地質(zhì)體三維形態(tài)方法與應(yīng)用201312

1、中南大學(xué)Central South University博士學(xué)位論文答辯地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法與應(yīng)用地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法與應(yīng)用毛毛 先先 成成2013年年12月月6 日日中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（4117229741172297）資助）資助國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)課題（國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)課題（2006BAB01B072006BAB01B07）資助）資助中南大學(xué)Central South University介紹提綱介紹提綱1.1.地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究

2、現(xiàn)狀與存在問(wèn)題2.2.地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線3.3.地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法4.4.地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例中南大學(xué)Central South University研究意義：研究意義： 地質(zhì)體形態(tài)特征是控制礦床礦體形成、定位和分布的重要因地質(zhì)體形態(tài)特征是控制礦床礦體形成、定位和分布的重要因素，定量地分析和提取地質(zhì)體的三維形態(tài)特征，對(duì)掌握礦床素，定量地分析和提取地質(zhì)體的三維形態(tài)特征，對(duì)掌握礦床礦體定位機(jī)制和分布規(guī)律具有重要的理論和實(shí)踐意義。礦體定位機(jī)制和分布規(guī)律具有重要的理論和實(shí)踐意義。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究

3、現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South Universityl構(gòu)造形態(tài)是控制礦床形成和分布的最重要因素（翟裕生等，構(gòu)造形態(tài)是控制礦床形成和分布的最重要因素（翟裕生等，1981）。）。l山東界河金礦控礦斷裂面的計(jì)算機(jī)模擬及趨勢(shì)面分析表明，控礦斷面的山東界河金礦控礦斷裂面的計(jì)算機(jī)模擬及趨勢(shì)面分析表明，控礦斷面的形態(tài)變化與礦體定位存在著一定的空間關(guān)系（高秋斌等，形態(tài)變化與礦體定位存在著一定的空間關(guān)系（高秋斌等，1999）。）。l基于地質(zhì)異常理論的局部構(gòu)造異常特征分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造局部形態(tài)對(duì)成礦基于地質(zhì)異常理論的局部構(gòu)造異常特征分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造局部形態(tài)對(duì)成礦具有控制

4、作用（呂新彪具有控制作用（呂新彪,2001）。）。l通過(guò)接觸帶控礦構(gòu)造類型及其空間分布特征、接觸帶形態(tài)產(chǎn)狀特征及其通過(guò)接觸帶控礦構(gòu)造類型及其空間分布特征、接觸帶形態(tài)產(chǎn)狀特征及其與成礦的關(guān)系、成礦定位機(jī)制等的分析，可以預(yù)測(cè)出深部隱伏礦體找礦的有與成礦的關(guān)系、成礦定位機(jī)制等的分析，可以預(yù)測(cè)出深部隱伏礦體找礦的有利部位（劉玉成等利部位（劉玉成等,2006）。）。l個(gè)舊錫礦花崗巖凹陷帶（內(nèi)凹部位）礦體空間分布規(guī)律的綜合分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)舊錫礦花崗巖凹陷帶（內(nèi)凹部位）礦體空間分布規(guī)律的綜合分析發(fā)現(xiàn)，礦體的形成及分布與花崗巖表面形態(tài)的復(fù)雜程度具有密切關(guān)系（張建東，礦體的形成及分布與花崗巖表面形態(tài)的復(fù)雜程度具有密

5、切關(guān)系（張建東，2007；王雄軍等，；王雄軍等，2008）。）。l礦體形態(tài)特征是許多礦床的礦體變化最大標(biāo)志（李守義等礦體形態(tài)特征是許多礦床的礦體變化最大標(biāo)志（李守義等,2003）。）。l基于趨勢(shì)分析與結(jié)構(gòu)分析的斷層波狀構(gòu)造分解和定量模擬，可得到斷層基于趨勢(shì)分析與結(jié)構(gòu)分析的斷層波狀構(gòu)造分解和定量模擬，可得到斷層波狀構(gòu)造形態(tài)的分級(jí)控礦和礦化局部化規(guī)律（毛先成等，波狀構(gòu)造形態(tài)的分級(jí)控礦和礦化局部化規(guī)律（毛先成等，1993） 1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀：地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀：中南大學(xué)Central South University上述研究

6、以對(duì)地質(zhì)體形態(tài)的制圖表達(dá)和定性分析為主，盡管某些方法可以進(jìn)上述研究以對(duì)地質(zhì)體形態(tài)的制圖表達(dá)和定性分析為主，盡管某些方法可以進(jìn)行定量分析，但表達(dá)的信息是行定量分析，但表達(dá)的信息是二維或者二維或者2.5維維的，而的，而地質(zhì)體是一種真三維結(jié)地質(zhì)體是一種真三維結(jié)構(gòu)構(gòu)，這就需要對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行真三維的形態(tài)模擬與分析。，這就需要對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行真三維的形態(tài)模擬與分析。l曹代勇等（曹代勇等（2001）分析研究了地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征與三維可視化技術(shù)，并分析研究了地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征與三維可視化技術(shù)，并提出了地質(zhì)構(gòu)造模型中處理斷層的局部法和整體法技術(shù)提出了地質(zhì)構(gòu)造模型中處理斷層的局部法和整體法技術(shù) 。l曾新平等（曾新平等（

