基于四面體網(wǎng)格的地層三維模型的建設(shè)方法

1、基于四面體網(wǎng)格的地層三維模型的建設(shè)方法三維地層模型是對地層實(shí)體的組成、結(jié)構(gòu)、時(shí)空存在狀況的表達(dá)與綜合解釋。一個(gè)好的三維地層模型是進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)，它對工程決策和科學(xué)管理具有重要的意義。然而用于建立模型的數(shù)據(jù)資料比較有限，且沒有規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，往往使得構(gòu)建科學(xué)、合理的三維地層模型非常困難。地層模型主要有兩種形式【1】：表面模型與實(shí)體模型。表面模型側(cè)重于地質(zhì)體的區(qū)域邊界和層體之間的交界面以及層體與層體之間的交界面表示，以形成視覺三維，實(shí)質(zhì)上其層體內(nèi)部是空的。實(shí)體模型側(cè)重于整個(gè)地質(zhì)體的空間展示，在顯示地層的邊界同時(shí)，也展示了地層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因此相比較于表面模型，實(shí)體模型對地質(zhì)體構(gòu)造特征表達(dá)更

2、加充分。目前，實(shí)體建模是地學(xué)界與計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，建模時(shí)，常采用的空間基本單元有基于六面體或者是三棱柱的。我們知道，地殼中的巖體一般是成層狀分布的。但在長期復(fù)雜的地質(zhì)活動與人類作用的影響下，部分地層（尤其是地殼淺層）的形態(tài)特征開始變得復(fù)雜，地層之間相互滲透，空間位置關(guān)系變得錯(cuò)綜復(fù)雜，同一地層相鄰位置的屬性（如地質(zhì)年代）可能變得完全不同。表面模型往往無法體現(xiàn)地質(zhì)體的這種復(fù)雜特征，特別是對于多介質(zhì)的地質(zhì)體，會導(dǎo)致地層模型與實(shí)際的地質(zhì)狀況嚴(yán)重不相符的結(jié)果。徐能雄、汪小剛，賈志欣等人提出了一種六面體網(wǎng)格剖分方法來建立三維地層模型【2】，該方法建立的實(shí)體模型雖然可以表現(xiàn)出地質(zhì)體的復(fù)雜特性，但是如

3、果僅僅用鉆孔獲得的數(shù)據(jù)來建立地層模型，實(shí)現(xiàn)起來卻是非常困難的，而且由于六面體結(jié)構(gòu)上難以分解，因而在對模型進(jìn)行切割時(shí)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜。張煜、白世偉等人提出以三棱柱為基本體元構(gòu)建三維地層模型【3】，該模型在描述空間連續(xù)的地質(zhì)體時(shí)具有很多優(yōu)勢，但是在描述復(fù)雜對象時(shí)，如地質(zhì)體具有斷層、褶皺的情況下，卻難以貼近邊界。六面體模型與三棱柱模型在用來解決一些涉及到需要具體的空間分析與精確計(jì)算的工程問題時(shí)，也往往不能滿足需求。像邊坡穩(wěn)定性評價(jià)、拱壩穩(wěn)定性分析、地層開挖等，其實(shí)體模型要求由尺寸很小的的單元構(gòu)成?；谏鲜銮闆r，在前人已有研究成果的基礎(chǔ)上，該文提出了一種以四面體為空間基本單元來構(gòu)建地層實(shí)

4、體模型的方法，該方法首先構(gòu)建基于三角形構(gòu)網(wǎng)（TIN）的地層表面模型，然后再以其為約束特征進(jìn)行delaunay四面體剖分實(shí)現(xiàn)基于四面體網(wǎng)格（TEN）的地層實(shí)體模型的構(gòu)建。1 基于四面體網(wǎng)格的三維模型基于四面體網(wǎng)格（TEN）的地層三維模型是指以四面體為空間基本單元來模擬三維地層，與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為四面體格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。TEN是將目標(biāo)空間用緊密排列但不重疊的不規(guī)則四面體形成的格網(wǎng)來表示，其實(shí)質(zhì)是2D TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）結(jié)構(gòu)在3D空間上的擴(kuò)展。四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為一種特殊的體結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 由點(diǎn)、線、面、體四類基本元素組合而成，是最簡單的空間三維體。2） 整個(gè)網(wǎng)格的幾何變換可以變?yōu)槊總€(gè)四面體

