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[摘 要]地质体三维建模方法的优略直接决定三维地层模拟与可视化的精度与效果。然而，由于地质体在形成过程中受到各种地质因素以及人为的开发改造等因素的影响地层在空间上更多呈现不规则的几何形状。这就急需一种可以精确建立呈现多样属性的复杂地层对象的高效建模方法。本文就对地质体建模方法进行研究论证。
[关键词]地质体；地质体模型；地质体三维可视化
中图分类号：F284 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0183-01
1 引言
随着科技的发展，地质体二维纸质图件已不能满足人们渴望用先进技术构建三维模型来可视化表达复杂地质现象的需要，基于地质体三维可视化模型来进行空间分析，已得到可靠的分析结果，从而得到有效的决策支持等信息。因此寻找一种能准确表达复杂地质现象并方便在计算机中实现的三维地质建模方法具有很大的社会效益和经济效益。
虽然上世纪末已经有很多有志的知识青年投入到三维地质体可视化的行业中来，但由于有关地质方面的行业的发展一直不景气，像地质矿产行业，这就很大程度上阻碍了中国在三维地质体建模方面的发展。因此，导致外国三维地质体建模软件大行其道，霸占了中国三维地质体建模行业的很大市场。随着本世纪以来地质行当的发展，像矿业集团、隧道、地铁的迅速发展。国产地质体三维建模软件也纷纷上市并得到了很大的经济效益和社会价值。但由于中国在地质体三维建模领域方面的研究还不成熟，这就导致了国产地质体三维建模软件有一定的局限性，并需要更多的知识青年进一步研究和完善。
为了更精确真实地表达地质体复杂的形态特征和几何属性等，下面就对地质体三维建模方法发表一下个人的看法。
2 地质体分类
为了便于三维地质体的描述和在计算机中的可视化表达，在本篇文章中从几何学的角度将地质体划分为5种对象，即点对象、线对象、面对像、规则体对象和不规则体对象。像工程地质中用的钻孔、测量时用的控制点等所有孤立的点都视为点对象；工程地质的钻孔分段和勘探线等有无穷多的连续点组成的连续钻孔或勘探轨迹都视为线对象；地质属性分界面和地表等视为面对像；人为开挖或建造的具有特定用途的各种形体（地铁、竖井等）视为规则实体；地层构造等视为不规则实体对象。
之所以将地质体按几何学的方式划分为这5种对象有很多方面的原因。一方面，这种划分的任意组合可以完全地涵盖各种地质体构造；另一方面，按这样的方式划分地质体更有利于计算机根据需要选择合适的建模器来高效建模。
3 地质体三维建模方法
根据上节对地质体的分类情况，本节将对不同的地质体对象采用不同的三维建模方法。这样做的好处是根据不同的地质体对象的特点采用最优的建模方法生成便于地质体查询分析的三维地质体模型。
对于点对象就是在建模系统中输入三维空间中的三维坐标{x，y，z}，然后附上相应的地质属性符号，在此基础上进行三维可视化的一系列处理。该模型的建立是在几何-拓扑关系模型中建立的。
对于线对像可以分为直线和曲线对象，因为任何的线对象都可以有这两个对象组合而成。对于直线对象就输入它的起点和终点（通常是钻孔点或控制点）在三维空间中的坐标来确定其空间位置；曲线对象就对其在三维空间中已知的三维坐标值进行空间内插，在此本文采用克里格插值法，然后拟合出光滑的地质线，然后再修改相应的地质属性符号；最后就是进行三维可视化处理。特别值得注意的是面的边界是环，环是特殊的线且不能相交，为了建立拓扑关系和空间查询分析的需要，需要对环的三维坐标序列定义正负方向。面的对大边界定义为外环，最小边界定义为内环。一个面可以没有内环，但必须有外环。在此定义在面上沿环的方向，左侧定义为面内，右侧定义为面外。该模型的建立是在几何-拓扑关系模型中建立的。