7、2005）研究了研究了基于基于IDL的地質(zhì)的地質(zhì)體三維可視化建模技術(shù)和地質(zhì)特體三維可視化建模技術(shù)和地質(zhì)特征分析方法。征分析方法。l吳沖龍等（吳沖龍等（2006）研究開發(fā)了通過(guò)二維圖件生成真三維盆地構(gòu)造地層格研究開發(fā)了通過(guò)二維圖件生成真三維盆地構(gòu)造地層格架的計(jì)算機(jī)模擬和可視化技術(shù)以及建立三維數(shù)字盆地的空間信息系統(tǒng)技術(shù)。架的計(jì)算機(jī)模擬和可視化技術(shù)以及建立三維數(shù)字盆地的空間信息系統(tǒng)技術(shù)。l趙義來(lái)等（趙義來(lái)等（2010）研究了安慶銅礦田巖體接觸帶的三維形態(tài)及其控礦機(jī)制，研究了安慶銅礦田巖體接觸帶的三維形態(tài)及其控礦機(jī)制，認(rèn)為礦體空間分布位置與接觸帶的形態(tài)有著直接關(guān)系。認(rèn)為礦體空間分布位置與接觸帶的形態(tài)有

8、著直接關(guān)系。l目前，基于三維地學(xué)建模（目前，基于三維地學(xué)建模（3DGM）和可視化技術(shù)的隱伏礦體三維定位定）和可視化技術(shù)的隱伏礦體三維定位定量預(yù)測(cè)已發(fā)展成為研究熱點(diǎn)量預(yù)測(cè)已發(fā)展成為研究熱點(diǎn)（陳建平等，（陳建平等，2007）。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South University這些研究實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的三維模擬與形態(tài)描述，并探討這些研究實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的三維模擬與形態(tài)描述，并探討了地質(zhì)體形態(tài)與礦體空間定位的關(guān)系。了地質(zhì)體形態(tài)與礦體空間定位的關(guān)系。但為了深層次地揭示出地質(zhì)體形態(tài)特征對(duì)礦體空間定位但為了深層次地揭示出地質(zhì)體形態(tài)特征對(duì)礦體空間

9、定位與分布的控制規(guī)律，我們認(rèn)為，還需系統(tǒng)地對(duì)地質(zhì)體的三維與分布的控制規(guī)律，我們認(rèn)為，還需系統(tǒng)地對(duì)地質(zhì)體的三維形態(tài)進(jìn)行定量分析。形態(tài)進(jìn)行定量分析。 三維地質(zhì)建模、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等技術(shù)三維地質(zhì)建模、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等技術(shù)的出現(xiàn)為三維形態(tài)定的出現(xiàn)為三維形態(tài)定量分析奠定了基礎(chǔ)。量分析奠定了基礎(chǔ)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題存在問(wèn)題：存在問(wèn)題：中南大學(xué)Central South University三維地學(xué)建模三維地學(xué)建模（3DGM）技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已日趨成熟。）技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已日趨成熟。Houlding結(jié)合地質(zhì)建模研究了規(guī)則三維格網(wǎng)結(jié)合地質(zhì)建模研究了規(guī)則三維格網(wǎng)(Re

10、gular 3D grid)、非規(guī)則塊、非規(guī)則塊(Irregular block)、斷面、斷面(Sectional)和體和體(Volume)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地建立了三維地質(zhì)建模理論。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地建立了三維地質(zhì)建模理論。此后很多學(xué)者相繼對(duì)三維地質(zhì)建模進(jìn)行了大量的研究，使地此后很多學(xué)者相繼對(duì)三維地質(zhì)建模進(jìn)行了大量的研究，使地質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)得到了飛速發(fā)展并已進(jìn)入質(zhì)體三維建模與可視化技術(shù)得到了飛速發(fā)展并已進(jìn)入實(shí)用化階段實(shí)用化階段。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有大量學(xué)者研究開發(fā)了地質(zhì)體的三維建模與可同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有大量學(xué)者研究開發(fā)了地質(zhì)體的三維建模與可視化技術(shù)，包括視化技術(shù)，包括拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)組成的三維矢量拓?fù)?/p>

11、模型，基于類拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)組成的三維矢量拓?fù)淠Ｐ?，基于類三棱柱體的三維數(shù)據(jù)模型，廣義三棱柱構(gòu)模技術(shù)，基于三棱柱體的三維數(shù)據(jù)模型，廣義三棱柱構(gòu)模技術(shù)，基于TIN的多的多層層DEM構(gòu)模技術(shù)，三維斷層模擬和復(fù)雜地質(zhì)體三維建模的線框架構(gòu)模技術(shù)，三維斷層模擬和復(fù)雜地質(zhì)體三維建模的線框架模型模型 。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South University隨著三維地質(zhì)建模理論和技術(shù)的成熟，地質(zhì)體隨著三維地質(zhì)建模理論和技術(shù)的成熟，地質(zhì)體三維建模軟件三維建模軟件大量涌現(xiàn)，如澳大利亞大量涌現(xiàn)，如澳大利亞MAPTEK公司的公司的Maptek Vulca

