基于折剖面的巖性自識別可視化控制算法研究

楊 博

（北京大學地球與空間科學學院 北京 100871）

1 引言

目前地學領域對三維地學信息系統(tǒng)的需求越來越多，系統(tǒng)實現(xiàn)效果的要求也越來越高［1～2］。盡管近年來計算機硬件發(fā)展迅猛，但是面對海量的地質建模屬性數(shù)據(jù)時，提高地質模型可視化的效率，優(yōu)化地質模型可視化的效果，依然是地質建模過程中的迫切需求。

地質模型可視化技術面臨的數(shù)據(jù)量極大，數(shù)據(jù)種類繁多，涵蓋了地震數(shù)據(jù)，測井數(shù)據(jù)，構造屬性數(shù)據(jù)，巖性屬性數(shù)據(jù)等?？焖?、高效地生成準確的幾何數(shù)據(jù)模型，流暢、逼真地進行三維場景的渲染，方便、快捷地幫助地質專家和地質工作者對三維場景中的數(shù)據(jù)進行分析，是實現(xiàn)地質工程三維可視化系統(tǒng)的重要研究內容，也是可視化在地質工程領域中重要作用的體現(xiàn)。

在實際應用中，地質剖面是地質模型的重要組成部分，可以相對容易的通過地質剖面反應復雜地質模型的內部現(xiàn)象，展示地質模型的實際問題，加之地學專家的工作經(jīng)驗，地質剖面成為了地質建模過程中的重要數(shù)據(jù)［3～4］。地質剖面的獲取手段較多，如通過測井、地震數(shù)據(jù)等；且數(shù)據(jù)類型簡單，更是成為地質建模領域中的基礎數(shù)據(jù)。運用快捷高效的可視化技術進行剖面描述，能夠對地質研究工作效率和工作水平的提高起到關鍵作用。

在三維建模發(fā)展過程中，地質剖面數(shù)據(jù)也從原來的二維平面數(shù)據(jù)發(fā)展到了近年提出的三維建模方法中的基于交叉折剖面數(shù)據(jù)［11～12］，該剖面在建模中相比簡單剖面和平行剖面［5～10］有了很大優(yōu)勢。特別是含有大量復雜地質情況時，比如地質模型中巖性、斷層較多的時候。將折剖面展開，獲取剖面線段多邊形等關鍵數(shù)據(jù)集合，組成巖性剖面模型，并將巖性符號映射到模型上，在地質建模時有著重要的研究價值［13～14］。

為了解決巖性剖面識別和映射的問題，在展開折剖面的數(shù)據(jù)基礎上，提出了巖性剖面自識別可視化算法，同時對巖性符號映射進行質量控制，將各種巖性符號準確無變形地映射巖性剖面上。該方法不僅能夠對簡單和復雜剖面進行自動識別并可視化，還能夠對巖性剖面中的不同巖性符號映射過程進行質量控制，以達到更好的可視化效果，減少紋理變形和扭曲的問題，能有效地展示巖性剖面的三維地質特點，展示地質模型巖性的分布，并在實際地質建模領域中取得應用。

2 數(shù)據(jù)預處理

2.1 折剖面數(shù)據(jù)

三維折剖面一般垂直于三維空間中的XY平面（圖1），由點、線作為基本數(shù)據(jù)單元，組成了多邊形，再由一個多邊形或多個多邊形組成地質剖面。

圖1 折剖面

其中線段由點按照順序相連，形成帶有方向屬性的線段，將線段再順序相連，形成了封閉的多邊形區(qū)域，該區(qū)域具有封閉性，且表示地質模型中的某一特定巖性。

基于交叉折剖面的三維地質建模方法中，折剖面提取自三維地質模型，但因為其在三維空間中不再是簡單的直線，線段具有異向性。在折剖面圖中，D、F為折點，CD、EF為折線，主要為表明該位置方向發(fā)生變化，在實際數(shù)據(jù)中并不存儲。BD、DF、FH具有異向性，折剖面由兩個多邊形構成。

