学位论文:地下信息的三维可视化表达及地质系统的四维动力学建模.pdf
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1、硕士学位论文摘要摘要由于地表浅部的矿产资源越来越稀少,找矿勘查已转入以深部找 矿为主的时代,如何利用飞速发展的信息处理技术,由已有的勘查数 据去获得地下地质体的尽可能完整的认识,以及通过对地质系统进行 动力学模拟,根据模拟计算结果,推断系统演化过程和可能成矿的有 利部位,已经成为地学研究的一个热点。地质构造的复杂性和勘查数 据的不完备性,决定了对地下地质要素(地质体和场)的空间形态进行 三维模拟面临不少技术难题。现有的动力学模拟软件(如FLAC3D、P FC3D等)建模功能较弱,难以建立符合实际的三维模型。基于上 述原因,本文致力于创建一种利用有限不规则的勘查数据对地下地质 体进行三维形态模拟
2、以及增强现有四维动力学模拟软件建模能力的 方法。由于Krigin g算法在揭示非均匀、各向异性地学数据空间分布规 律方面的优越性,选用Krigin g算法进行对不完备不规则地学数据的 空间插值,对插值后的数据,由March in g cube算法构建三维等值曲 面,实现对地下地质要素(地质体和场)的空间三维形态的隐式模拟;由于专业三维CAD软件在构建复杂几何模型方面的优越性,选用 Auto CAD和Go CAD作为建模工具,通过网格剖分等将CAD模型转 换成FLAC3D接受的离散化网格模型。选用Visual C-H-.n et和Open GL 作开发工具编程实现上述过程。通过这些工作,本文取得
3、如下四个方面的主要成果:1)利用Open GL图形库实现了地下钻孔数据的三维可视化及不 同品位的三维分级显示。2)以Krigin g和March in g cube算法相结合,实现了根据有限不 规则勘查数据对地下地质要素的三维形态模拟。3)开发了用Auto CAD和Go CAD为FLAC3D建模的模块,增强 了 FLAC3D的建模能力。4)通过代码集成,形成了一个较为完善的可实现地质体三维形 态模拟及三维模型转换等的软件系统。关键词 三维可视化,Krigin g,等值面,FLAC3D,March in g cube硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTBecause o f ex h a
4、ust o f th e min eral reso urces n ear th e earth surface,th e min eral ex plo ratio n h as beco me to fo cus o n ex plo rin g deep-sited o re depo sits.Ho w to use th e bursted in fo rmatio n tech n o lo gies to get mo re co n crete in fo rmatio n abo ut th e geo lo gic arch itecture fro m ex plo r
5、atio n data an d h o w to use th e dyn amical co mputatio n to get th e evo lutio n h isto ry abo ut th e geo lo gic system an d lo catio n s wh ere are mo st favo rable fo r min eralizatio n h ave beco me a research fo cus in geo scien ce.Because o f th e co mplex ity o f geo lo gic arch itecture a
6、n d th e in sufficien cy o f ex plo ratio n data,to mo del th ree-dimen sio n al sh ape o f geo lo gical facts an d/o r fields is a to ugh ch allen ge fo r th e geo lo gists.Th e co mmo n-used so ftwares fbr 3D dyn amical-co mputatio n(eg.FLAC3D,P FC3D etc)are deficien t to co n struct co mplex geo
7、metric mo dels.It is almo st impo ssible to co n struct an applicable co mplex 3D geo lo gical o n ly by use o f th e mo del-co n structin g fun ctio n o f th e co mmercial n umerical co des.Base o n th e abo ve an alysis,th e auth o r dedicated to develo pe a meth o d fo r mo delin g th e th ree di
8、men sio n al sh ape o f geo-facto rs an d geo-fields fro m limited an d irregular data an d a meth o d fo r faciliatin g co mplicated 3D geo metrical mo del-co n structio n based o n th e curren t-used co mputatio n so ftwares.Th e Krigin g algo rith m,as its favo rable fo r revealin g asymmetrical