12、n軟件，英軟件，英國(guó)國(guó)Datamine公司的公司的Datamine Studio軟件，澳大利亞軟件，澳大利亞Surpac公司的公司的Surpac Vision軟件，法國(guó)軟件，法國(guó)Nancy學(xué)校開發(fā)的學(xué)校開發(fā)的GOCAD地質(zhì)建模軟件，地質(zhì)建模軟件，澳大利亞澳大利亞Micromine公司的公司的Micromine軟件，中國(guó)三地曼公司的軟件，中國(guó)三地曼公司的3D mine軟件、迪邁公司的軟件、迪邁公司的Dimine軟件等。軟件等。三維地質(zhì)建模技術(shù)的實(shí)用化，為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提三維地質(zhì)建模技術(shù)的實(shí)用化，為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提供了三維建模技術(shù)基礎(chǔ)。供了三維建模技術(shù)基礎(chǔ)。 1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)

13、狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South University數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)（Mathematical Morphology）誕生于）誕生于1964年，最初是由年，最初是由法國(guó)科學(xué)家法國(guó)科學(xué)家Serra提出用于對(duì)鐵礦核做定量巖相學(xué)分析的。提出用于對(duì)鐵礦核做定量巖相學(xué)分析的。1982年，年，Serra出版了專著出版了專著Image Analysis and Mathematical Morphology，將，將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與圖像處理真正聯(lián)系起來(lái)，從而發(fā)展了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，使其逐數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與圖像處理真正聯(lián)系起來(lái)，從而發(fā)展了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，使其逐步成為學(xué)者們研究的熱

14、點(diǎn)。步成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和所用語(yǔ)言是集合論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和所用語(yǔ)言是集合論，集合本身可支持任意，集合本身可支持任意維度，因此只需借用現(xiàn)有的二維模型，將運(yùn)算維度，因此只需借用現(xiàn)有的二維模型，將運(yùn)算擴(kuò)展到三維空間擴(kuò)展到三維空間，將二維，將二維結(jié)構(gòu)元素?cái)U(kuò)展為三維結(jié)構(gòu)元素，就能使數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素?cái)U(kuò)展為三維結(jié)構(gòu)元素，就能使數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)支持三維圖像分析支持三維圖像分析，這這為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提供了理論參考為地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究提供了理論參考。同時(shí)，同時(shí)，歐氏距離變換（歐氏距離變換（Euclidean Distance Transform）與圖像處理與圖像處理結(jié)合具有結(jié)

15、合具有提取幾何特征的能力提取幾何特征的能力，為地質(zhì)體三維形態(tài)分析高效算法的實(shí)現(xiàn)，為地質(zhì)體三維形態(tài)分析高效算法的實(shí)現(xiàn)和形態(tài)特征參數(shù)提取和形態(tài)特征參數(shù)提取提供了技術(shù)基礎(chǔ)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South Universityl數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)較好地解決了幾何特征提取、邊緣檢測(cè)、圖像分割、形狀識(shí)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)較好地解決了幾何特征提取、邊緣檢測(cè)、圖像分割、形狀識(shí)別等圖像處理問(wèn)題。別等圖像處理問(wèn)題。l利用形態(tài)運(yùn)算可以提取遙感圖像上特定的土地特征。利用形態(tài)運(yùn)算可以提取遙感圖像上特定的土地特征。l提取衛(wèi)星融合影像中的線型地物。提取衛(wèi)星融

16、合影像中的線型地物。l檢測(cè)圖像中建筑物陰影和云陰影。檢測(cè)圖像中建筑物陰影和云陰影。l對(duì)高分辨率的遙感圖像進(jìn)行分類和處理。對(duì)高分辨率的遙感圖像進(jìn)行分類和處理。l可用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)巖石紋理進(jìn)行彩色圖像的分割和分類。可用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)巖石紋理進(jìn)行彩色圖像的分割和分類。l還可利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)判定包裹體邊界，結(jié)合包裹體的其他信息獲得流體還可利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)判定包裹體邊界，結(jié)合包裹體的其他信息獲得流體包裹體跡線及其形態(tài)和幾何參數(shù)，為研究地質(zhì)現(xiàn)象變化過(guò)程的微觀機(jī)制提供較好包裹體跡線及其形態(tài)和幾何參數(shù)，為研究地質(zhì)現(xiàn)象變化過(guò)程的微觀機(jī)制提供較好的理論基礎(chǔ)。的理論基礎(chǔ)。l利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行水文地質(zhì)屬性研究，模擬出了水體影

