目前,国内对于地质断层的建模还处于探索研究阶段,主要的建模方法有两种: 整体建模和局部建模^[1]。整体法建模主要是先忽略断层,将地层作为一个整体进行建模,然后将断层作为约束条件对地层进行调整；局部法建模主要是根据断层面将地质体划分为几个小部分,然后对每一部分分别建模。整体法建模思路简单,但操作过程比较复杂；局部法操作过程相对简单,但是很难顾及每个部分之间的拓扑关系。

地质数据类型多而复杂,不同的表现形式使得建模方法也各不相同。常见的数据有钻孔数据、地质剖面数据等。目前,利用钻孔数据进行三维地质建模的研究较多^[2,3],但钻孔数据的获取价格昂贵,可利用的数据较少,建模过程中由于数据的不足,可能导致建模结果与实际差别很大。而地质剖面图是最常见的一种地质数据,数据丰富,也是描述断层主要的数据形式之一。本文利用贵州地区煤炭地质剖面图数据,运用改进后的线框模型构建断层面、地层面,建立含断层的三维地质体,直观地表达含断层地质体之间的拓扑关系,并且在自主研发的三维地质建模软件中对建模方法进行了验证,取得了较好的实验效果。

1 地质剖面数据规范化处理

目前大多数地质剖面图数据都是纸质数据,没有矢量化,不能直接为地质建模使用^[4]。为了快速高效地建立含断层的地质体模型,必须先对地质剖面数据进行规范化处理,具体包括矢量化处理、特征点提取和三维属性扩展。然后,根据地质实体构造模型的结构特点将数据存储到数据库中。整个数据处理流程如图 1所示。

1.1 纸质剖面图数据矢量化

针对纸质剖面图数据特点以及三维建模的需要,本文首先将每幅纸质剖面图转换为SHAPE文件格式,然后利用ArcMap10.1为每幅图添加属性,最后将提取的属性数据保存为.CSV格式文件。整体数据结构如表 1所示。

表 1主要记录了点所在面的ID(poly_ID)点的X坐标(POINT_X)、点的Y坐标(POINT_Y)、点的Z坐标(POINT_Z)、点所在的面名称(surface)。其中点所在面的ID(poly_ID)和每一个点的ID(POINT_ID)都是按照一定顺序从1至n进行排列的。

1.2 特征点的提取

特征点的选取对于模型的构建十分重要。通过提取线状及面状要素的边界交叉点,并存储特征点的主要属性信息,可以建立起各要素间的拓扑关系,有利于模型的构建。如图 2(a)为二维地质剖面示意图,在ArcScence10.1中提取特征点A、B、D、E…的属性信息,将其保存为.CSV格式文件。该文件的整体结构如表 2所示。

表 2主要记录了特征点的名称(Name)、特征点的X坐标(POINT_X)、特征点的Y坐标(POINT_Y)、特征点的Z坐标(POINT_Z)、特征点的ID(POINT_ID)。其中,特征点的名称采用了一定的命名规则,以便可以粗略表明特征点所在的位置。例如,图 2(a)表示的是11号地质剖面图,特征点A位于断层线BJ左半部分,且是第一条地层线AB的左边的特征点,即可将特征点A命名为_11_LL1。

1.3 剖面图二维坐标转换为三维坐标

由于地质剖面图数据只表达了二维空间信息,因此,在进行三维地质建模前,需要将二维平面图通过坐标转换映射到三维空间,并且按照一定深度排列。以图 2(a)中点A为例,转换的最终目的是将A点转换至图 2(b)三维空间中的A₁点。本文利用文献^[5]的坐标转换算法进行操作,假设A点坐标为(X_A,Y_A,Z_A),选取便于获取的特征点作为基准点,如B(X_B,Y_B,Z_B)点,然后根据B点进行坐标转换计算,经过一系列坐标转换后求得三维空间中A₁点坐标(X_A1,Y_A1,Z_A1)。其他特征点也根据此算法转换,最终可以将二维平面图映射到三维空间中。

2 含断层地质体三维建模方法与基本流程 2.1 断层面建模

断层可分为正断层、逆断层、平移断层等。断层面的构建最关键的在于断层线的寻找。目前常用的建模方法是根据地震数据判别断层,主观性较强,实际操作较慢^[6]。本文通过对贵州省煤矿地质剖面数据分析发现,由于断层的存在,原本属于一个完整的地层面发生了错位,造成两个地层面上点所在的面ID(poly_ID)不同,但点的面名称(surface)相同。如图 2(a)中所示,面ABED和面BCPO原本为一个完整的地层面,由于断层面的存在破坏了其完整性。ABED和BCPO各边界上的点所在面的ID不同,但其所在面的名称相同,因此,可以根据surface字段判断两个面是否属于同一地层,在surface字段相同的前提下,根据poly_ID的不同,找出独立的面。本文针对剖面数据存储结构的特点提出了一种改进的断层面建模算法。首先,构造 (poly_ID,surface)二元组,对点所在面名称相同但面的ID不同的环进行求交运算,得到多条线段；然后拟合线段得到断层线；最后将相邻剖面对应的断层线拟合成面,完成构模。建模流程如图 3所示。

算法具体步骤如下:

1) 遍历每一个面的.CSV中的数据,对每一个环(以poly_ID区分,poly_ID相同的属于同一个环上的点)取点,构造(poly_ID,surface)二元组的集合:{(poly_ID1,surface1) ,(poly_ID2,surface2) ,{poly_ID3,surface3},…}。如图 2(a)所示,将面ABED上所有边界点构造二元组(poly_ID1,surface1) ,BCPO为另一个二元组(poly_ID2,surface2) ；

2) 将surface值相同的Poly_ID放到一组,利用曲面求交等值线法^[7]对同一组内的环进行求交计算,得到一段线段,并且求得该线段的斜率k。如图 2(a)所示,将ABED和BCPO放在同一组中进行求交,得到线段BO,并求出其斜率k₁；

3) 重复步骤2) ,直到计算完同一层中的所有surface相同、Poly_ID不同的环的斜率,比较所有求交产生的线段的斜率,将斜率相同的线段存入同一个Vector中,如图 2(a)所示的线段BO、EG、GJ的斜率相同,放入同一个数组中；

4) 拟合同一Vector中的线段,即可得到一条断层线。如图 2(a)中,拟合后得到断层线BJ；

5) 重复以上几步,计算所有剖面的断层线；

6) 将相邻剖面对应的断层线连接成面,即构成断层面。

2.2 地层面建模

根据三维地质块体与层状模型中曲面的关系可知,三维地层面块体是由多个三维地层曲面片拼接而成^[8]。本文地层面建模算法的主要思想是: 对地层线的特征点进行插值加密,融合相邻地质剖面对应的地层线,构造地层面。地层面建模过程如图 4所示。

具体算法步骤为:

1) 特征点获取。遍历特征点数据,将每一剖面中的特征点数据存储在map〈string,PolygonFace*〉容器中,然后找到断层两侧的地层线上左右两个特征点。如图 4(a)中,断层线AB的左右特征点A、B存储在map〈string,pair〈vector〈Point〉*,vector〈Point〉*〉*〉容器中；

2) 插值加密。由于特征点数据稀疏,构成的地层线(如图 4(a)所示)无法真实反映地层起伏变化情况。一般的线框模型即根据特征点直接构造地层面,没有进行插值计算。本文针对这种情况,对传统的线框模型进行了改进,即对地层线进行插值平滑。主要做法是: 遍历剖面属性信息数据,判断读取点ID和特征点(如A点)ID的关系,如果相同,则用ID相同的点对地层线AB进行插值,插值后的情况如图 4(b)所示,其中红色的点为加密点。若没有插值的情况下,就只用左右特征点,如图 4(b)中的地层线BC、MN、…；

3) 地层面构建。读入相邻的地层信息,将相对应的地层线构造成一个地层面,如图 4(c)所示,连接地层线AB和A₁B₁,构造地层面ABB₁A₁(红色线框显示),同理构造地层面DEE₁D₁、FGG₁F₁、BII₁B₁、…；

4) 重复以上3步,完成所有地层面的构造；

5) 调整地层面与断层面之间的拓扑关系,完成整个模型的构建。

2.3 OpenGL渲染显示

为了使建立的模型更加真实直观,模型的渲染必不可少。OpenGL是一个开放的专业图形程序接口,独立于操作系统和窗口系统。含断层三维地质体模型的可视化需要充分调用OpenGL的功能函数,将所有的几何图形单元都用顶点来描述,利用运算器逐个顶点进行计算和操作,然后进行光栅化,形成图形碎片。为增强模型的可视化效果,对每个地层面、断层面进行颜色填充和光照渲染,最终形象表达出含断层的三维地质体模型。

3 实验与分析

本文以贵州省黔西县龙井煤矿为例进行分析,其大地构造位置位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区的东部^[9],断层多为燕山期所形成的高角度正断层。利用其地质剖面图纸质数据,基于上述建模方法建立了含断层地质体的三维模型,并在自主研发的三维建模软件中实现并可视化^[10,11]。三维建模软件是在Windows7平台下,选取Sqlite作为地质信息数据库,采用标准C⁺⁺语言在Visual Studio2008集成开发环境中实现,以QT图形用户界面应用程序框架作为软件界面设计工具,并利用OpenGL作为图形渲染工具。

具体步骤为: ①按照地质剖面数据规范化处理的步骤,将纸质数据进行矢量化处理、特征点提取后,将二维特征点信息映射到三维空间中,处理后的三维效果如图 5(a)所示；②根据图 3的流程对断层面建模,图 5(b)中红色线框构成的面即为构建的断层面；③依据2.2节的算法步骤对地层面建模,建立的地层面效果如图 5(c)所示；④利用OpenGL对断层面和地层面模型渲染,最终含断层地质体的三维效果如图 5(d)所示。

4 结束语

实验结果表明,本文提出的方法能够很好地利用地质剖面图纸质数据,基于改进的线框模型构建含断层的三维地质体模型,并利用OpenGL对模型加以渲染,能够真实表达出整个含断层的地质体。但由于该方法只依靠纸质剖面图进行三维地质建模,所以暂时还未能对更加复杂的地质体进行建模。后续工作将针对一些更加复杂的地质现象,如包括了褶皱、尖灭等地质体展开进一步的研究,使模型的构建更加自动化,减少人工手动操作。