5、變換后的的組合。3） 是一種特殊的邊界表示（B-Rep）結(jié)構(gòu)，具有如拓?fù)潢P(guān)系快速處理等一些邊界表示結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，可以看出基于TEN的空間三維模型不僅可以精確模擬地層，有效表達(dá)斷層、褶曲、空洞、開挖邊界等復(fù)雜構(gòu)造形態(tài)，便于許多復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)分析，而且在表達(dá)復(fù)雜結(jié)構(gòu)上較靈活。不僅可以描述具有復(fù)雜邊界的空間實(shí)體，而且每個(gè)四面體相對于觀察體都是獨(dú)立的，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里可采用簡單的算法對地層模型進(jìn)行有效控制，很容易實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)體進(jìn)行任意剖面的剖切，還不會像一般體結(jié)構(gòu)占用大量的存儲空間。2 地層表面模型構(gòu)建地質(zhì)體信息的數(shù)據(jù)來源主要是鉆孔數(shù)據(jù)和地表等高線。鉆孔數(shù)據(jù)能夠提供局部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確信息，地

6、表等高線則描述地面形態(tài)。表面模型主要就是根據(jù)這些鉆孔數(shù)據(jù)以及解譯過的平剖面圖來構(gòu)建。其主要流程如圖1所示：5 結(jié)束語本文在介紹地層三維建模的方法上，提出了一種從二維曲面，三維表面模型到三維實(shí)體模型的遞進(jìn)可視化建模方法。該方法將地層三維表面模型構(gòu)建快捷、形狀準(zhǔn)確的特點(diǎn)同TetGen快速、優(yōu)質(zhì)的約束delaunay四面體剖分功能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三維地層的TEN和TIN的雙重表達(dá)。相比于其他地層建模方式，該方法可以讓用戶充分地利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，并結(jié)合作者自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行交互式建模。該方法在可以構(gòu)建包含斷層、尖滅等突變特正面的復(fù)雜地層模型同時(shí)，還有利于地層模型的存儲于快速可視化，便于拓?fù)洳樵?、剖切與切割、有

7、限元計(jì)算、體積查詢等三維空間分析。不僅如此，該方法還能夠?qū)ΜF(xiàn)有模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格優(yōu)化與質(zhì)量控制，便于精確的數(shù)值分析，因此具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。目前，該方法已應(yīng)用于三維高斯射線正演系統(tǒng)中，并取得了較好的效果。參考文獻(xiàn)：【1】 張渭軍，王文科.基于鉆孔數(shù)據(jù)的地層三維建模與可視化研究.大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2005（9）.【2】 張煜，白世偉.一種基于三棱柱體體元的三維地層建模方法及應(yīng)用.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2001（3）.【3】 徐能雄，武雄，汪小剛，等.基于三維地質(zhì)建模的復(fù)雜構(gòu)造巖體六面體網(wǎng)格剖分方法.巖土工程學(xué)報(bào)，2006（8）.【4】 熊祖強(qiáng)，賀懷建，夏艷華.基于TIN 的三維地層建模及可視化技術(shù)研究.巖土力學(xué)，2007（9）.【5】 余淑娟，郭飛，李想，等.約束Delaunay四面體剖分在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用.地理與地理信息科學(xué)，2013（1）.【6】 吳江斌，朱合華.基于Delaunay構(gòu)網(wǎng)的地層 3D TEN 模型及建模.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（12）.【7】 朱發(fā)華，賀懷建.復(fù)雜地層建模與三維可視化.巖土力學(xué)，2010（6 ）. 琚娟.基于鉆孔數(shù)據(jù)任意邊域地層分界面B-Rep建模研究.上海地質(zhì)，2009（2）. Delaunay B N.Sur la sphère vide. Izvestia