17、響范圍的特征利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行水文地質(zhì)屬性研究，模擬出了水體影響范圍的特征和水流路徑。和水流路徑。上述地質(zhì)圖像處理研究都是上述地質(zhì)圖像處理研究都是基于二維圖像基于二維圖像的，但地質(zhì)體是真三維的，但地質(zhì)體是真三維的，需采用三維圖像或三維柵格模型表達(dá)，因此，的，需采用三維圖像或三維柵格模型表達(dá)，因此，要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維形要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體三維形態(tài)分析，需要將現(xiàn)有的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)擴(kuò)展到三維空間以支持三維圖像處理。態(tài)分析，需要將現(xiàn)有的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)擴(kuò)展到三維空間以支持三維圖像處理。1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題近年來(lái)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在近年來(lái)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在地質(zhì)圖像處理領(lǐng)域地質(zhì)圖像處理領(lǐng)域

18、取得了大量的研究成果：取得了大量的研究成果：中南大學(xué)Central South University歐氏距離變換歐氏距離變換（Euclidean Distance Transform）廣泛應(yīng)）廣泛應(yīng)用于圖像分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)用于圖像分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已發(fā)展出許多高效的優(yōu)化算法。展，已發(fā)展出許多高效的優(yōu)化算法。在離散化空間中，我國(guó)學(xué)者在離散化空間中，我國(guó)學(xué)者諸葛嬰諸葛嬰將歐氏距離變換二維將歐氏距離變換二維最優(yōu)算法擴(kuò)展到了三維，而最優(yōu)算法擴(kuò)展到了三維，而藺宏偉藺宏偉同樣也將二維算法推廣到同樣也將二維算法推廣到了三維，但其算法的時(shí)間和空間復(fù)雜程

19、度比前者更低，因而了三維，但其算法的時(shí)間和空間復(fù)雜程度比前者更低，因而是一種更加適合是一種更加適合三維柵格模型三維柵格模型的歐氏距離變換算法。的歐氏距離變換算法。三維歐氏距離變換高效算法的成熟，以及歐氏距離變換三維歐氏距離變換高效算法的成熟，以及歐氏距離變換與圖像處理結(jié)合具有提取幾何特征的能力，與圖像處理結(jié)合具有提取幾何特征的能力，為地質(zhì)體三維形為地質(zhì)體三維形態(tài)分析高效算法的實(shí)現(xiàn)和形態(tài)特征參數(shù)提取提供了技術(shù)基礎(chǔ)態(tài)分析高效算法的實(shí)現(xiàn)和形態(tài)特征參數(shù)提取提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 1地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題地質(zhì)體形態(tài)分析研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題中南大學(xué)Central South University2地質(zhì)體

20、三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究思路：地質(zhì)體三維形態(tài)分析研究思路： 柵格模型柵格模型形態(tài)運(yùn)算形態(tài)運(yùn)算結(jié)果應(yīng)用結(jié)果應(yīng)用1. 1. 野外調(diào)查、資料收集與整理并建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。野外調(diào)查、資料收集與整理并建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。2. 2. 建立地質(zhì)體三維實(shí)體模型，生成地質(zhì)體三維柵格模型。建立地質(zhì)體三維實(shí)體模型，生成地質(zhì)體三維柵格模型。3. 3. 構(gòu)建地質(zhì)體三維形態(tài)分析集合運(yùn)算模型。構(gòu)建地質(zhì)體三維形態(tài)分析集合運(yùn)算模型。4. 4. 研究地質(zhì)體三維形態(tài)分析算法，設(shè)計(jì)開發(fā)形態(tài)分析實(shí)驗(yàn)軟件。研究地質(zhì)體三維形態(tài)分析算法，設(shè)計(jì)開發(fā)形態(tài)分析實(shí)驗(yàn)軟件。5. 5. 進(jìn)行地質(zhì)體三維形

21、態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)形態(tài)分析模型和算法。進(jìn)行地質(zhì)體三維形態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)形態(tài)分析模型和算法。6. 6. 地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用。地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用。中南大學(xué)Central South University技術(shù)路線圖：技術(shù)路線圖：中南大學(xué)Central South University關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)： 三維地質(zhì)形態(tài)分析三維地質(zhì)形態(tài)分析數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)（數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)（G. G. MatheronMatheron和和J. SerraJ. Serra）腐蝕（腐蝕（ErosionErosion）、膨脹（）、膨脹（DilationDilation）、開（）、開（OpeningOpening）、閉）、閉（Clo

22、singClosing）運(yùn)算）運(yùn)算二維形態(tài)（像元）二維形態(tài)（像元）三維形態(tài)（體元或體素）三維形態(tài)（體元或體素）2.2.三維距離場(chǎng)分析三維距離場(chǎng)分析離散化地質(zhì)空間下的距離測(cè)度離散化地質(zhì)空間下的距離測(cè)度基于柵格數(shù)據(jù)的三維距離變換基于柵格數(shù)據(jù)的三維距離變換空間距離場(chǎng)及空間參數(shù)提取空間距離場(chǎng)及空間參數(shù)提取3.3.空間統(tǒng)計(jì)分析空間統(tǒng)計(jì)分析4.4.三維柵格模型可視化三維柵格模型可視化2地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線地質(zhì)體三維形態(tài)分析思路與技術(shù)路線中南大學(xué)Central South University數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論和集合理論為基礎(chǔ)，用具有一定形數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論和集合理論為基礎(chǔ)，

