矿山地质对象的三维数据模型研究
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作者: 潘勇 龚玉荣
摘要：介绍了三维地质建模数据模型的国内外研究现状，并对面元三维数据模型、体元三维数据模型、面体混合三维数据模型进行分析比较，为实施具体地质体的三维建模选择适应的三维数据模型提供理论依据。
关键词：面元模型 体元模型 混合模型
中图分类号：TD163 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0082-01
1、前言
矿山生产所面对的地质构造、地层、矿体、断层等地质对象大多位于地下深处，长期的地质作用使其空间赋存状态和分布特征变得异常复杂，正确再现这些地质对象的空间特征和分布规律对于规划远景找矿区域是很有意义的。采取野外地质调查、遥感、钻探、物探、化探等地质勘探手段，以及矿山生产过程中的生产勘探手段来获得地质找矿信息，并通过对这些信息的合理表达，再现地质环境的真三维形态。以前的二维地理信息系统虽然对矿山信息化做出了很好的贡献，但具有很多软肋，不具备空间分析、查询、几何量算等功能，不能解决三维地质对象的内部属性、拓扑关系的表达，以及三维空间的索引、管理等问题，利用三维可视化的最新技术，构建具有空间查询、空间分析的三维地质数据模型，解决二维GIS的短处，能真实再现地质三维空间，为勘探找矿提供帮助。
2、矿山地质对象的三维数据模型国内外研究现状
2.1 国外三维数据模型研究现状
为了描述侵染状贫金属矿床的品位的空间变化，引入计算机三维建模可视化技术，利用地质统计学的Kriging法、距离反比法建立三维块段数据模型，来描述矿体状态，在上个世纪的60年代很有市场，1978年由Hunter G.M 提出了八叉树的数据模型，八叉树的编码高效率的压缩了存储量，特别对于均匀地质矿体的压缩效果更加明显，Kavouras等研究人员对八叉树的线性编码贡献很大，但这两种数据模型的建模方法不能精细的表示矿体的表面及边界。单纯复形模型具有地下空间结构的三维概念，是1987年由Carlson Eric 提出来的。结合块段模型能很好的描述三维特征值的变化、矿体的内部形状，线框模型适合描述矿体表面和矿体形态，Wheeler A.J 于1998年提出了一个综合两种数据模型优点的混合三维数据建模模型，Smith D.R 对地学信息的三维表示方法提出了自己的见解，做出了一个典型的三维地学资源管理系统，Raper J.F 于1989年提出了一些三维地学模型，Fritsch 于1990年对三维数据模型也做出了自己的研究，提出了三维GIS 数据结构，Joe 于1991年提出了基于三维点集的局部变换构建三维Delaunay三角形算法，Molenar 1992年提出了基于点、弧、边、面四种元素构成的形式化三维数据模型，Houlding S.W 在2000年左右提出了地下三维可视化化理论的核心技术，Li Rongxin 提出了综合多种三维数据构建三维地质体的建模思路，Victor、Pilout M对三维矢量数据模型TEN的研究做出了贡献，Lattuada 实现了3DDT三维空间数据模型在地质领域的应用技术，Gruen 实现了混合的三维空间数据模型V3D，Zlatanova 实现了基于点和面两种土元的简化的三维空间数据模型SSM，Coors 实现了用平面凸壳面表示三维空间的表面和实体的城市数据模型UDM。
2.2国外三维数据模型研究现状
韩建国、郭达志等研究了基于八叉树的三维地质数据模型，赵树贤研究了基于界面三角网三维地质数据模型，傅国康对分形建模方法做出了贡献，李德仁研究了基于八叉树和四面体格网的混合数据模型，李青元提出了3D矢量拓扑模型，李清泉对基于不规则三角形格网与结构实体几何的混合数据模型进行了研究，陈军提出了基于空间破分的三维数据模型，孙敏提出基于表的面向对象的三维数据模型，程鹏根提出基于矢量与栅格结合的面向对象的混合数据模型，侯恩科研究了面向地质建模的三维拓扑数据模型。
3、矿山地质对象的三维数据模型的类型
专家们提出的三维数据模型有几十种，按几何特征进行分类，可以分为面模型、体模型、面体混合模型。
3.1 面元模型
面元模型侧重于地质体的表面表示，以具有便于显示和数据更新优点的面单元或者面元素表示地质体的表面形态，面元数据模型种类主要有：用于地形表面和层状矿床构模的格网模型，具有很强的根据形状的浓淡程度来进行三维表面重建能力形状模型，具有建模过程清晰，能正确表达地层分界面的格网形式多层模型，对复杂表面具有较高精度、较小数据量、较短计算时间的不规则三角网数据模型，对描述结构简单的三维物体效率很高的边界表示数据模型，由线表达能力决定能表示的地质体的复杂程度，极大的简化模型生产难度的线框模型数据模型，在地质描述方面最简便也最有效率的断面模型等。
3.2 体元模型
体元模型基于三维空间的体元分割和真三维的实体表达，可以对体元的属性独立进行存储和描述，还可进行空间查询和分析。体元模型主要有：对体内不均一性具有一定的表达能力，叠加分析、缓冲区分析比较容易实现，结构简单、位置隐含表示、操作算法易于实现的三维栅格模型的数据模型，用来表示地层、地温、地下水之类的均匀质地的层状三维地质体的针状三维数据模型，通过对三维空间的地质体进行分割的八叉树三维数据模型，八叉树的编码规则有普通八叉树、线性八叉树、三维行程编码八叉树。他们的优点是数据压缩量大、操作灵活。还有规则块体模型三维数据模型、结构实体几何模型三维数据模型、四面体格网模型三维数据模型、金字塔模型三维数据模型、地质细胞模型三维数据模型、不规则块体模型三维数据模型、实体模型三维数据模型、3D Voronoi图三维数据模型、三棱柱三维数据模型、针对地质勘探中钻孔发生歪斜的广义三棱柱三维数据模型。
3.3 混合模型
混合模型综合了面模型只注重对地质体表面的表示和体模型易于进行空间操作和分析的优点，取长补短。混合模型主要类型有断面―三角网混合模型、边界表示---结构实体几何混合模型、八叉树―四面体混合模型、线框―块段混合模型、八叉树―结构实体几何混合数据模型等。
4、结语
地质体的形态复杂多样，实现地质体的数据来源也有很多的途径，不同的应用情景需要不同的侧重点，相应的也需要不同的三维数据类型来建模，对这些三维数据模型的优缺点进行介绍，并对他们适用的领域进行分析，对于我们的三维地质建模能提供有益的帮助。
参考文献
[1]王润怀.一种双TIN面结构断层数据模型[J].煤炭学报,2007,2(3):26-30.
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