基于AutoCAD 的三维地质模型的可视化构建方法.pdf

技 术 创 新 微计算机信息测控自动化2010年第26卷第12-1期 360元/年 邮局订阅号82-946 现场总线技术应用200 例 CAD CAM 基于 AutoCAD 的三维地质模型的可视化构建方法 The of Establishing a3D SurfaceM ineGeological ModelBased on AutoCAD 辽宁工程技术大学葛冬丽 贾进章 赵金龙 GE Dong-li JIA Jin-zhang ZHAO Jin-long 摘要地质三维可视化是正确认识地质构造的重要手段,能为矿藏及各种地质现象描述提供科学的依据.本文在AutoCAD平 台下,以钻孔信息、剖面图和空间离散点为基础数据,采用顾及台阶属性的Delaunay三角网凸包算法建立界面模型,通过面域 拉伸和实体布尔运算或固化成体方法生成三维实体模型。 达到了地质三维可视化的目的,并成功地将方法应用于实际的工 程项目,取得了很好的效果. 关键词三维地质模型; AutoCAD;实体布尔运算;固化成体;可视化 中图分类号 TD851文献标识码 A Abstract3D visualization of geology is an important means to learn the geo-body structure with useful and scientific proof for de- scriptions of mines and all kindsof geologicalphenomena. By using drill hole ination, section chartand discrete space pointas fun- damentaldata, the authordesigned a generalprocess of 3D geologicalmodelingbased onAutoCAD. Themodeling firstly established facemodelby using a consideringbench attributeDelau-nayTIN convex hull algorithm, then sets up themining solid model by strengthen- ing region and using solid Boolean operation or Curing adult. the goal of the geology 3D visualization is obtained. The algorithm is applied successfully toproject-item with a satisfying effect. Key words 3D geologicalmode; autoCAD; solid boolean operation; Curing adult; visualization 文章编号1008-0570201012-1-0164-02 1引言 科学计算可视化是20世纪80年代后期随着计算机图形 学应用的拓广而发展起来的一个新的研究分支,它的发展为利 用地球物理勘探资料分析解释成果重构地下三维地质模型创 造了条件,地质信息的三维可视化成为90年代地学领域的研究 前缘,地质信息的三维可视化是指以适当的数据结构建立地质 特征的数学模型,采用计算机技术将数学描述以3D真实感图 像的形式予以表现。 利用三维可视化的结果不仅可以描述复杂 的地质构造情况,而且可以反映石油矿产等资源的构造形态和 属性特征的三维图形图像,从而实现全三维资料解释、三维地质 建模、地质过程的仿真模拟等高级可视化应用功能。 地质构造 的三维可视化技术包括数学建模及可视化两个方面,构建三维 模型的方法可分为表面法及实体法两大类,规则网格法、TIN表 面法及四面体法是目前较常用的三维地质体建模的方法。 本文 在VB环境下利用CAD技术实现了地质体的三维可视化。 2建模的主要步骤 2.1数据的采集与预处理 基础地质信息处理是地质建模的基础,只有对地质信息正 确处理才能建立准确的地质模型。 基础地质数据采集的主要工 作是钻孔、剖面图、等高线数据的采集。 由于所提供的数据资料 都是dwg的格式,也就是AutoCAD的图元形式,因此需要对数 据进行提取和预处理,包括异常点和重复点的错误检查、冗余节 点线、重复线和交叉线检查等。 2.2构建地表现状界面模型 针对露天矿的实际情况,高程数据点沿着台阶的坡顶线、坡 底线分布,并且为了正确描述露天矿的地貌和阶梯型地表,本文 采用了顾及台阶属性的Delaunay三角网凸包算法。 首先,利用 空间离散点生成无约束的Delaunay三角网,然后把台阶的坡顶 线、坡底线作为约束线,对Delaunay三角网进行剖分,生成带有 约束条件的Delaunay三角网,最后删除露天境界外多余的三角 形,形成了露天矿的地表界面模型,如图1所示。 图1顾及台阶属性的三角网构建采场现状面模型示意图 2.3煤层界面模型的建立 TIN建立物体表面模型的方法,通常采用Delaunay三角剖 分来实现地质三维模型构建。该方法属于表面描述法,其数据量 和运算量远远小于体描述法。 地层三维可视化的数据来源主要 是通过钻孔获取或地震资料,本文主要针对钻探资料获取的地 层信息进行讨论。