23、用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去量度和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去量度和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算主要包括的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算主要包括膨脹、腐蝕、開、閉膨脹、腐蝕、開、閉等，其中等，其中腐蝕與膨脹、開與閉互為對(duì)偶運(yùn)算。腐蝕與膨脹、開與閉互為對(duì)偶運(yùn)算。設(shè)設(shè)A表示一幅二值圖象，表示一幅二值圖象，B為結(jié)構(gòu)元素：為結(jié)構(gòu)元素：（1）（2）（3）（4）式中，式中，c表示表示A的補(bǔ)集，的補(bǔ)集，表示表示B關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中南大學(xué)Central So

24、uth University采用藺宏偉提出的采用采用藺宏偉提出的采用8 8個(gè)模板個(gè)模板進(jìn)行三維歐氏距離變換的方法，對(duì)進(jìn)行三維歐氏距離變換的方法，對(duì)體素模型的柵格空間進(jìn)行掃描，生成體素模型的柵格空間進(jìn)行掃描，生成歐氏距離場(chǎng)歐氏距離場(chǎng)。模板中的每個(gè)單元是一個(gè)向量。設(shè)柵格空間的大小為模板中的每個(gè)單元是一個(gè)向量。設(shè)柵格空間的大小為L(zhǎng) LM MN N，空，空間所有體元的距離可用一向量表示，向量的模即為該體元的距離值。算間所有體元的距離可用一向量表示，向量的模即為該體元的距離值。算法的掃描過(guò)程分為前向和后向兩個(gè)過(guò)程。法的掃描過(guò)程分為前向和后向兩個(gè)過(guò)程。在前向和后向過(guò)程中的每次掃描中，做以下運(yùn)算：在前向和后

25、向過(guò)程中的每次掃描中，做以下運(yùn)算：上式中，要求上式中，要求( (i i, ,j j, ,k k) )滿足滿足時(shí)將等號(hào)右邊的向量賦給時(shí)將等號(hào)右邊的向量賦給f new(x, y, z)。 f (x, y, z)為行列層坐標(biāo)為為行列層坐標(biāo)為( (x x, ,y y, ,z z) )體元的距離向量，體元的距離向量， f new(x, y, z)為其新值，為其新值，T T為模板。若為模板。若f (x, y, z) = ( (p p, ,q,kq,k) )則距離其最近的體元坐標(biāo)為則距離其最近的體元坐標(biāo)為( (x x+ +p p, ,y y+ +q q, ,z z+ +k k) )。 3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方

26、法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法歐氏距離變換歐氏距離變換中南大學(xué)Central South University歐氏距離變換歐氏距離變換3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法中南大學(xué)Central South University3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法三維形態(tài)分析方法：三維形態(tài)分析方法：地質(zhì)體形態(tài)趨勢(shì)提?。坏刭|(zhì)體形態(tài)趨勢(shì)提??；地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提??；地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提??；形態(tài)起伏特征提??；形態(tài)起伏特征提??； 地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取。地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取。中南大學(xué)Central South University一般分析的方法：一般分析的方法：趨勢(shì)面數(shù)學(xué)方程趨勢(shì)

27、面數(shù)學(xué)方程。而這種方法在地質(zhì)體形態(tài)復(fù)雜、。而這種方法在地質(zhì)體形態(tài)復(fù)雜、且有超覆現(xiàn)象時(shí)，就無(wú)法滿足要求。且有超覆現(xiàn)象時(shí)，就無(wú)法滿足要求。因此，本文在地質(zhì)體體素柵格模型的基礎(chǔ)上，提出了一種因此，本文在地質(zhì)體體素柵格模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)學(xué)基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的通用趨勢(shì)形態(tài)提取方法形態(tài)學(xué)的通用趨勢(shì)形態(tài)提取方法。定義一個(gè)定義一個(gè)球形結(jié)構(gòu)元素球形結(jié)構(gòu)元素，進(jìn)行開運(yùn)算或閉運(yùn)算時(shí)，球?qū)⒃谡麄€(gè)三維，進(jìn)行開運(yùn)算或閉運(yùn)算時(shí)，球?qū)⒃谡麄€(gè)三維空間中進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)，包括地質(zhì)體邊界內(nèi)外。開運(yùn)算時(shí)，球在地質(zhì)體邊界空間中進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)，包括地質(zhì)體邊界內(nèi)外。開運(yùn)算時(shí)，球在地質(zhì)體邊界內(nèi)部滾動(dòng)，將會(huì)削平邊界上的凸峰內(nèi)部滾動(dòng)，將會(huì)削平邊界