2.2 展開折剖面數(shù)據(jù)

展開后的折剖面數(shù)據(jù)依然由點、線作為基本單元，將原來的地質剖面的多邊形進行轉換，將三維平面展開到二維的輔助平面上。過程如圖2所示。

圖2 展開折剖面過程

具體轉化步驟：

1）在XY平面中獲取原折剖面的投影線段L；

2）通過對折點進行水平等距離展開，使原來的折線段展開成為直線L′，各線段距離之和不變，只是折點的位置發(fā)生坐標轉化，轉換到水平位置上；

3）借助線段L′作為輔助線，對原折剖面多邊形各點進行坐標轉換，完成折剖面的展開。

通過展開折剖面，將三維的可視化問題轉換到二維平面上進行，利用輔助平面來設計巖性剖面可視化控制算法，降低了可視化的難度。

2.3 巖性剖面數(shù)據(jù)

地質模型中巖層變化較多，有時在一個剖面中具有不規(guī)則的多種巖性，同時在地質模型可視化的過程中，需要對多地質剖面進行統(tǒng)一管理和渲染，所以巖性剖面的數(shù)據(jù)組成主要分為巖性符號庫和剖面數(shù)據(jù)庫兩部分（圖3）。

圖3 巖性剖面數(shù)據(jù)組成

其中，對巖性符號庫的管理主要是對各種巖性符號圖片的索引管理和存儲，數(shù)據(jù)分為索引表和圖片文件。將數(shù)據(jù)存儲在文件或數(shù)據(jù)庫中，以方便巖性剖面可視化過程中，對索引和巖性圖片數(shù)據(jù)調度和渲染。對剖面元素數(shù)據(jù)的管理主要是將地質模型中選取的剖面的邊界線段提取出來。

其中剖面數(shù)據(jù)分為兩種，其一是簡單剖面的一條剖面線段，通常用來描述同一種巖性的剖面。在數(shù)據(jù)組織時根據(jù)巖性的厚度來在獲取該巖性剖面，通過在該剖面線段生通過指定方向和長度，求出巖性剖面多邊形的邊界。另一種是復雜剖面的多條多邊形線段，每條線段可以連接成一個閉合的空間，空間中根據(jù)索引來獲取巖性符號數(shù)據(jù)庫中的紋理映射關系。算法可以自識別剖面數(shù)據(jù)線段，在剖面線段內映射巖性符號，生成巖性剖面圖如圖4所示。

圖4 巖性剖面圖

3 算法實現(xiàn)

3.1 算法流程

在地質模型數(shù)據(jù)的基礎上，進行剖面邊界的提取，結合巖性符號數(shù)據(jù)，來對巖性剖面進行自識別可視化。算法對不同的剖面邊界類型及數(shù)量進行判斷，選擇對應的巖性符號來進行紋理映射，對映射結果的各巖性剖面進行映射質量控制，生成符合實際情況的巖性剖面。最后將巖性剖面轉化為表面網(wǎng)格可視化。具體流程如圖5所示。

圖5 算法流程圖

3.2 巖性剖面自識別

巖性剖面的主要數(shù)據(jù)為巖性符號和剖面的多邊形數(shù)據(jù)。通過索引的方式，在建模時能夠自識別剖面多邊形和巖性符號之間的映射關系。通過控制多邊形線段數(shù)組的數(shù)量來循環(huán)地讀取巖性剖面多邊形，通過給定索引參數(shù)，將巖性符號作為紋理映射到多邊形內。具體流程如圖6所示。

