邹艳红-三维地质隐式建模技术与应用

中南大学CentralSouthUniversity博士学位论文答辩三维地质隐式建模技术与实例应用邹艳红[e-mail]中南大学地球科学与信息物理学院国家自然科学基金项目（41102204）资助中南大学CentralSouthUniversity主要内容1.三维地质建模研究现状与存在问题2.三维地质隐式建模技术3.三维地质隐式建模应用实例4.总结与讨论中南大学CentralSouthUniversity1地质体三维建模研究现状与存在问题三维地质建模（3DGM）技术的发展：SimonHoulding等学者首先结合地质建模系统研究了空间数据库的建立、空间数据模型与数据结构、地质体三维表达等三维地质建模理论，其中，规则三维格网(Regular3Dgrid)、非规则块(Irregularblock)、断面(Sectional)和体(Volume)数据结构等是后来三维地质建模软件实现的基础。此后，国内外许多学者对三维地质建模与可视化技术进行了大量的研究与实际应用工作，如：基于类三棱柱体的三维数据模型，广义三棱柱构模技术，三维断层模拟和复杂地质体三维建模的线框模型以及三维地质多体建模方法等的研究与应用。目前，地质体三维建模与可视化技术得到了快速发展并已进入实用化阶段。中南大学CentralSouthUniversity随着三维地质建模理论和技术的成熟，出现了大量的三维地质建模软件，如国外的澳大利亚MAPTEK公司的Vulcan软件、英国Datamine公司的DatamineStudio软件、澳大利亚Surpac公司的SurpacVision软件、法国Nancy学校开发的GOCAD地质建模软件、澳大利亚Micromine公司的Micromine软件；国内的三地曼公司的3DMine软件、迪迈公司的Dimine软件，以及QuantyView和Titan3DM等三维地质建模软件。三维地质建模（3DGM）技术经过多年的发展已日趋成熟。1地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学CentralSouthUniversity存在问题：现有的三维地质建模软件能够对各种复杂地质体（如地层、构造、矿体等）进行三维建模，但建模过程一般是按照显式模拟的方法，即首先基于勘探工程数据绘制勘探线剖面，再在三维可视化环境下按剖面人机交互圈定地质界线并生成地质体三维模型，过程较为繁琐，且不同的人圈定的地质体有时差异较大。1地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学CentralSouthUniversity1地质体三维建模研究现状与存在问题基于现有三维地质建模软件的地质体三维显式建模过程：确定需要建模的地质体建模数据处理人机交互建模人机交互圈定导入勘探工程数据生成单项工程数据导入DTM数据及勘探线数据调整单项工程数据的显示样式圈定剖面地质界线生成地质体线框模型软件功能应用生成地质体块体模型中南大学CentralSouthUniversity1地质体三维建模研究现状与存在问题基于Datamine的地质体三维显式建模实例：中南大学CentralSouthUniversity基于Vulcan的地质体三维显式建模实例：中南大学CentralSouthUniversity三维地质隐式建模的出现与研究意义：随着三维可视化各种算法的发展与成熟，一些研究工作者试图通过三维隐式建模方法：首先对已有地质体样品数据进行样品数据组合并按一定的插值方法来确定空间分布函数；然后利用空间分布函数和已知数据来预估未知数据，从而获得整个空间的相对完备的地质体数据；最后使用三维地质体曲面重建算法对地质体进行三维建模与可视化，快速自动生成三维可视化模型。研究意义：相对显式模拟的地质体界线推断和交互式圈定，隐式模拟方法可省去烦琐的人工操作过程，生成三维模型高效且直观，便于对矿体进行概略性研究和进行储量的快速估算1地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学CentralSouthUniversity三维地质隐式建模的相关研究：部分学者结合几何、函数或空间统计的空间插值方法（如：径向基插值、反距离加权、多项式插值、样条插值、克立格插值、相似变形插值等）利用三维数据重构算法进行三维地质体曲面重建，再基于面或体模型的地质体构模方法进行三维地质体模拟；还有部分学者基于不规则的地质体离散数据，结合空间插值方法构建连续的三维数据场，进行三维地质体重构或隐式模拟的尝试。1地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学CentralSouthUniversity1地质体三维建模研究现状与存在问题1）CowanEJ,BeatsonRK,RossHJ,etal.Practicalimplicitgeologicalmodeling[A].In:DominyS(ed).Proceedingsof5thInternationalMiningGeologyConference[C],CarltonSouth,Australia:TheAustralasianInstituteofMiningandMetallurgy,2003:89-99.2）P.CALCAGNO,G.COURRIOUX,A.GUILLEN,D.FITZGERALD,P.MCINERNEY.How3DimplicitGeometricModellingHelpsToUnderstandGeology:The3DGeoModellerMethodologySocietyforMathematicalGeology[C].TheXIInternationalCongress,2006.3）田宜平，袁艳斌，李绍虎，吴冲龙.