28、上的凸峰( (如下圖如下圖(b)(c)(b)(c)。同理，閉運(yùn)算時(shí)球。同理，閉運(yùn)算時(shí)球在地質(zhì)體外邊界上滾動(dòng)，此時(shí)將會(huì)填補(bǔ)邊界上的凹谷（如下圖在地質(zhì)體外邊界上滾動(dòng)，此時(shí)將會(huì)填補(bǔ)邊界上的凹谷（如下圖(d)(e)(d)(e)）。）。因此用這兩種運(yùn)算的組合對(duì)地質(zhì)體操作，可分別因此用這兩種運(yùn)算的組合對(duì)地質(zhì)體操作，可分別削平削平和和填補(bǔ)填補(bǔ)地質(zhì)體地質(zhì)體邊界上的的邊界上的的凸峰凸峰和和凹谷凹谷，得到平滑的趨勢(shì)形態(tài)。，得到平滑的趨勢(shì)形態(tài)。 3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體形態(tài)趨勢(shì)提取地質(zhì)體形態(tài)趨勢(shì)提取中南大學(xué)Central South University球形結(jié)構(gòu)元素開運(yùn)算與閉運(yùn)算效果球形

29、結(jié)構(gòu)元素開運(yùn)算與閉運(yùn)算效果3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法中南大學(xué)Central South University設(shè)設(shè)A為地質(zhì)體對(duì)象，為地質(zhì)體對(duì)象，Bball為球形結(jié)構(gòu)元素，將這兩種運(yùn)算進(jìn)行組為球形結(jié)構(gòu)元素，將這兩種運(yùn)算進(jìn)行組合定義成形態(tài)濾波變換有：合定義成形態(tài)濾波變換有：（1）開閉濾波開閉濾波： （5）（2）閉開濾波閉開濾波： （6）通過(guò)這兩種變換均能得到地質(zhì)體的趨勢(shì)形態(tài)。變換后的地質(zhì)體輪通過(guò)這兩種變換均能得到地質(zhì)體的趨勢(shì)形態(tài)。變換后的地質(zhì)體輪廓光滑度取決于球形結(jié)構(gòu)元素的半徑。半徑越大，能削平和填補(bǔ)的凸廓光滑度取決于球形結(jié)構(gòu)元素的半徑。半徑越大，能削平和填補(bǔ)的凸峰與凹谷部分越多

30、，輪廓（趨勢(shì)形態(tài)）越光滑。半徑越小，能削平和峰與凹谷部分越多，輪廓（趨勢(shì)形態(tài)）越光滑。半徑越小，能削平和填補(bǔ)的凸峰與凹谷部分越少，輪廓（趨勢(shì)形態(tài)）將相對(duì)趨近地質(zhì)體變填補(bǔ)的凸峰與凹谷部分越少，輪廓（趨勢(shì)形態(tài)）將相對(duì)趨近地質(zhì)體變換前輪廓（形態(tài)）。換前輪廓（形態(tài)）。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法中南大學(xué)Central South University對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)體而言，借助對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)體而言，借助歐氏距離變換技術(shù)歐氏距離變換技術(shù)，本文作者提出一種，本文作者提出一種新的形態(tài)起伏分析方法新的形態(tài)起伏分析方法，將邊界上所有體元的凹凸屬性及其起伏程度量，將邊界上所有體元的凹凸屬性及其起伏程度

31、量化?；＞唧w步驟如下：具體步驟如下：1. 初始化，建立要進(jìn)行形態(tài)起伏分析的地質(zhì)體的三維二值圖像，定初始化，建立要進(jìn)行形態(tài)起伏分析的地質(zhì)體的三維二值圖像，定義一定半徑義一定半徑r的球形結(jié)構(gòu)元素的球形結(jié)構(gòu)元素Bball(r)， r決定可濾除波形的大小，可濾除決定可濾除波形的大小，可濾除波形大小則決定可得到的起伏程度的大??；波形大小則決定可得到的起伏程度的大??；2. 以以Bball(r)為結(jié)構(gòu)元素，采用開閉或閉開濾波算子為結(jié)構(gòu)元素，采用開閉或閉開濾波算子 對(duì)地質(zhì)體對(duì)地質(zhì)體A進(jìn)進(jìn)行形態(tài)濾波，得到集合行形態(tài)濾波，得到集合 ；3. 獲得外凸部分集合獲得外凸部分集合Dpeak(A)，內(nèi)凹部分集合，內(nèi)凹部分

32、集合Dvalley(A)，有：，有： （7）3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取中南大學(xué)Central South University4. 通過(guò)歐氏距離變換，建立集合對(duì)象通過(guò)歐氏距離變換，建立集合對(duì)象 外的歐氏距離場(chǎng)外的歐氏距離場(chǎng)Eouter(i,j,k)和和 內(nèi)的歐氏距離場(chǎng)內(nèi)的歐氏距離場(chǎng)Einner(i,j,k)；5. 對(duì)于地質(zhì)體邊界上的每個(gè)體元對(duì)于地質(zhì)體邊界上的每個(gè)體元v，有，有v A，判斷其哪個(gè)集合中：，判斷其哪個(gè)集合中：若若 ，則，則v處于外凸處，且有處于外凸處，且有v ，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)6；若若 ，則，則v處于內(nèi)凹處，有處于內(nèi)凹處，有v

