三维地质建模方法及程序实现

三维地质建模方法及程序实现，全书分为8章，主要介绍了三位地质建模方法体系与研究进展、三维空间数据模型与地质模型的表示方法、三角剖分方法机器程序、插值方法与程序，地质界面的模拟方法，地质界面的求交方法、实体建模方法及一些建模实例。前言自然界的地质特征与现象具有明显的差异性、复杂性、未知性与不确定性。利用一定数量的地质勘探数据并借助结构分析,地质工程师可以认识圯质对象的基木特征,建立油象空间轮廓。然而,在开发利用矿产资源、建设池下工程及防洽地质灾害时,人们常学不满足于抽象地认识地质对象,而是希望能够比较确切地“观察到”地质对象。20世纪60年代以来,计算机硬件技术以及几何造型、可视化与数据库技术逐步发展,为实现这种愿望奠定了基础。正是在这种背景下,三维地质建模技术应运而生。经过数十年的发展,已经在基础理论、方法与应实践方面取得了长足的进展。三维地质夔模技术具有多学科交叉融合的学科背景,涉及地质学、数学地质、凡何学、祏扑学与计算机图形学等领域的相关理论、方沄与技术。维池质建模方法是若干琪论、方法与技木的集合体,包括地质勘探数裾的标准化处理、几何造型、三维空闯数据模型、属性数据管理与图形可视化等方面。由于方法体系涵盖内容广泛,知识的跨越性大,阻碍了这项技术的实现与指广。写作本书的目的是试图将三维地质建模的基础方法及其相应约算法与程序呈现给读者,供读者参考本书共分8章,第1章主要介绍了三维地质建模的方法体系与研究进展筝2章介绍了三维空间数据模型与地质模型的表示方法;第3章介绍了平面角剖分方法;第4章介绍了克立格与离散光渭插值方法及其程序;篤5章介绍了池质界面的模拟方法;第6章介绍了地质界面的求交方法;第7章介绍了无缝池质建模、粉面建橖与映射建橖等实体建模方法;第δ章通过个建模实例,介绍了实体殚模的过程上述內容枃成了三维地质建模的理论框架,系统地展示了三维地质建模的主要环芍。尽管全书內容是围绕三维地质建模的方法体系展开的,但是,书中的一些内容是相对独立的,如平面三角剖分方法、插值方沄、曲面求交方法等。这些方法不仅可以用于地质建模,还可以应用于其他领域,如地质统计等。本书白徐能雄主持撰写,负责第1、2、5、6章的写作,并校订了全书稿,梅钢関写了第3章,斆庆伟撰写了第4章并负责本书部分程序尖码的编写,田文件使用试用版本创建红潠写了7章,并参与了本书程序代码的编写,武雄撰写了第8章。朱云福、李文蜜、朱贵娜等参与绘制了本书的鄗分插图及部分程序代码的绱制。国家自然科学基金委员会资助了“考虑两类结构面的复杂岩体结构三维耦合建模研究”(40602037)与“适于数值模拟的无缝地质建模及六面体剖分方法研究”(40872183)两个项目的研究,为本书相关内容的研究与撲写提供了支持,在此表示感谢。感谢中国水利水电科学研究院岩土工程研究所岩基室、国投新集能源股份有限公司杨村煤矿与八里塘矿为本书提供了研究实例。由于作者水平有限,书中难免存在不当之处,敬请读者批评指正。作者2010年10月文件使用试用版本创建目录前言第1章绪论……··§1.1概述…………81.2三维地质建模的方法体系DD普……(1)81.3三维地质建模方法的研究现状………(3)1.3.1地质模基础理论研究……(3)1.3.2多源数据处理方法研究……1.3.3复杂地质界面与地质特征的模拟方法研究………∷(4)3.4空间数据模型与拓扑表八方法研究……4)1.3.5模系统的饼訇…第2章三维空间数捐模型§2.1三维空间数据模型的概念§2.2拓扑空间及其性质……(5)2.2.1欧氏空间R”上点集的拓扑(5)2.2.2非欧氏空间X上点集的拓扑22.3映射与同胚…2.24流形实体(8)2.3流形实体的体素划分…·.4;··3.1n维休素(n-cell)l………2.3.2n维兰纯形(n- simplex)…2.3.3n维总复纯复形(n- amplex)23.4体索划分2.3.5关联与邻接“画(11)23.6同构体素划分11s2.4三维地质模型的表示方法…(12)2.4.l线框表示模型122.4.2边界表小模型……………………(14)4.3体元表示模(15)§2.5空间数据模型实例——三维无缝地质模型…(15)5.1三维无缝地质模型与几何元素的定义……………(15)Ⅲ文件使用试用版本创建2.5.2几何连续条件………2.5.3无缝地质模型的拓扑描述与相容条件………………………(18)5.4地质相容条件(19)2.5.5三维无缝地质模型的数据结(19)§2.6本章小结第3章平面三角剖分与网格优化方法………………………(2)§3.1概述§3.2点集的三角剖分方法……3.2.1点集的 