需要补充的是在此本文选用克里金插值法是因为它具有逼近成度高、外推能力强且不受适用范围限制的优点，从而构建的地质线对象与真实的实体对象更接近。尽管这种差值方法的反应速度慢，但它的其他优势以远远掩盖了它的缺点。
面对像的生成可以采用方程创建面或由已知的离散点（通常是钻孔坐标或控制点）并用Delaunay法则生成不规则的三角网，从而确定钻孔间的空间拓扑关系（这里应用了广义三棱柱体元的建模基础）。在此，本文更倾向于选用带约束的Delaunay三角剖分算法，根据已有点选用凸包三角剖分法，然后在此基础上选用逐点插入法新增所需的新增点。
逐点插入法可以对D-TIN进行局部重构，它不仅可以使新增点参于构网并且重构网仍然满足Delaunay外接圆规则，而且该法简单且易于扩展。因此，该法对于像地质面这样不规则面的建模非常使用。
具体三角剖分法的基本步骤如下：
（1） 定义一个包含所有钻孔点、控制点或勘探点的最小初始多变形，初始多边形边逆时针方向存储；
（2） 在初始三角形中根据钻孔点、控制点或勘探点每次插入一个点，以初始多边形的一条边为起始边，向内逐点推进，按Delaunay的构网法则构建Delaunay三角形。依次以上一层的一条边为起始边，找到符合Delaunay构网规则的点顺次向内推进构网。直至凸包链中只剩3个离散点为止。最后已经找到的三角形与3个离散点构成的三角形连通一起构成一个整体，这个整体便是凸包三角形剖分的结果；
（3） 对于新插入的点，找到那些三角形的外接圆包含有新插入点的三角形，从而生成插入区域；
（4） 删除插入区域的三角形公共边，仅留下那些对三角形的定点所构成的多边形有影响的多边形；
（5） 将该多边形的顶点与新插入的点一起构成新的Delaunay三角形。
对于体对象，由于广义三棱柱的几何特性，所以应用广义三棱柱进行建模不仅可以用其上下底面表达地质体分界面，还可以用其侧面描述层面间的地质体空间邻接关系，另外广义三棱柱体元可以描述分界面之间的地质体形态和属性特征。又因为其对采样数据直接利用，无需进行空间内插
对于那些复杂的地质现象，广义三角形可以使任意的一条棱边或两条棱边退化为一点，并且可以对三个侧面各引入一条对角线，这样每一根对角线都可以将对应的侧面分割成两个三角形，这样1个三棱柱就可以被分为3个四面体，这样就可以对地质体进行空间剖分操作，体积计算、统计分析及查询等空间操作和分析功能。
正是由于广义三棱柱具有的这些灵活性，因而它对模拟地质构造中的分叉、尖灭和断层等复杂地质现象更加有利。
4 地质体三维可视化
地质体三维可视化的实现需要经过一系列的数据处理过程，首先需要坐标转换，这里的坐标转换是将在场景坐标系下的地质体三维几何模型的坐标转换为在给定视点和视角下的屏幕像素位置坐标，即这个过程称为取影变换，接着就是通过隐藏面消除算法消除空间物体在一定的视点和视角下的不可见点、线、面和体；接着根据光学原理，通过泛光、漫反射光、镜面反射光的公式，编写特定的算法使景物表面在不同的试点和视角下更符合光学原理，从而地质体的可视化效果更真实，这个过程称为；接着给地质体添加纹理，使地质体的属性信息可视化；最后就是将经过以上处理过的三维可视化地质体通过非接触式的视觉建模技术生成和动态环境建模技术获取实际环境的三维数据生成实际的三维环境。
参考文献
[1]吕亚楠.地质体三维可视化应用研究[D].西安：长安大学，2010
[2]曾新平.地质体三维可视化建模系统GoeModel的总体设计与实现.中国地质大学（北京）.2005年5月
[3] 陈学习，吴立新，车德福.基于钻孔数据的含断层地质体三维建模方法[J].煤田地质与勘探，2005，33（5）：5-8
[4] 苏幸，黄临平.三维地质实体建模研究进展[J].科技广场，2007，5：157-159