33、，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)7；否則說(shuō)明否則說(shuō)明v處于平坦處；處于平坦處；6. 求在體元求在體元v坐標(biāo)處的距離場(chǎng)坐標(biāo)處的距離場(chǎng)Eouter值，該值即說(shuō)明了值，該值即說(shuō)明了v所在的局部外所在的局部外凸程度，轉(zhuǎn)凸程度，轉(zhuǎn)5；7. 求在體元求在體元v坐標(biāo)處的距離場(chǎng)坐標(biāo)處的距離場(chǎng)Einner值；該值即說(shuō)明了值；該值即說(shuō)明了v所在的局部?jī)?nèi)所在的局部?jī)?nèi)凹程度，轉(zhuǎn)凹程度，轉(zhuǎn)5。 3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取地質(zhì)體表面形態(tài)起伏提取中南大學(xué)Central South University對(duì)以上步驟進(jìn)行改進(jìn)便可對(duì)形態(tài)起伏特征進(jìn)行分級(jí)提取。因?yàn)閷?duì)以上步驟進(jìn)行改進(jìn)便可對(duì)形態(tài)起伏特征進(jìn)行分級(jí)提取。因

34、為球形球形結(jié)構(gòu)元素半徑結(jié)構(gòu)元素半徑r決定可濾除的波形的大小決定可濾除的波形的大小，所以通過(guò)改變，所以通過(guò)改變r(jià)值可提取出不值可提取出不同程度的起伏。同程度的起伏。以下形態(tài)以下形態(tài)起伏特征分級(jí)提取流程圖起伏特征分級(jí)提取流程圖給出了提取步驟。由此可得到地給出了提取步驟。由此可得到地質(zhì)體邊界上所有體元的各級(jí)別起伏。質(zhì)體邊界上所有體元的各級(jí)別起伏。這種方法提取出來(lái)的起伏這種方法提取出來(lái)的起伏隨著級(jí)別的增高而增大隨著級(jí)別的增高而增大，而非級(jí)別越高，而非級(jí)別越高，起伏越小。起伏越小。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法形態(tài)起伏特征的分級(jí)提取形態(tài)起伏特征的分級(jí)提取形態(tài)起伏分級(jí)提取流程圖形態(tài)起伏分級(jí)

35、提取流程圖中南大學(xué)Central South Universityl一些成礦因素受到地質(zhì)體接觸面（如巖漿巖體與圍巖的一些成礦因素受到地質(zhì)體接觸面（如巖漿巖體與圍巖的接觸帶）的夾角大小的控制。為了定量表達(dá)這種控礦因素，接觸帶）的夾角大小的控制。為了定量表達(dá)這種控礦因素，需要對(duì)接觸面走向與其趨勢(shì)面走向方向的夾角進(jìn)行提取，也需要對(duì)接觸面走向與其趨勢(shì)面走向方向的夾角進(jìn)行提取，也需要對(duì)接觸面走向與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向夾角進(jìn)行提取。需要對(duì)接觸面走向與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向夾角進(jìn)行提取。l地質(zhì)體以體素柵格模型離散表達(dá)，這種夾角提取問(wèn)題就地質(zhì)體以體素柵格模型離散表達(dá)，這種夾角提取問(wèn)題就具體為求兩空間實(shí)體上對(duì)應(yīng)兩體元切平面之

36、間的角度的問(wèn)題。具體為求兩空間實(shí)體上對(duì)應(yīng)兩體元切平面之間的角度的問(wèn)題。l針對(duì)這個(gè)夾角提取問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)夾角提取問(wèn)題，本文作者提出了基于歐氏距離本文作者提出了基于歐氏距離場(chǎng)的夾角提取方法。場(chǎng)的夾角提取方法。3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取中南大學(xué)Central South University如圖所示，地質(zhì)體表面（實(shí)線）上有一點(diǎn)如圖所示，地質(zhì)體表面（實(shí)線）上有一點(diǎn)P，它在地質(zhì)體的趨勢(shì)形，它在地質(zhì)體的趨勢(shì)形態(tài)表面（虛線）上的最近點(diǎn)為態(tài)表面（虛線）上的最近點(diǎn)為P，此處求過(guò)這兩點(diǎn)的，此處求過(guò)這兩點(diǎn)的切平面間夾角切平面間夾角。3地質(zhì)體三維

