基于巖性分層模型的鉆孔數據三維可視化方法研究

馬紹忠，朱 劍，馬驍馳

（廣西壯族自治區自然資源信息中心，南寧 530000）

0 引言

創新與發展三維地理信息技術，形成地上、地表及地下自然資源與國土空間一體化三維管理機制，促進自然資源科學化、精細化管理，是自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎信息平臺建設的重要目標[1]。鉆孔數據的可視化對于地下空間數據的挖掘與分析具有重要意義，傳統的方法以二維柱狀圖的方式表達鉆孔所揭示的地下分層情況，但鉆孔柱狀圖側重表現地質鉆孔的縱向信息，無法展現鉆孔所處的空間位置，鉆孔之間地質屬性的延展性不能較好體現。

在三維環境中顯示鉆孔數據，具有交互性強、直觀、靈活等特點，能夠在更加真實、形象的條件下進行成果表達，從多角度、多維度觀察和探索某一區域地下空間情況。對于鉆孔數據的三維可視化，相關的研究進展主要體現在鉆孔的三維模擬與顯示技術[2-6]和基于鉆孔數據的三維地質模型構建技術[7-11]兩方面，其中比較突出的問題包括以下幾個方面。鉆孔數據的標準化和預處理步驟復雜、煩瑣，工作人員需要花費大量的時間對原始記錄的鉆孔數據進行處理；由于部分三維平臺的功能局限，三維場景無法由地上無縫切換至地下；專業的地質建模軟件在鉆孔可視化方面僅實現鉆孔軌跡的單一展示，不能有效地整合和利用其他專題數據，在鉆孔模型渲染、屬性信息查詢展示等方面靈活性較差。

本文提出一種使用Skyline 軟件原生幾何模型快速模擬和可視化鉆孔數據的方法，展現了具體的技術流程和實現細節，某礦山的應用實例驗證了該方法的有效性。

1 鉆孔巖性分層數據模型

鉆孔數據一般存儲于電子表格，需進行一定的預處理才能滿足三維可視化的需要。為了盡可能多地利用原始數據，最大限度減少數據處理的工作量，同時又滿足在三維場景中模擬和顯示鉆孔的應用需求，本文以鉆孔數據的巖性分層為基礎，將鉆孔數據分為三類。

（1）鉆孔基本信息主要記錄鉆孔的基本情況，如鉆孔編號、孔口坐標、孔深、孔徑、工作區名稱、施工單位、開工日期、終孔日期等。

（2）測斜信息主要記錄不同測段的信息，如測量序號、分段孔深、方位角、天頂角、測量時間、測量人員、偏距等。

（3）巖性分層信息主要記錄鉆孔所揭示的各個巖層的地質、化學、水文、物理、工程等方面的參數信息，如分層號、換層深度、含水率、孔隙比、滲透率、飽和度、密度等。

鉆孔數據記錄的內容因地質工作專題的不同而略有差異，為了更好地表達各類專題鉆孔，鉆孔數據內容被分為必要信息和擴展信息。必要信息為鉆孔模型渲染提供參數，是可視化的位置和形態基礎；擴展信息則可以根據專題內容進行選擇性地添加，目的是更好地管理鉆孔數據、查詢屬性、查看圖件報告等。鉆孔巖性分層數據模型如圖1 所示，其中，“*”代表主鍵，“#”代表外鍵；粗體代表必要信息，非粗體代表擴展信息；鉆孔基本信息與測斜信息、巖層分層信息之間關系為一對多（1：n）。

圖1 鉆孔巖性分層數據模型

2 鉆孔數據三維可視化

鉆孔數據三維可視化包括幾何和屬性的三維視覺化表達。幾何的視覺化使用符號或幾何圖形將鉆孔顯示到三維場景，屬性的視覺化則通過靜態標注或動態交互操作的方式將特定鉆孔的屬性信息展示在三維場景。Skyline 軟件通過兩種方式實現鉆孔的可視化表達。

第一種方式直接根據孔口位置或巖性分層點位置在三維場景中繪制幾何對象，這種方式存在以下不足。

（1）每段鉆孔模型均為獨立存在的幾何對象，都會被加載到數據目錄樹，分層數量較多時存在管理不便且無法統一設置和更改模型對象渲染方式的問題。

（2）僅能瀏覽鉆孔的空間形態，無法查看每個鉆孔或巖性分層的詳細屬性信息。

（3）鉆孔模型只能在Skyline 軟件中查看，無法另存為圖層，不利于數據的共享與交換。

第二種方式將孔口位置或巖性分層點位置作為一個獨立的圖層加載到三維場景，通過設置圖層的顯示方式及參數完成可視化表達。這種方式能有效地避免第一種方式存在的問題，使用起來方便、靈活，本文采用此方式實現鉆孔數據的三維可視化。