[5] 刘祚秋，周翠英，赵旭升，等.三维地层模型及可视化技术研究.中山大学学报，2003，42（4）：21～23
作者简介
胡旭芳 （1988—），女 河南洛阳人，研究生，地图制图学与地理信息工程。
[关键词]地质体；地质体模型；地质体三维可视化
中图分类号：F284 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0183-01
1 引言
随着科技的发展，地质体二维纸质图件已不能满足人们渴望用先进技术构建三维模型来可视化表达复杂地质现象的需要，基于地质体三维可视化模型来进行空间分析，已得到可靠的分析结果，从而得到有效的决策支持等信息。因此寻找一种能准确表达复杂地质现象并方便在计算机中实现的三维地质建模方法具有很大的社会效益和经济效益。
虽然上世纪末已经有很多有志的知识青年投入到三维地质体可视化的行业中来，但由于有关地质方面的行业的发展一直不景气，像地质矿产行业，这就很大程度上阻碍了中国在三维地质体建模方面的发展。因此，导致外国三维地质体建模软件大行其道，霸占了中国三维地质体建模行业的很大市场。随着本世纪以来地质行当的发展，像矿业集团、隧道、地铁的迅速发展。国产地质体三维建模软件也纷纷上市并得到了很大的经济效益和社会价值。但由于中国在地质体三维建模领域方面的研究还不成熟，这就导致了国产地质体三维建模软件有一定的局限性，并需要更多的知识青年进一步研究和完善。
为了更精确真实地表达地质体复杂的形态特征和几何属性等，下面就对地质体三维建模方法发表一下个人的看法。
2 地质体分类
为了便于三维地质体的描述和在计算机中的可视化表达，在本篇文章中从几何学的角度将地质体划分为5种对象，即点对象、线对象、面对像、规则体对象和不规则体对象。像工程地质中用的钻孔、测量时用的控制点等所有孤立的点都视为点对象；工程地质的钻孔分段和勘探线等有无穷多的连续点组成的连续钻孔或勘探轨迹都视为线对象；地质属性分界面和地表等视为面对像；人为开挖或建造的具有特定用途的各种形体（地铁、竖井等）视为规则实体；地层构造等视为不规则实体对象。
之所以将地质体按几何学的方式划分为这5种对象有很多方面的原因。一方面，这种划分的任意组合可以完全地涵盖各种地质体构造；另一方面，按这样的方式划分地质体更有利于计算机根据需要选择合适的建模器来高效建模。
3 地质体三维建模方法
根据上节对地质体的分类情况，本节将对不同的地质体对象采用不同的三维建模方法。这样做的好处是根据不同的地质体对象的特点采用最优的建模方法生成便于地质体查询分析的三维地质体模型。
对于点对象就是在建模系统中输入三维空间中的三维坐标{x，y，z}，然后附上相应的地质属性符号，在此基础上进行三维可视化的一系列处理。该模型的建立是在几何-拓扑关系模型中建立的。
对于线对像可以分为直线和曲线对象，因为任何的线对象都可以有这两个对象组合而成。对于直线对象就输入它的起点和终点（通常是钻孔点或控制点）在三维空间中的坐标来确定其空间位置；曲线对象就对其在三维空间中已知的三维坐标值进行空间内插，在此本文采用克里格插值法，然后拟合出光滑的地质线，然后再修改相应的地质属性符号；最后就是进行三维可视化处理。特别值得注意的是面的边界是环，环是特殊的线且不能相交，为了建立拓扑关系和空间查询分析的需要，需要对环的三维坐标序列定义正负方向。面的对大边界定义为外环，最小边界定义为内环。一个面可以没有内环，但必须有外环。在此定义在面上沿环的方向，左侧定义为面内，右侧定义为面外。该模型的建立是在几何-拓扑关系模型中建立的。
需要补充的是在此本文选用克里金插值法是因为它具有逼近成度高、外推能力强且不受适用范围限制的优点，从而构建的地质线对象与真实的实体对象更接近。尽管这种差值方法的反应速度慢，但它的其他优势以远远掩盖了它的缺点。