建立盆地三维构造-地层格架的插值方法.地球科学-中国地质大学学报,2000,25(2):191-1944）邢延涛，李利军.三维地质体重构中空间数据插值方法的研究[J].计算机与数字工程,2006,34(12):45-475）杨鸿翼，刘亮明，赵义来.基于Kriging和Marchingcube算法的地学3维形态模拟[J]………..中南大学CentralSouthUniversity技术路线图：2三维地质隐式建模技术用户笔记本个人计算机ODBC地质剖面图勘探工程数据各种样品化验表格数据……数据库三维地质体数据提取空间插值计算建立三维地质空间数据场地质体数据三维重建地质体三维可视化中南大学CentralSouthUniversity关键技术：1）空间插值•空间插值方法的适应性•如：克立格(Kriging)法、距离反比加权法(inversedistanceweighted)法、杨赤中滤波与推估法(YangChizhongestimationmethod)和径向基人工神经网络(radialbasisfunction,简称RBF)法等作为插值方法在地学建模和矿产资源储量估算中都有广泛的应用，如何选择？•空间插值模型的自动实现2)地质体三维重建•地质体三维曲面重构算法•地质体的三维表达与可视化2三维地质隐式建模技术中南大学CentralSouthUniversity1)空间插值依据空间插值的基本假设和数学本质可将空间内插分类为：几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法、随机模拟方法、物理模型模拟方法和综合方法，其中以几何方法和空间统计方法在地学领域最为常用。克立格(Kriging)法、距离反比加权法(inversedistanceweighted)法、杨赤中滤波与推估法(YangChizhongestimationmethod)和径向基人工神经网络(radialbasisfunction,简称RBF)法等作为插值方法在地学建模和矿产资源储量估算中都有广泛的应用问题研究：由于地质体的大尺度特征，以及受地质条件与勘查技术的局限性，取样数据的数目及空间分布存在很大差异，对空间插值结果产生较大影响；同时，不同的空间插值方法由于插值原理不同，对插值结果也会产生不同程度的差异。需要研究不同空间插值方法在三维地质建模应用中的影响。空间插值方法中南大学CentralSouthUniversityKriging插值方法：克立格法（Kriging）最初由南非矿业工程师D.G.Krige针对金矿品位特点结合地质推估问题创立，后由法国数学家GeorgesMatheron完善，形成一套完整的理论体系。Kriging法基于地质统计学的思想，将空间上连续性变化的属性称为“区域性变量”，用协方差函数和半变异函数描述区域性变量的变化规律。γ(xi,xj)是点xi，xj之间的半变异函数值，较常采用球面模型进行拟合：0111nniiiiizxwzxw，1TAbλ111212122212(,)(,)(,)1(,)(,)(,)1(,)(,)(,)11110nnnnnnxxxxxxxxxxxxxxxxxxA10200(,)(,)(,)1nxxxxxxb12nλ301010(0)31()(0)22()hhhhcchaaaccha几种空间插值方法比较分析中南大学CentralSouthUniversity径向基插值方法：径向基函数最早由Hardy在1971年在对散乱地形点数据进行插值时首次引入，是一类沿原点或其中心径向对称且单调的函数。实际应用多以径向基网络的形式进行。本研究使用的基函数为Multi-Quadric函数：其中Y为网络的输出，n为基函数的数量，f(X)为基函数，Wi为第i个基函数的权重。为隐含层各个基函数单元间的输出矩阵，w为基函数的权重向量，f为已知点特征值输入层X隐含层Φ输出层YxyzRBF1RBF2RBF3RBFnw1w2w3wn......2()=1+||||XX1()niiiYWXΦwf112111222212()()()()()()()()()nnnnnnXXXXXXXXXΦ12nw12()()()nfXfXfXf几种空间插值方法比较分析中南大学CentralSouthUniversity杨赤中滤波与推估法是20世纪60年代由中南大学（原中南矿冶学院）杨善慈教授提出并发展起来的空间估值方法。该方法以矿床地质变量统计理论为基础，按我国南宋数学家发现推演的二项系数“杨辉三角形”，是在二项系数加权游动平均的基础上，进一步建立估值数学模型，是通过一种连续的几何滤波过程来建立核函数的最小二乘推估法。基本原理：设抽样观测值为：Q1,Q2,Q3,……,Qn，待估点为O，其待估值为Qo，估值系数为P1,P2,P3,……,Pn，则：根据杨赤中方法，根据不同游动区间半径，可以计算出不同的随机特征函数值，估值和差协方函数可表达为：nnTQPQPQPQPQ......221101.02,010001112112221211211121n)G()G(),G(PPPG(n,n))G(n,)G(n,,n)G(),G(),G(,n)G(),G(),G(n)()()(LRaRLG)0(aL)(LR解出Pi后，可求得待估值Qo几种空间插值方法比较分析中南大学CentralSouthUniversity2）地质体三维重建基于三维空间规则数据场构建三维曲面的方法很多，典型的有采用三维等值面构建算法实现由网格离散点到三维等值面的模拟，实现三维曲面重建。本研究以MarchingCubes算法实现三维地质