為了在Skyline 軟件中實現鉆孔數據地表、地下二三維一體化表達鉆孔，需利用二次開發接口讀取電子表格中規范化處理的鉆孔數據，計算生成孔口位置點圖層和巖性分層點圖層，均以ESRI Shapefile（*.shp）格式進行存儲。在TerraExplorer 模塊中加載圖層，設置鉆孔點位及巖層模型的渲染符號和空間位置、形態參數，配置屬性查詢的方式和內容，即可實現鉆孔數據三維可視化。加載研究區內相關專題數據，與鉆孔模型集成展示，根據需要靈活調整鉆孔模型的渲染方式，查看鉆孔及每個巖層的屬性，瀏覽相應的圖件報告等，以更加直觀的方式挖掘鉆孔數據提供的信息。技術流程如圖2所示。

圖2 鉆孔數據三維可視化技術流程

2.1 孔口位置點圖層生成

孔口位置點圖層記錄每個鉆孔的位置及其屬性信息，將孔口位置疊加顯示在地表，可以快速直觀地展現研究區域內鉆孔的分布情況。圖層中的每個點代表一個鉆孔，其位置為孔口坐標，屬性為鉆孔的必要信息和擴展信息，孔口位置點圖層的必要屬性字段如表1 所示，擴展屬性字段根據需要添加。

表1 孔口位置點圖層的必要屬性字段

2.2 巖性分層點圖層生成

巖性分層點圖層記錄巖性分層的空間位置、空間形態及屬性信息。每個點代表一個巖性分層，點的坐標記錄當前巖層與下伏巖層分界位置。巖層以獨立特征點的形式存儲在圖層，這樣能夠更好地表達傾斜鉆孔、關聯查詢巖性分層的屬性信息與圖件報告等。每個特征點的屬性信息繼承自鉆孔的巖性分層表和測斜表，而空間位置和空間形態信息則由孔口位置和測斜信息逐段計算。巖性分層點圖層的必要屬性字段如表2 所示，擴展屬性字段根據需要添加。

表2 巖性分層點圖層的必要屬性字段

巖性分層點圖層是鉆孔柱狀模型表達的關鍵，各分層點的位置需綜合計算記錄鉆孔信息的3 個表格。計算之前先按照換層深度對所有的巖性分層點進行排序，若測斜表中2 個測段交接處不是巖性分層點，該位置作為一個虛擬的巖性分層被增加到分層記錄。假設巖層S為鉆孔的某一巖性分層，首先，根據鉆孔編號從巖性分層記錄表中提取上一分層點的位置和換層深度以及當前分層的換層深度，若當前計算的分層為鉆孔的第一個分層，則取孔口位置表中對應鉆孔的孔口位置且換層深度賦值為0；然后，根據鉆孔編號及當前分層的換層深度從測斜表中提取對應測段的方位角、天頂角；最后，計算巖層S的分層點位置，公式如公式（1）。

式中：d1為上一分層點的換層深度；d2為巖層S的換層深度；d為巖層S的厚度；α為對應測段的方位角；β為對應測段的天頂角；Px、Py和Pz分別為上一分層點的經度、緯度和高程；Sx、Sy和Sz分別為巖層S的分層位置點的經度、緯度和高程。

分別取每個鉆孔的所有分層，按照以上步驟逐層計算分層點的位置，屬性信息則復制所在位置對應的巖性分層信息。

2.3 孔口位置模型參數配置

孔口位置可視化包括孔口空間位置的圖標和鉆孔的說明性標注（一般為鉆孔編號）。將孔口位置點圖層加載到三維場景中，顯示符號的Type設置為Image Label，路徑設置為預先處理好的鉆孔符號圖片存放路徑。其他參數的設置分如下2 種情況。

（1）普通屬性參數。設置屬性對話框類型為Attributes，定義每個屬性的名稱、描述、值及提示。

（2）附件屬性參數。一般將圖片、文檔等文件存儲于文件服務器，依據鉆孔編號將文件路徑賦值到孔口位置點圖層的屬性，在Skyline 軟件中通過參數設置的方式實現關聯查看。若附件為圖片則設置屬性對話框類型為HTML/Image；若附件為普通文檔則將屬性對話框類型設置為File，并設置每個鉆孔所要關聯查看的附件路徑。對于鉆孔的說明性標注，僅需將顯示符號設置為Text Label，并設置標注的屬性字段，調整文字參數。

2.4 巖性分層模型參數配置

本文將巖性分層點圖層加載到三維場景，設置顯示符號的Type 為Cylinder，設置Attitude、Height、Yaw、Pitch 參數，這些參數分別對應巖性分層點圖層的高程、層厚、方位角、天頂角屬性字段。柱狀模型的參數設置方法與孔口位置點圖層的設置類似，同樣區分不同的參數類型。