一般来说钻孔数据大都是离散的,而且钻孔比 较稀疏,仅通过钻孔数据用TIN表面法来构建三维地层模型是 不能有效地反映地质形态的原貌,这就要求原始的钻孔数据进 行预处理,进行加密,目前加密的方法有很多,主要是线性内插 法、分三段法、张力样条法及克里金法等,本文通过对原始的钻 孔数据进行分层构建三角网面,然后在三角网的基础上通过三 角形的三点用克里金法进行内插加密,从而得到很多虚拟钻孔葛冬丽在读研究生 164 -- 邮局订阅号82-946 360元/年 技 术 创 新 CAD CAM PLC技术应用200 例 您的论文得到两院院士关注 数据,这就为后面的地层三维构建提供了基础。 2.4采场现状实体模型的建立 AutoCAD创建实体目前主要共有四种方法系统预定义基 本实体、通过拉伸创建实体、通过旋转创建实体、通过布尔运算 建立复杂实体。 本功能模块采用拉伸与布尔相结合生成实体的 方法构建实体模型。 1创建面域单元 采场DEM模型由若干个三角面片构成,我们把每个三角形视为 一个独立的单元,用来创建单元面域。 由于面域的建立是建立在二维 基础上的,而每个单元却是空间三维的,因此需要进行空间坐标转换, 使得三角形的三点在一个平面上,进而构建单元面域。 2拉伸面域 拉伸面域构建实体的方法主要有两种一种沿路径拉伸,另 一种为指定拉伸高度。本文采用沿路径的拉伸方式将三角单元 中高程最小点与水平面连线作为拉伸路径,三角单元沿此路径 拉伸构建实体单元。 3实体剖切 为了使实体单元沿路径拉伸后,在水平面拥有同一剖切面, 需要对实体单元进行剖切,切除 “ 多余”的实体部分。 4布尔运算 上述实体单元准确建立后,将所有的实体单元进行布尔 “ 并”运 算合并成一个实体,进而得到采场现状实体模型,如图2所示 图2采场现状实体模型 2.5煤层实体的建立 本 文 采 用 封 闭 面 固 化 成 体 建 模 方 法 构 建 露 天 矿 的 煤 层实体模型,并且 取 得 了较 好 的 模 拟 效 果 。 生 成 原 理 及 实 现过程如下 1把露天矿煤层顶板底板作为约束线,利用Delaunay法则 生成TIN模型,用小三角形面片单元去逼近煤层面模型,把它作 为煤层面顶面模型; 2通过煤层顶板模型和底板模型形成煤层的侧面模型; 3上述过程确立了煤层顶面模型、底面模型和侧面模型,通过封 闭面固化成体的建模方法,就可以得到煤层模型;如图3所示。 图3煤层实体模型 3在工程中的实际应用 三维实体对象不仅包括对象的边界和表面,还包括对象的 体积,因此具有质量、体积和质心等质量特征,因此直接读取其 Volume属性即可获取其体积量。图5为平庄西露天矿3月份采 场现状实体与1煤实体交集后生成的还没有开采的一煤实体 图。 其中黄色的边是采场实体模型和煤实体模型相交的部分。 从而可以计算出没有开采的一煤的储量。 图5交集后的一煤实体图 4结论 1矿山三维地质建模和可视化是一项非常复杂的系统工 程,虽然近些年来在国内学者的共同努力下取得长足发展,但由 于地质体本身是一个非均质、各向异性的不连续三维实体,对地 质体各种属性信息的描述还只是一种近似,无法达到真三维表 述和建模。 而且对那些空间分布、空间形态与空间关系均不确 定的矿体与地质结构等数据进行描述与拓扑关系结构的建立, 都是急需解决的技术难题。 2该方法与传统方法比较,具有很强的优越性,具体表现在 ①逼真的三维动态显示效果,使不熟悉地质结构和构造的人对 地质空间关系有一个十分直观的认识;②强大的可视化功能,可 提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别; ③先进的计算 功能,可以准确计算出矿岩量、地表面积等。与传统的平面算量、 断面算量的计算方法相比较,具有简单、快速、准确等特点。 本文作者创新点本文在AutoCAD平台下,以钻孔信息、剖 面图和空间离散点为基础数据,采用顾及台阶属性的Delaunay 三角网凸包算法建立界面模型,通过面域拉伸和实体布尔运算 或固化成体方法生成三维实体模型。 准确计算出矿岩量、地表 面积等。 参考文献 [1]刘光伟.基于 ArcGIS 的快速建立露天矿采场模型的三维可视 化方法[J].辽宁工程技术大学学报,2006增刊 2224 [2]陈世乾.顾及台阶属性 Delaunay 三角网形成方法的研究[J].露 天开采技术,2007, 4 4553 [3]张帆.AutoCAD VBA 二次开发教程[M].北京清华大学出版社, 2006 [4]王志宏,陈应显.露天矿三维可视化矿床地质模型的建立[J].辽 宁工程技术大学学报,20044145148。 [5]陈根永,齐小赞等.基于 CAD 二次开发的配电网理论线损计算 [J].微计算机信息.2008,8-3183-184 作者简介葛冬丽1985,女,辽宁沈阳,辽宁工程技术大学,研 究生在读,研究方向数字矿山和矿山优化理论。 BiographyGE Dong -li1983,Liaoning Province ,Liaoning Technical University,Graduate student in reading,research area Digital mine and mine optimization theory. 123000阜新 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院葛冬丽 贾进章 赵金龙 Liaoning Technology University, Fuxin 123000, China GE Dong-li JIA Jin-zhang ZHAO Jin-long 通讯地址123000阜新 辽宁工程技术大学安全科学与工程学 院葛冬丽 收稿日期2010.04.26修稿日期2010.07.26 165 --