37、形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取中南大學(xué)Central South University設(shè)原始巖體設(shè)原始巖體A接觸面接觸面S(A)上有體元上有體元v，其在趨勢(shì)形態(tài)體，其在趨勢(shì)形態(tài)體A表面表面S(A)上上對(duì)應(yīng)體元為對(duì)應(yīng)體元為v，過(guò)，過(guò)v和和v的法向量分別為的法向量分別為 和和 ，有：，有：1. 求巖體接觸面，用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法有求巖體接觸面，用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法有 ，其中，其中B為為方形結(jié)構(gòu)元素，用方形結(jié)構(gòu)元素，用1.3.1方法求地質(zhì)體趨勢(shì)形態(tài)，同樣按數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法方法求地質(zhì)體趨勢(shì)形態(tài)，同樣按數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法有有 ；2. 求求S(A)外和內(nèi)的歐氏距離

38、場(chǎng)，分別為外和內(nèi)的歐氏距離場(chǎng)，分別為Eouter(i,j,k)和和Einner(i,j,k)，并，并求求S(A)外和內(nèi)的歐氏距離場(chǎng)，分別為外和內(nèi)的歐氏距離場(chǎng)，分別為Eouter (i,j,k)和和Einner (i,j,k)，以，以Eouter(i,j,k)和和Einner(i,j,k) 所表示的距離模擬所表示的距離模擬F(x,y,z)， Eouter(i,j,k)的中的距的中的距離為正值，離為正值， Einner(i,j,k)中的距離為負(fù)值，中的距離為負(fù)值，S(A)上距離為上距離為0；同理以；同理以Eouter (i,j,k)和和Einner (i,j,k)距離模擬距離模擬F趨勢(shì)趨勢(shì)(x,y

39、,z)；3. 對(duì)對(duì)S(A)中需要求夾角的體元中需要求夾角的體元v，在，在Eouter(i,j,k)或或Einner(i,j,k)中找出中找出其最近在其最近在S(A)上的最近體元作為對(duì)應(yīng)體元上的最近體元作為對(duì)應(yīng)體元v ；3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取步驟地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取步驟中南大學(xué)Central South University4. 用模板對(duì)用模板對(duì)F(x,y,z)進(jìn)行卷積運(yùn)算；求得在進(jìn)行卷積運(yùn)算；求得在v處處x，y和和z三個(gè)方向梯度三個(gè)方向梯度Gx,Gy和和Gz； =(Gx,Gy,Gz)；同樣對(duì)；同樣對(duì)F趨勢(shì)趨勢(shì)(x,y,z)進(jìn)行卷積運(yùn)算，求

40、得進(jìn)行卷積運(yùn)算，求得 5. 求兩切平面間夾角求兩切平面間夾角 ： (8)6. 判斷判斷S(A)中是否有尚未求夾角體元，若有則回到中是否有尚未求夾角體元，若有則回到3。 3地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體三維形態(tài)分析方法地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取步驟地質(zhì)體表面與趨勢(shì)面夾角提取步驟中南大學(xué)Central South Universityn安徽銅陵鳳凰山礦田新屋里巖體存在有廣泛的安徽銅陵鳳凰山礦田新屋里巖體存在有廣泛的超覆現(xiàn)象超覆現(xiàn)象。n地質(zhì)體三維形態(tài)分析和控礦地質(zhì)因素場(chǎng)建模方法都以地質(zhì)體三維形態(tài)分析和控礦地質(zhì)因素場(chǎng)建模方法都以三三維柵格模型維柵格模型為數(shù)據(jù)模型。為數(shù)據(jù)模型。n研究開發(fā)了三維形態(tài)學(xué)處理算

41、法與程序，對(duì)新屋里巖體研究開發(fā)了三維形態(tài)學(xué)處理算法與程序，對(duì)新屋里巖體等地質(zhì)體進(jìn)行三維形態(tài)分析，如巖體形態(tài)趨勢(shì)提取、巖體表等地質(zhì)體進(jìn)行三維形態(tài)分析，如巖體形態(tài)趨勢(shì)提取、巖體表面形態(tài)起伏提取、形態(tài)起伏特征分級(jí)提取、地質(zhì)體表面和趨面形態(tài)起伏提取、形態(tài)起伏特征分級(jí)提取、地質(zhì)體表面和趨勢(shì)面夾角提取等，實(shí)現(xiàn)各種控礦地質(zhì)因素場(chǎng)的定量模擬。勢(shì)面夾角提取等，實(shí)現(xiàn)各種控礦地質(zhì)因素場(chǎng)的定量模擬。 4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例實(shí)例實(shí)例：安徽銅陵鳳凰山礦田的新屋里巖體安徽銅陵鳳凰山礦田的新屋里巖體中南大學(xué)Central South University新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體形態(tài)起伏

42、分析新屋里巖體多級(jí)形態(tài)濾波操作與結(jié)果新屋里巖體多級(jí)形態(tài)濾波操作與結(jié)果 4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例中南大學(xué)Central South University三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體原始柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例中南大學(xué)Central South University三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體趨勢(shì)柵格模型4地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)體三維形態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例中南大學(xué)Central South University三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：三維地質(zhì)體形態(tài)分析實(shí)例：新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋里巖體形態(tài)起伏分析新屋