Delaunay三角剖分方法…………(23)3.2.2贪心算法3.2.3周培德算法………34)§3.3区域的三角剖分方法3.3.1推进波前法bb垂d看………(36)3.3.2区域的 Delaunay三角剖分…(46)§3.4平面闭合环搜索与多边形三角剖分方法…………………(49)3.4.1平面闭合环索3.4.2简单多边形三角渐分(51)§3.5平面:角网格的优化方法……………………(52)3.5.1网格光质……(52)3.5.2拓扑优化(61)§3.6本章小结第4章插值方法§4.1概述4.2克立格( Kriging)方法67)4.2.1区域变量与变差函数………………………(68)4.2.2简单克立格法4.2.3普通克立格法………………(74)4.2.4泛克ψ格法…………(80)§4.3离散光滑插值(DSI)方法(87)4.3.1DSI问题………4.3.2.糙度函数…………(88)4.3.3线性约束违反度函数……4.3.4DSI方及其解…..::..;+(91)4.3.5DSI方程的迭代求解………4.3.6常见约束的数学表达(93)4.3.7D方法插值地质界面………………(94)Ⅳ文件使用试用版本创建4.3.8DI方法的程序实理…(97)§4.4木章小结………(101)第5章地质界面的模拟(102)§5.1地质界面的类型(102)5.1.1连续与非迕续界面…(102)5.1.2单值与多值界面…………(102)§5.2连续型单值地质界而的模拟方法……(103)5.2.1散乱数据直接插值曲面(103)5.2.2含陡坎界面模拟·4:..·4··(106)5.2.3台阶状界面模拟…∷…(1085.3非连续型单值地质界面的模拟方法………(110)5.3.1概述5.3.2裁剪此面方法…………………………………(110)5.3.3整体重构方法(111)§5.4连续利多值地质界面的模拟方法………(114)5.4.1DS动态插值重构三维出面.(114)54.2系列轮廓线重构三维出而…(118)§5.5小结…………………………………………………(122)第6章曲线曲面求交方法(123)§6.1三角曲而求交方法…·(123)6.1.1三角由面相交待性………………………(123)6.1.2三角由面求交的分割法………(132)6.1.3三角山面求交的网格法(135)6.1.4三角面求交的等值线法(137)6.1.5三角由面上交线段追踪方法……………(137)§6.2界线求交方法…(142)6.2.1界线的相交特性……………(142)6.2.2空问线段对求交算法(142)6.2.3界线的求交算沾(144)§6.3本章小结…(144)第7章实体建模方法…(146)§7.1无缝地质建模方法(146)7.1.1无缝地厦建模的基本原理(146)7.1.2线框架的创建方法…(147)7.1.3界面的编辑与重构149)1.4简单块体搜索方法…………(151)文件使用试用版本创建7.1.5地质剖而的生成方法(152)1.6地质樸型向计算模型的转化…………(152)§7.2断面建模方法2.1所而模的基思想…(153)7.2.2创建抽象地质剖而…………………………(154)7.2.3创建剖面线轮廓厦其对应关系……………(155)2.4相邻剖面上简单弧的对应关系……………(157)7.2.5相邻剖面线轮廓的连接…(158)2.6相邻剖而线轮廓迕接的校王机制……·着着(159)§7.3映射建模方法7.3.1映射建模的基本思想(1603.2连续型层状地质体映射建模……(161)7.3.3非连续型层状地质体映射建模………(162)7.4木章小结………………(165)第8章实体建模应用实例(166)§8.1某水电站坝址区三维地质建模………………………(166)8.1.1坝址区地质砚况…1.2建模内容…………167)8.1.3建模过程(107)8.1.4模型展示…(170)§8.2新集能源八里塘煤矿井H三维地质建模…(171)8.2.1矿区地质概况…(171)8.2.2矬模范围与模型慨化…………………………(173)主要建模过程……8.2.4模型展示…··………………(174)§8.3新集能源杨村煤矿井川三维地质建模…………(175)8.3.1矿区地质概况…………(176)8.3.2建模范围与模型概化…178)8.3.3主要建模过程参B···,··甲·,····电·。