯。 4程序开发 基于以上分析，在 IDL 平台开发了三维地质建 模程序，其不但能完成三维地质建模任务，还具有 动态显示能力。程序开发遵循模块化设计原则，大 体分为如图 3 所示的 6 个模块。表面建模与实体建 模是采用不同的建模理念构建三维模型的 2 个模 块，内部共享原始数据与插值数据。动态显示主要 用来表达模型运动过程，它包含系列数据的构建与 集成，并实现快进、快退、暂停、逐帧等控制效果。 切片生成则在实体建模后实现了片状模型的提取。 三维交互则完成显示区域的操作响应，包括旋转、 平移、缩放。数据接口则包括原始数据的输入，插 值数据与其他格式的数据如 FLAC3D数据的输出。 程序主界面如图 4 所示。借助 VM 或 Runtime 可部 署程序，但 Runtime 需授权。 图 3程序模块组成 Fig.3The structures of system modules 图 4程序界面 Fig.4The program interface 5实例验证 5.1煤田静态展示 煤田位于山西省境内。煤田内地形平坦开阔， 为厚层新生界沉积物所掩盖，地势西南部高，东北 部低。海拔一般在 1 1001 200 m，最高点海拔标高 1 410 m，最低点海拔标高为 1 096 m，最大相对高 差 314 m。本次展示选取了 3 个煤层面，为了突出 高差效果，程序在高程上设置了放大倍数。 图5是原始数据点经过GRID_TPS算法插值后生成 的点状图。从图中可以看出，经过插值后数据点得到了 加密，点的排布更有规律，消除了数据缺失的情况。 图 6 展示的是将插值数据注入到 IDLgrSurface 类 对象后生成的 3 层地层面的形态，图中的显示状态已 经加入了灯光功能，并且不同的地层用颜色进行了区 分显示。图 7 则是对上下相邻的煤层边缘进行了面数 据构筑， 从而形成了封闭模型， 增强了立体表达效果。 图 5点状显示 Fig.5The model of point-based geometry ChaoXing 148煤田地质与勘探第 46 卷 图 6煤田表面模型 Fig.6The surface model of coal field 图 7封闭表面模型 Fig.7The closed geological surface model 图 8 则是利用前文所述的实体建模第二种方案 生成的模型，X 向插值个数为 200，Y 向插值个数为 100，可以看出边缘呈锯齿状，加大插值密度后情况 得以改善，说明实体建模方法较表面建模方法需要 的数据量更大。此外对实体模型进行三维旋转、缩 放操作时，计算机超负荷运行并出现明显的卡顿现 象，表明实体模型在进行图形渲染的时候需要耗费 更多的计算资源。但实体建模的优势是可以方便地 生成剖面图，图 9 展示了煤田的复合切片。 图 8煤田实体模型 Fig.8The voxel model of coal field 5.2泥石流动态展示 磨沟[11]位于宝鸡市陈仓区凤阁岭镇以西，总体 呈近南北向的分布，沟长约 8.5 km，选取其上半段 为研究对象，插值后模型如图 10 所示。 图 9复合切片 Fig.9The composite slices of voxel model 图 10磨沟地表模型 Fig.10The topographic model of Mogou 泥石流数值模拟过程没有考虑沿程侵蚀的情 况，集水点设置为 2 条主沟上游，降雨持续时间为 2 h，且 1 h 时为雨量峰值。图 11 在贴图基础上，展 示了 4 个不同时刻的泥石流发育情况。在实际使用 中，动态显示流畅，速度控制精确，并具有逐帧回 溯能力，证明动态显示算法是可行的。 图 11磨沟泥石流动态显示效果 Fig.11The dynamic display of debris flow in Mogou 6结 论 a. IDL 可以高效完成三维地质建模过程中涉及 到的数据插值、 网格剖分操作， 并且能够快捷实现三 维旋转、缩放、平移等交互功能。借助于丰富的内置 ChaoXing 第 6 期张庆嵬等 基于 IDL 的三维地质动态建模149 函数，将 IDL 作为开发工具可以明显减少代码量。 b. 表面建模方式与实体建模方式恰好对应 IDL 对象图形体系中的 IDLgrSurface 类、 IDLgrVolume 类， 配合类的关键词选项，可以较好地完成建模任务。 经过实际使用比较，在显示效果、流畅度、可操作 性等方面表面建模的方式在 IDL 平台上有更好的使 用体验。 c. 经过检验，笔者采用的动态显示算法具有一 定的可行性，完善后可以应用于矿区滑坡、泥石流、 地表沉降等灾害的动态展示。 d. 文中没有讨论包含断层、褶皱的复杂地层建 模方法，未来将在这方面做进一步工作。 参考文献 [1]明镜. 三维地质建模技术研究[J]. 地理与地理信息科学，2011， 27414–18. MING Jing. A study on three-dimensional geological modeling[J]. Geography and Geo-Ination Science，2011，27414–18. [2] 程朋根，刘少华，王伟，等. 三维地质模型构建方法的研究及应 用[J]. 吉林大学学报地球科学版，2004，342309–313. CHENG Penggen，LIU Shaohua，WANG Wei，et al. Study and application of a new 3D geological model construction [J]. Journal of Jilin UniversityEarth Science Edition，2004，342 309–313. [3] 吴立新，史文中. 论三维地学空间构模[J]. 地理与地理信息科学， 2005，2111–4. WU Lixin，SHI Wenzhong. On three dimensional geosciences spatial modeling[J]. Geography and Geo-Ination Science， 2005， 211 1–4. 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