3D Surfer在地质体属性建模及可视化中的应用.pdf

SeriesNo. 383 May 2008 金 属 矿 山 METAL M I NE 总第383期 2008年第5期 3 国家重点基础研究发展计划 973 计划项目子课题编号 2003CB214608。 王俊虎1982 , 男,山东科技大学地球信息科学与工程学院,硕士 研究生, 266510山东省青岛市。 3D Surfer在地质体属性建模及可视化中的应用 3 王俊虎 杨锋杰 山东科技大学 摘 要 地质体属性三维模型的建立是三维地质建模的关键技术之一,在对3D Surfer三维可视化软件主要功 能和特点的研究基础上,以地质对象的几种属性数据为例介绍了3D Surfer在三维地质体属性建模及可视化中的应 用,论证了3D Surfer软件在地质体属性建模中的技术优势和应用前景。 关键词 地质体 3D Surfer 属性建模 Application of 3D Surfer in M odeli ng and Visualization of Geological Body’s Attributes Wang Junhu Yang Fengjie Shandong University of Science and Technology Abstract The establishment of 3D model of geological body attributes is one of the key techniques in 3D geological modeling. Based on the study of themain functions and featuresof 3D Surfer visualization software, the paper describes the application of 3D Surfer in modeling and visualization of geological body’s attributeswith the data of several attributes of the geological object as example, and demonstrates the technical superiority and application prospect of 3D Surfer in modeling geological body’s attributes . Keywords Geological body, 3D Surfer, Attribute modeling 三维地质建模是在真三维空间中对地质实体的 几何形态和地质实体内部属性参数的建模。因此, 三维地质建模主要包括建立地质体结构模型和建立 地质体内部物理、 化学属性参数模型即“ 三维地质 属性模型 ” [1 ]。三维地质结构建模起步较早 ,目前 市场上比较成熟的软件有C - Tech、Gocad、OpenVi2 sion、GeoQuest、EarthVision、Micromine、LYNX、Min2 com、MineMap、Vulcan、Surpac等,这些软件涉及地震 勘探三维建模及可视化、 矿床模拟、 开采评估等领 域,基本上代表了当今三维地质模拟软件的最高水 平 [124 ]。但从总体上来看 ,上述三维地质模拟软件实 现的功能主要偏重于利用物探数据钻孔、 剖面数 据等对地质体结构进行建模,而对于利用物化探 属性数据建立地质体属性模型及可视化上还有一定 的欠缺,还有许多问题有待于解决。由于地质体内 部含有多种反映地层岩性、 油气资源分布等特性的 参数,如孔隙度、 渗透率、 含油饱和度、 地震波反射速 度、 温度等,对这些参数建立地质属性模型,从而对 物化属性参数进行计算和综合分析,可以估算出各 种矿产资源的储量及经济价值。 3D Surfer就是一款用于实现地质体属性建模 基本功能的科学可视化软件,用C 语言编写,它 有2种三维立体成像方式体成像和等值面成像。 