9、an d an iso tro pic distributio n pattern in th e geo-field,is used to implemen t th ree-dimen sio n al in terpo latio n fro m fin ite an d irregular data.Th en,th e March in g cube algo rith m is used to co n struct iso surfaces fro m th e in terpo lated data-set an d to implicitly mo del th ree-di
10、men sio n al sh ape o f geo-facto rs an d geo-fields.Th e pro fessio n al th ree-dimen sio n al CAD so ftwares,Auto CAD an d Go CAD,as th eir advan tage in co n structin g co mplicated th ree-dimen sio n al geo metrical mo dels,are used as geo metric mo delin g to o ls.By mesh divisio n,th e 3D CAD
11、mo dels are co n verted to 3D discreted mesh mo dels wh ich are co mpatible fo r n umerical co mputatio n by FLAC3D.Th e VC-H-.n et an d Open GL are used to develo p pro gram system to acco mplish th e abo ve meth o ds.硕士学位论文ABSTRACTTh ro ugh systemic an alyzin g an d pro grammin g research,th e fo
12、llo win g 4 majo r aspects o f acco mplismemts h ave been ach ieved in th is paper.1)3D visualizatio n o f drill data an d classificatio n o f differen t grade are implemen ted th ro ugh Open GL.2)Mo dellin g 3 dimen sio n al sh ape o f geo-facto rs an d geo-fields fro m fin ite an d irregular data
13、is implemen ted by applicatio n o f th e Krigin g an d March in g cube algo rith m3)A special mo dule is develo ped fo r co mstructin g co mplicated an d applicable mo dels by usin g Auto CAD an d Go CAD,wh ich facilitate co mplicted geo metric mo dels co n structio n fo r FLAC3D.4.A so ftware syste
14、m th at can implemen t 3D geo-mo dellin g an d 3D mo del co n vert is develo ped by co de in tegratio n.Key Wo rds:3D geo-mo dellin g,Krigin g,iso surface,FLAC3D,March in g cubem硕士学位论文第一章前 言第一章前 言1.1 选题及意义在地质勘查中,对勘探数据和测量数据的解释是确定矿床位置的关键。因此 如何对这些原始数据进行处理,怎样建立正确的地质体结构信息,并且应用可视 化工具直观的显示出地质构构造与矿床形态和空间展布,
15、对地质工作者就具有了 十分重要的意义。通常,地质普查与勘探工程的大部分成果资料是地质图、勘探线剖面图、储 量分级图等图件。在认识和分析地下矿体和地质构造时,大多数研究是通过平面 地质图、垂直剖面图或水平剖面图展现的。地质工作者通过分布的离散点数据,进行由点到面再到体的推测过程,也就是按照某种数学方法进行的建模。这个工 作过去通常由人工完成,需要一个艰苦的思考过程。现在计算机可以代替人按照 地质规律进行推测,对地质现象和地质作用模拟重现,进而进行辅助研究和分析 工作。地学三维可视化结构模型的研究,能够在虚拟、可视的三维空间中演示和 描述地形起伏,矿层厚度、形态、产状及分布情况,把复杂而丰富的地理
16、、地质 要素融入到简单而可视的三维空间中,可以为矿床勘探和分析提供有力的工具.应用三维可视化技术对地下地质要素进行三维形态表达可以增强对空间数 据本质的认识,加深对其的理解,从中获得知识进而改进决策,提高分析数据的 水平.但因受地质条件、勘查技术及费用的限制,地质勘查通常很难得到比较完 备的勘查信息,因而怎样由勘查所得到的分散的不完备的数据建立地质要素的接 近真实的三维可视化模型,就成为地学领域目前一个热点的难题.地学三维可视 化模拟需要综合应用地学、计算机学和计算科学等多学科的知识才能实现,属于 新兴的交叉学科。另一方面地质事件的演变是一个很漫长的过程,地质体的演变过程很难用实 验方法去模拟
17、,因此通过四维动力学模拟,在计算机上重现地质体的演变历史及 未来趋势,也是地质研究中很重要的一种方法,有时甚至是唯一的方法。怎样通 过建立合适的模型,推导得到地质体的演变历史及未来趋势,对地质工作者也具 有很重要的意义。动力学模拟涉及面很广,而个人的力量是有限的,所以在动力 学模拟领域,本文只探讨了怎样利用现有的可视化三维CAD软件建立可供进行 四维动力学数值模拟的三维复杂形态模型。硕士学位论文第一章前 言1.2 三维可视表达技术及其在地质领域的现状及应用综述三维可视表达既将物体的三维形态在计算机上模拟重现.对地质领域而言,三维形态模拟方法有显式模拟(Ex plicit Mo dellin g