地質鉆孔在水平方向的幾何尺寸較小，而深度則可達幾十米甚至數百米，依照實際孔徑直接繪制的柱狀模型往往呈比例極不協調的線狀，不便于在小比例尺場景下瀏覽。為解決這一問題，本文使用孔徑縮放系數調整鉆孔柱狀模型在水平方向上的縮放比例，在Skyline 軟件中動態設定Radius X 參數為孔徑縮放系數。此外，為了保證三維場景同時加載的數據不至于過多，提高模型渲染的效率和交互響應速度，同時又能在大比例尺下查看鉆孔的細節，需要根據實際情況設置鉆孔柱狀模型的最大可見距離（Max.Visibility Distance）和最小可見距離（Min.Visibility Distance）。

2.5 模型渲染及多源數據集成展示

除了空間位置和空間形態外，顏色和紋理對于鉆孔模型的渲染也是必不可少的。實際應用往往根據數據展示和分析的需要，靈活設置模型的顏色和紋理。為了查看巖性分層情況，可以根據巖層的分層編號進行唯一值渲染；為了直觀表現鉆孔深度，可以根據巖層的深度使用顏色帶渲染；為了突出顯示見礦巖層，可以結合屬性表中的見礦屬性字段，采用自定義顏色突出顯示見礦巖層，關閉或弱化其他巖層的顯示；為了便于與傳統柱狀圖比較，可以為模型設置規范的紋理圖案或巖心照片。

要進一步分析地下空間特征信息，需查看鉆孔記錄的原始信息、分析報告、圖片資料等。Skyline 軟件提供了豐富的屬性查看方式，如鼠標懸停提示、標簽提示、對話框展示、網頁顯示等，可根據需要設置屬性的顯示方式和需要顯示的屬性信息。

除了鉆孔數據外，地表地形數據、遙感影像數據、基礎地理數據、地質專題數據、無人機傾斜攝影模型等，均能從不同角度為地下空間特征研究、礦山設計開采、自然資源管理提供有用的信息。本文將鉆孔三維模型與不同專題、不同來源的數據集成展示，從不同視角瀏覽鉆孔數據，查看各個專題數據的屬性信息，動態、直觀地展示研究區域內地下和地表的空間特征及狀態，更好地輔助決策分析。

3 應用實例

為了驗證方法的有效性，本文選取了某礦山的鉆孔數據實現三維可視化。使用的Skyline 軟件版本為V6.5，TerraExplorer、TerraBuilder 模塊運行的基礎環境為視窗（Windows）10 操作系統，TerraGate 模塊運行的基礎環境為視窗服務器（Windows Server）2012 操作系統。本文共收集19 條鉆孔數據，按照巖性分層模型對數據進行規范化處理并存儲在表格中，鉆孔的深度為210～550m，測段數為5～14 段，巖性分層數為22～60 層。數字高程模型與遙感影像通過TerraBuilder 生成MPT 格式文件，該文件被加載到TerraExplorer 中并作為三維場景的底圖，其他專題數據均已通過ArcGIS Server（服務器）發布為表述性狀態轉移（representational state transfer，REST）服務或通過TerraGate 發布為網絡要素服務（web feature service，WFS），可直接在TerraExplorer 中集成顯示，數據的空間參考系統為2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。

加載孔口位置點圖層和巖性分層點圖層，設置顯示符號和標注參數，從地表和地下分別展示鉆孔及巖層分層點在空間位置上的分布。為鉆孔模型設置不同的渲染顏色和紋理，從不同角度挖掘鉆孔揭示的地下空間信息，如圖3 所示。通過鼠標點擊孔口位置點符號或鉆孔柱狀模型，查看鉆孔基本信息、鉆孔柱狀圖、巖層屬性信息、巖心照片。將礦業權范圍、地質災害點、無人機傾斜攝影模型等加載到三維場景中并與鉆孔模型集成顯示，如圖4 所示，動態、直觀地展示研究區內地表和地下的空間特征及狀態。

圖3 不同方式渲染鉆孔模型

圖4 鉆孔模型與多源數據集成顯示

4 結語

本文研究了在Skyline 軟件中使用原生幾何模型按巖性分層進行鉆孔三維模擬和可視化的方法，從多角度、多維度顯示和查看鉆孔信息。應用實例表明，該方法無需過多的數據預處理，實現過程簡單、路徑清晰、易于理解，鉆孔模型渲染配置靈活，地上、地下場景無縫切換，多源數據集成能力強，能快速、直觀、準確地展現各個鉆孔的空間分布情況以及鉆孔所揭示的地下空間特征信息。該方法的應用將有助于專業人員對鉆孔數據進行挖掘和分析，為地質決策服務提供更加直觀、準確的信息。本文研究成果對于鉆孔數據的表達和管理、三維地質建模、自然資源三維立體“一張圖”建設等具有一定的借鑒意義。