在巖性剖面自識別算法描述：

第一步：使用循環(huán)將所有基礎的多邊形數(shù)據(jù)讀取到內存中。

圖6 巖性剖面自識別流程圖

第二步：構造繼承自STL的vector動態(tài)數(shù)組來循環(huán)的加載多邊形數(shù)據(jù)。

第三步：將動態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)加入到渲染機制的Geometry中。

第四步：將紋理圖片和多邊形數(shù)據(jù)通過索引來對應起來。

第五步：數(shù)據(jù)節(jié)點和場景進行可視化，實現(xiàn)巖性剖面數(shù)據(jù)的自動識別。

3.3 巖性符號映射質量控制

圖7給出巖性符號映射控制算法的流程。

圖7 巖性剖面質量控制流程圖

巖性符號質量控制算法步驟：

第一步：設定控制參數(shù)，將相對平面中的X步長和Y步長設定，避免因為映射造成的巖性符號變形與拉伸問題。

第二步：讀取紋理索引列表，結合紋理控制參數(shù)來選定映射平面。

第三步：進行紋理坐標轉換，將紋理坐標和巖性剖面多邊形數(shù)據(jù)加載到結合節(jié)點樹種。

第四步：可視化場景，觀察質量控制的效果，如果不滿意回到第一步進行步長參數(shù)的調整。如果可視化效果合適，質量控制算法完成。

由于地質模型中巖性變化多樣，巖性剖面中剖面線段的形態(tài)也各不相同，如何將巖性符號完整、準確地映射到剖面空間上就顯得尤為重要。采用紋理映射的方法，通過對映射進行質量控制，在不同映射圖片的兩個垂直分量上進行步長的控制，避免產(chǎn)生紋理拉伸和變形的情況，更接近地質工程中的實際情況，也符合地質專家和工程人員的經(jīng)驗認知。為了更好地滿足地質專家和工程人員的需求，就需要借助紋理映射技術來實現(xiàn)用計算機模擬地質剖面的真實感官。將巖性符號映射到地質模型上，更好地展示巖性內容，解釋地質含義。

圖8為巖性符號在質量控制前后的對比，可以看到?jīng)]有進行步長參數(shù)設置之前，由于巖性屬性的不規(guī)則性，容易導致相對紋理映射時造成嚴重的拉伸和變形，如圖8（a）所示。而經(jīng)過步長參數(shù)的控制，使紋理映射過程中減少因為相對平面的坐標變換和建模過程中對巖性剖面的屬性修改而導致發(fā)生的紋理變形和拉伸問題。同時可以通過地質專家或地質工作者的人為干預，將巖性符號更真實地映射到地質模型上。

圖8 映射質量控制

4 實驗結果

通過基于展開折剖面的多組數(shù)據(jù)進行巖性剖面自識別控制算法有效性測試，如圖9所示，成功將巖性符號以自識別的方式映射到剖面數(shù)據(jù)上，同時通過紋理映射的質量控制，保證了紋理滿足不同地層狀態(tài)下的需求，保證了在遇到極端底層形狀時，可以通過步長參數(shù)設置來調整巖性符號映射比例，使巖性剖面的可視化更加符合實際，更加平滑準確，并且本算法的處理時間和識別準確度也符合實際應用的要求。

圖9 自識別可視控制效果圖

5 結語

在參考國內外相關可視化文獻的基礎上，針對現(xiàn)有關于復雜剖面建模中的特殊問題：1）提出了剖面數(shù)據(jù)自識別算法，針對地質建模過程中的實際數(shù)據(jù)，自動識別剖面多邊形，完成剖面模型讀取的目的，滿足地質模型建立和可視化話的需要。2）提出剖面模型映射質量控制算法，對巖性符號數(shù)據(jù)映射設置垂直方向步長控制，提高了巖性剖面可視化效率和效果，對紋理映射中的質量控制問題起到了優(yōu)化作用。

此方法具有推廣性，可適用于地質建模中其他地質屬性的識別和紋理映射控制，但由于地質構造情況極為復雜，算法還需要進一步結合地質行業(yè)的實際需求進行修改，以更好地適用于各種地學領域工程應用。