面对像的生成可以采用方程创建面或由已知的离散点（通常是钻孔坐标或控制点）并用Delaunay法则生成不规则的三角网，从而确定钻孔间的空间拓扑关系（这里应用了广义三棱柱体元的建模基础）。在此，本文更倾向于选用带约束的Delaunay三角剖分算法，根据已有点选用凸包三角剖分法，然后在此基础上选用逐点插入法新增所需的新增点。
逐点插入法可以对D-TIN进行局部重构，它不仅可以使新增点参于构网并且重构网仍然满足Delaunay外接圆规则，而且该法简单且易于扩展。因此，该法对于像地质面这样不规则面的建模非常使用。
具体三角剖分法的基本步骤如下：
（1） 定义一个包含所有钻孔点、控制点或勘探点的最小初始多变形，初始多边形边逆时针方向存储；
（2） 在初始三角形中根据钻孔点、控制点或勘探点每次插入一个点，以初始多边形的一条边为起始边，向内逐点推进，按Delaunay的构网法则构建Delaunay三角形。依次以上一层的一条边为起始边，找到符合Delaunay构网规则的点顺次向内推进构网。直至凸包链中只剩3个离散点为止。最后已经找到的三角形与3个离散点构成的三角形连通一起构成一个整体，这个整体便是凸包三角形剖分的结果；
（3） 对于新插入的点，找到那些三角形的外接圆包含有新插入点的三角形，从而生成插入区域；
（4） 删除插入区域的三角形公共边，仅留下那些对三角形的定点所构成的多边形有影响的多边形；
（5） 将该多边形的顶点与新插入的点一起构成新的Delaunay三角形。
对于体对象，由于广义三棱柱的几何特性，所以应用广义三棱柱进行建模不仅可以用其上下底面表达地质体分界面，还可以用其侧面描述层面间的地质体空间邻接关系，另外广义三棱柱体元可以描述分界面之间的地质体形态和属性特征。又因为其对采样数据直接利用，无需进行空间内插
对于那些复杂的地质现象，广义三角形可以使任意的一条棱边或两条棱边退化为一点，并且可以对三个侧面各引入一条对角线，这样每一根对角线都可以将对应的侧面分割成两个三角形，这样1个三棱柱就可以被分为3个四面体，这样就可以对地质体进行空间剖分操作，体积计算、统计分析及查询等空间操作和分析功能。
正是由于广义三棱柱具有的这些灵活性，因而它对模拟地质构造中的分叉、尖灭和断层等复杂地质现象更加有利。
4 地质体三维可视化
地质体三维可视化的实现需要经过一系列的数据处理过程，首先需要坐标转换，这里的坐标转换是将在场景坐标系下的地质体三维几何模型的坐标转换为在给定视点和视角下的屏幕像素位置坐标，即这个过程称为取影变换，接着就是通过隐藏面消除算法消除空间物体在一定的视点和视角下的不可见点、线、面和体；接着根据光学原理，通过泛光、漫反射光、镜面反射光的公式，编写特定的算法使景物表面在不同的试点和视角下更符合光学原理，从而地质体的可视化效果更真实，这个过程称为；接着给地质体添加纹理，使地质体的属性信息可视化；最后就是将经过以上处理过的三维可视化地质体通过非接触式的视觉建模技术生成和动态环境建模技术获取实际环境的三维数据生成实际的三维环境。
参考文献
[1]吕亚楠.地质体三维可视化应用研究[D].西安：长安大学，2010
[2]曾新平.地质体三维可视化建模系统GoeModel的总体设计与实现.中国地质大学（北京）.2005年5月
[3] 陈学习，吴立新，车德福.基于钻孔数据的含断层地质体三维建模方法[J].煤田地质与勘探，2005，33（5）：5-8
[4] 苏幸，黄临平.三维地质实体建模研究进展[J].科技广场，2007，5：157-159
[5] 刘祚秋，周翠英，赵旭升，等.三维地层模型及可视化技术研究.中山大学学报，2003，42（4）：21～23
作者简介
胡旭芳 （1988—），女 河南洛阳人，研究生，地图制图学与地理信息工程。