18、)和隐式模拟(Implicit Mo dellin g)两种四】显式模拟即手工圈定边界,是目前国内常用的模拟方法.隐式模拟即 通过已有采样点数据,确定分布函数,然后通过分布函数由已知推未知,将不完 备的样品数据通过空间插值生成完备的样品数据,然后再通过三维曲面构建算法 自动生成三维可视模型。显式模拟工作量大,非常费时,且主观随意性太强,不 同的人圈出来的模型经常差异很大。随着Krigin g、RBF等隐式算法的发展和成 熟,隐式模拟在自动生成、快速适应新数据以及结果的精确性方面则越来越显示 出优越性以3隐式模拟的关键是空间插值函数的选取,目前主要的空间插值方法有距离反 比(In verse D
19、istan ce Weigh ted)法、克里金(Krigin g)法、径向基人工神经网络(Radial Basis Fun ctio n,简称RBF)法等四刀,其中克里金(Krigin g)法又可分为普通 克里金法(Ordin ary Krigin g)、泛克里金法(Un iversal Krigin g)、对数正态克里金法(Lo gn o rmal Krigin g),协同克里金法(Co krigin g)、指示克里金法(In dicato r Krigin g)等.国内外有很多相关论文探讨不同空间插值方法的应用佚如国家地质实 验测试中心的陈明以峋等,用离散地球化学测量数据验证了用RBF法
20、进行空间 插值的可行性。北京大学吴健生等利用距离反比加权法和Krigin g法对矿体做 空间插值得到的储量和用传统手工方法得到的储量进行对比分析,论证手工方法 主观随意性太大,应用计算机模拟方法得到的结果合理性更高。三维可视模型的构建主要基于计算机领域比较成熟的3D空间构模方法进 行,过去十余年中,提出了 20余种空间构模方法【也”叫若不区分准3D和真 3D,则空间构模方法可以归纳为面模型(Facial Mo del)、体模型(Vo lumetric Mo del)和混合模型(Mix ed Mo del)3大类构模体系,如表所示四】基于面模型的构模方法侧重于3D空间实体的表面表示,如地形表面、
21、地质 界面、建筑物及地下工程的轮廓与空间框架。所模拟的表面可能是封闭的,也可 能是非封闭的。基于采样点的不规则三角网(Trian gulated Irregular Netwo rks,简 称TIN)模型和基于数据内插的Grid模型,通常用于非封闭表面模拟;而边界表 示(Bo un dary Represen tatio n,简称B-Rep)模型和Wire Frame模型通常用于封闭 表面或外部轮廓模拟。Sectio n模型、Sectio n-TIN混合模型及多层DEM模型通 常用于地质构模.通过表面表示形成3D空间目标轮廓,其优点是便于显示和数 2硕士学位论文第一章前 言据更新,缺点是无拓扑
22、描述和内部属性记录而难以进行3D空间查询与分析磔】表1-1 3D空间数据模型及3D空间构模方法分集单一构模混合构模集成构模面元模型体元交型混合模型集成模型规则体元非规则体元表面模型(Surface)不规则三 角网模型(TI N)格网模型(Grid)结构实体几何(CSG)体素(Vbxel)四面体格网(TEN)金字塔(Pyramid)TI N+GridSection+TI NTI N+CSG TI N+Octree边界表示模型(B-Rep)针体(Needle)三棱柱(TP)WireFrame+Block线框(Wire Frame)或 相切连片(Linked Slices)八又树(Octree)地质
23、细胞(Geocellular)BRep+CSG断面(Section)面则块体(Regular Block)非规则块体(I rregular Block)Octree+TEN多层DEMs实体(Solid)广义三棱柱(GTP)体模型基于3D空间的体元分割和其3D实体表达,体元的属性可以独立描述 和存储,因而可以进行3D空间操作和分析.可以根据体元的规整性分为规则体 元和非规则体元两个大类。规则体元包括CSG(结构实体几何,Co n tructiveSo lid Geo metry)Vo x el、Octree,Needle 和 Regular Blo ck 共 5 种模型,如图 1-1 所示.规则
24、体元通常用于水体、污染和环境问题构模,其中Vo x el、Octree模型 是一种无采样约束的面向场物质(如重力场、磁场)的连续空间的标准分割方法,Needle和Regular Blo ck可用于简单地质构模。非规则体元包括TEN(四面体格 网,Tetrah edral Netwo rk)、P yramid.,TP(三棱柱,TriP rism)、Geo celluar、Irregular Blo ck,So lid、GTP(广义三棱柱,Gen eralized Tri-P rism)共 7 种模型,如图1-2所示.非规则体元均是有采样约束的、基于地层界面和地质 构造的面向实体的3D模型.通过对
25、体的描述实现3D目标的空间表示,优点是易 于进行空间操作和分析,但存储空间大,计算、显示和刷新速度较慢。3硕士学何论文第一章前 言G)结杓实体几何G)体索(d)计状体图1-1规则体元模型(洋祝耽图1-2非规则体元模型此外,还有人提出了混合模型,其目的是综合面模型和体模型的优点,以及 综合规则体元与非规则体元的优点,取长补短。但在程序与软件实现中,混合模 型尚未能很好解决。三维地学可视化根据不同的应用目的,可采用不同的空间构模方法磔涮.如 中国矿业大学的吴立新等,利用非规则体元模型实现地质体的三维建模及切 割,以及基于强约束Delaun ay-TIN,以地层底板等高线为数据源,实现了地层底 板的
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