利用3D Surfer可以生成精美的三维图形,并且具有 图形旋转、 图形放缩、 三维虚拟漫游、 分层显示、 图形 切割、 制作切片、 数据处理等功能 [5 ]。由于 Surfer软 件具备数据绘图的强大功能,备受物化探人员的青 睐,在物化探图件绘制方面得到广泛应用,因此许多 物化探的属性数据都是Surfer格式的 [6 ]。为了弥补 Surfer软件在三维成像上的不足,提升Surfer数据的 应用价值, 3D Surfer采用类似Surfer的操作方式,兼 容Surfer定义的数据格式,支持规则数据和散乱数 据的三维插值,针对物化探属性数据增加了数据处 理功能,还可以将三维图形转换为虚拟现实数据文 件VRML数据格式、JPG、BMP等图形格式。 1 原始数据的读入 3D Surfer支持Surfer定义的数据文件格式,可 以载入txt, dat等格式的数据文件。数据文件格式 711 要求数据按行排列,每一列表示三维空间坐标P x, y, z 或者是坐标点处的值fx, y, z ,分隔符号可以 是空格、TAB键、 逗号等字符。在数据文件中还可 以采用“/ /” 进行注释,第1行可以定义列的标题。 3D Surfer格式文件的格式和文件大小自动将三维 点数据读入内存,读数据时间将视数据大小不同,一 般为0. 1～60 s。 2 三维数据插值 原始数据读入完成后,出现数据组织窗体,如图 1所示。 图1 数据组织窗体 2. 1 成像列选择 如图1所示,左上是数据选择列,可以选择相应 列的数据对应于3D Surfer的坐标系。3D Surfer默 认坐标系统为x, y是平面方向, z为纵向,坐标系遵 守右手法则。 2. 2 三维插值 2. 2. 1 插值数据设置 如图1所示,在数据插值选项中显示了原始数 据的统计信息最小值minimum、 最大值maxi2 mum、 插值间距 spacing、 插值点数 lineNo。缺 省的插值点数是原始数据中的节点数如果原始数 据中有重复点,前面的点将被后面的点取代。在 LineNo中填入要插值网格化的点数,该参数将影 响图形的精度,网格点数越多,成像精度越高,但内 存分配就越大。 2. 2. 2 插值方法的选择 3D Surfer提供的三维网格化插值方法主要有 近点线性插值、 近点Cube插值、 局部距离加权插值、 全局距离加权插值和径向基函数插值。用户可以根 据不同的数据体选择不同的方法,如果数据是规则 网格数据,选择计算速度快的近点线性插值,插值效 果较好;如果数据是散乱数据,而且原始数据的点数 在10 000以下时,选择径向基函数插值则效果最 好,因为此方法是一种全局插值方法,能够比较好地 适应散乱数据,但计算速度比较慢,内存开销也较 大,所以当数据量很大时用其它的3种方法为好。 2. 3 数据的三维网格化 设置好插值点数选定插值方法后,点输出 “GRD文件 ” 将进行插值计算,生成相应的GRD网 格化数据文件。网格化数据文件格式基本同3D Surfer定义的格式,在Surfer格式的基础上增加了一 列。 3 数据的三维成像 3. 1 三维数据体成像 三维体成像的原理是三维数据点在三维空间中 表达成一个小长方体,长宽高的大小与数据体的一 个方向的大小和比例有关。三维图形被表达成一系 列的小长方体,小方体的颜色就是该点的值 [5 ]。 3D Surfer有2种情况可以生成体成像一是原 始数据体成像,二是GRD文件体成像。利用原始数 据体成像速度最快,但生成的三维图形只有预览作 用,不具备其它功能。利用GRD文件体成像具有图 形切割、 分层显示、 切片制作、 粘贴点位、 输出为 VRML实体图等功能如图2所示。 3. 2 三维数据等值面成像 三维等值面是三维空间中的一个曲面,该面上 的点具有相同的值,表示为相同的颜色。三维数据 体是由三维空间中的一系列的实体点组成,三维等 值面是由这些点组成的三维边界 [5 ]。 三维等值面采用Marching Cubes方法,对整个 三维网格进行搜索并构造等值面。该方法成像曲面 较体成像平滑、 分层明显、 不构造实体内部点、 显示 速度较快,但是生成等值面时间较长。 图2 地下水温模型体成像 图2是根据地下水不同深度温度场的不同赋予 不同的颜色本刊为黑白图 编者 , 以三维立体的 形式表示出来。