申。。·q非·申p自··着·(179)8.3.4模型展小(180)88.4本章小结…参考文献Ⅵ文件使用试用版本创建第1章绪论§1.1概述自然界的地质特征与地质现象是在长期的地质历史过程中演变形成的,在空问与时间上有很强的规律性,同时也存在明显的差异性、复杂性、未知性与不确定性。在掌握丰富的地质事实与数据的基础上,地质学家常常用生动的语言描绘复杂的地质作用与地质过程,阐明各类地质现象的形成机理及其时空关系,利用地质填图与地质剖面等手段展示地层结构与地质构造,为解决资源謝沓、水文地质、工程地质与环境地质等方面的有关问题提供依据。然而,由于地质问题的复杂性、未知性与不确定性,仅凭二维地质图与文字描述难以仝面反映地质对象的空间形态。为了了解未知的地质特征,地质工作者常常采用钻探、坑探、物探、化探、逕感等手段获取地质数据。受实际条件与勘探手的限制,这些数据往往是离散的、不均匀的,而且,数据的可靠程度也有在明显的差异。人们可以利用二维的地质填图与地质剖面对地质数据进行分析,并结合结构分析方法对地质对象的空间形态进行推测。但是,二维的地质图件难以直观、全面地反映地质信息,并且,利用结构分析所得到的地质对象的空间分布形态也只能储存在地质工作者的脑海中,不便于被矿产开发、工程建设、地质环境保护等领域的工作人员有效利用。另外,由于受实际条件的限制,地质勘搡的精度始终是有限的,使得地质问题存在很多木知性与不确定性,需娑地质工作者利用有限的信息进行分析与推测为了直观、全面地展示地质特征与地质现象,推测未知与不确定的地质信息,相关学者结合数学地质、几何学、拓扑学与计算机图形学等领域的相关理论、方法与技术,形成了三维地质建模方法,为地质⊥作者提供了以数宇化与可视化手段刻画地质实际、快速有效管理地质数据的辅助分析工具。§1.2三维地质建模的方法体系三维地质建模是一门高度交叉的学科,不同领域的学者从不同角度对三维地质建模的内涵进行了论述。 moulding(1994)最早提出了三维地学模拟(3 D Geoscience Modeling的概念,从广义角度对三维地质建模进行了界定,将空间信息管理、地质解译的图形处理、空间地质统计、地质体的模拟、地质信息的可视化等统称为三维地学模拟。Mlt2002)将地质建模定义为能够统·模拟地质对象的拓扑、凡何与物属性并目能够考虑多源地质数据的数学方法的集合三维地质模技术是以数字化与可视化手段刻画地质实际、构矬地质模型的⊥具个完整的三维地质模型应该具备以下特征文件使用试用版本创建三维地质建模方法及程序实现(1)地质模犁所表示的地质对象只有明确的几何形状与空间位置,并与地质勘探数据吻合,所有几何元蒸均以图形与数字化的形式存在。(2)具有有效的数据模型,所有儿何元素之间具有完备的拓扑关系。(3)拥有有效的图形与属性数据库支持,便J图形与属性信息的杳询与分析(4)地质模型是可视的、直观的,真实感强上述特征决定了三维地质模方法所涵盖的基本内谷。三维地质史模方法是干理论、方法与技术的集合体,主要涉及地质勘探数据的标准化处理、儿何造型、三维空间数据模型、属性数据管理与图形可视化等方面。图1.1为三维地质建模的方法体系。数据标准化处坦勘揆数据地质分析地质数据的标准化过界表小模型线杯表示模型曲面表示模型三维空间数烟模型规则体元模型体元表小模型四而体格网模型三棱柱网模型维混合体元模型质平面三角剀分方法边界建模方沄空间域体元剖分方线框建模方沄空间插值方法几何造型方法断面建模方沄出面细分与优化方法映射建模方坏与块体接索方法块段建模方法系线曲求交方洪图形绘制与变换方法图形可视化方法颜色光照材质设肯方法动世与虑拟现实层次型薮据库属性数据管埋方法网络型数据图.1三维地质建模的方法体系地质数据来源众多,可靠程度不一,而且分布不均匀,建模时需要借助地质方面的知识与经验进行分析与处理,形成合理有效的信息源。地质勘探数据的标准化处理包括两方面:一是对地质勘探数据进行系统的地质分析,保证数据的可靠性;二是制定标准的数据格式,对地质信息进行标准化处理。日前,各国学者在这方面的研究较少,还没形成统的方法为了方便、简洁、合理地表达、存储与管理地质模型,必须建立有效的三维空间数据模型。简单地说,三维空间数据模型就是指图形数据的表示与存储方式以及图形元素之间的拓扑关系。常用的空间数据模型包括两类:曲面表示棋刑与体元表示模型。曲面表示模文件使用试用版本创建