从图中能清晰的看出随着深度的增 811 总第383期 金 属 矿 山 2008年第5期 加水温的变化趋势。 4 三维图形切割 3D Surfer采用长方体切割,切割体由一个x, y, z方向一定大小的长方体定义。图形切割后将重新 计算,显示切割后的图形。 切割体设置是通过调整软件面版右上方切割体 设置中的x1, x2, y1, y2, z1, z2分别代表切割体一个 方向的值的相应选项,然后拖动下方的滚动条,将 切割值设置到合适的位置。 点击“ 显示切割模型 ” 后将在绘图区以轮廓图 的形式动态显示出切割体的位置如图3浅色部分 所示。 图3 切割模型 5 制作三维图形切片 在图2中只能从立方体面上观察属性数据的变 化,而对于立方体内部层面数据的变化情况却无法 得知。因此制作三维切片在地质体属性建模及可视 化中占有十分重要的地位。 在3D Surfer中,立体图从3个方向分别垂直 于x、y、z轴 , 进行切割。用户分别点击相应的标签 页,用鼠标拖动滚动条到指定位置可以从0到最 大的切片数按“ 添加 ” 按钮,便可以增加一个切片 到列表中,同时在屏幕绘图区中绘制出切片如图4 所示。重复以上步骤,可以设置多个切片,同时还 可以对绘出的切片进行旋转和动态播放。 图4 三维立体切片 图4是利用金矿化探数据做出的三维立体切片 图,从图中可以看出在不同的深度层次上金属元素 异常值的区域范围。 6 数据处理 6. 1 异常处理 在化探数据的处理中经常要对异常值进行检 测, 3D Surfer提供了2种异常提取方法求导法和 Sobel算子法。求导法包括对x方向、y方向、xy方向 进行一阶和二阶求导; Sobel算子法通过调节阈值 0 ～ 1 的不同确定异常提取的范围。用户可以根据 自己的需要选择异常提取的方法,确定异常提取范 围,对三维数据体进行异常检测,显示异常检测后的 图形。 图5 原始切片 图6 异常检测切片 6. 2 滤波处理 在地质部门所获取的地质体属性数据中经常会 含有一些噪声信息,这些噪声大大地降低了数据的 精确性和可用性。为此, 3D Surfer提供了滤波处理 功能。用户可以通过设置滤波参数二维滤波高 通、 带通、 低通 , 三维滤波高通、 带通、 低通来对 三维数据体进行噪声剔除如图7所示。 图7 二维切片滤波前后对比 7 图形输出 3D Surfer支持 3. g3d,3. jpg,3. bmp,3. wrl 等格式的图形输出。 下转第124页 911 王俊虎等 3D Surfer在地质体属性建模及可视化中的应用 2008年第5期 重论述了建立三维地质模型的各种方法,并借助这 些方法建立了某矿山三矿区的地形表面模型、 矿体 实体模型和工程模型拟合效果如图11所示。 图11 矿区整体模型 模型的建立逼真地虚拟了矿体的赋存方式和工 程的布置,以及两者之间的关系,给人以身临其境的 感觉。同时对三维模型进行任意角度的旋转,能够 满足各个不同角度的察看效果,模型任意大小的缩 放还能满足对系统整体或局部的细看。矿山生产系 统可视化的实现,对了解生产作业地点,组织开采顺 序,强化管理决策,以及在井下发生意外的情况下, 迅速有效地组织救援等,都具有重大的现实意义。 3 结 论 矿床三维可视化模型的研究和应用是一个复杂 的系统工程,是地质学、 计算机技术、 信息技术、 采矿 技术等多学科相互交叉融合的产物,是实现数字矿 山的基础,也是其核心内容。矿体可视化模型的建 立,不仅可以辅助矿山进行资源评估,采矿设计以及 计划编制等工作,还为安排生产计划、 实时调度监控 提供很好的平台。随着矿山企业数字化进程的发 展,三维可视化建模在矿业中必将会得到越来越广 泛的应用。 参 考 文 献 [1 ] 宁书年,李育芳.三维地质体可视化软件理论探讨[ J ].矿床 与地质. 2002, 1691 25422571 [2 ] 胡永祥.医学图像三维可视化技术研究 [D ].广州华南师 范大学, 19991 [3 ] 翟凤杰. 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