VolSur：具有不同约束条件的地质体高效表面重建

《Computers & Geosciences》：VolSur: Efficient Surface Reconstruction for Geological Volumes with Distinct Constraints

　　

摘要

本文针对三维地质建模中的挑战，特别是多源异构地质数据与约束的整合难题，这往往导致曲面重建效率低下且不够灵活。我们提出了VolSur，一个新颖高效的地质体表面重建框架。它提供了一种高性能、灵活且可扩展的解决方案，用于整合多种约束条件，特别适用于需要快速迭代和动态更新的三维地质建模工作流程。其核心创新在于设计了一个统一的数据结构无关的布尔体中间表示层，这从根本上将我们的方法与现有的体素化布尔组合方法区分开来。基于高性能稀疏体素（N-树）结构，该层将复杂的曲面重建任务转化为在内节点位掩码级别执行的并行布尔位运算，从而实现了一个高效的约束纳入、体融合和表面生成集成流水线。基于高效的稀疏体素数据结构，该框架无缝集成了各种原生地质体模型，包括规则块体、八叉树块体和可变块体模型。它统一纳入了显式体约束和隐式体约束。通过在该统一表示上执行高效的布尔组合操作，该框架快速重建出自适应的以四边形为主的表面网格，保留了原生体模型特有的阶梯状边界特征。此外，该框架支持增量更新，通过指定属性变化区域的约束，避免了冗余的全局计算，显著提高了重建效率。与传统体表面重建方法相比，所提出的框架同时整合了显式和隐式约束。它在商用硬件上实现了大规模体素模型的高效表面重建，其自适应重建算法能够减少四边形面的数量。多个地质数据集上的实验验证了该框架在处理大规模、多尺度、多约束地质体数据时的计算效率和可靠性，为地质建模中的动态表面重建提供了实用解决方案。该框架的核心算法目前已集成到商业地质应用软件中。

引言

高效准确地刻画地质体的空间形态和属性分布，是三维地质建模中矿产资源评价、储量估算和矿山设计的基础。地质块体模型将连续地质空间离散化为离散块体单元，为连续地质体的离散化表示提供了有效方法。

地质体表面重建是三维地质建模中的关键技术，其核心任务是从离散地质块体模型中快速准确地重建目标体连续几何表面。随着三维地质建模技术的持续迭代，整合多源、多尺度和异构地质数据以实现高精度表面重建已成为迫切需求（Wellmann and Caumon 2018; Zhang and Zhu 2018; Pan et al. 2020）。采矿环境中的多源异构地质数据包括基于地质统计学的规则/不规则块体模型（Zuo et al. 2022; Guo et al. 2025）、来自勘探工程解译的剖面线和多边形、地球物理反演数据（Giraud et al. 2020, 2024）、数字地形/地层模型以及表示地质趋势或物理场的隐式函数（Gon?alves et al. 2017; Zhong and Lin 2019; Irakarama et al. 2022）。地质解译和数据源的多样性导致了多种异构块体模型并存，如规则网格模型、自适应八叉树模型（Lin et al. 2016; Han et al. 2025）和具有精确边界拟合的不规则块体模型。这些模型在分辨率、空间范围和结构表示方面的显著差异，给在统一空间框架内进行高效融合和表面重建带来了巨大挑战。

为了整合多源异构数据并构建满足隐式和显式地质约束的体模型（Guo et al. 2026; Liu et al. 2026），有必要根据特定应用场景生成地质体的统一结构表示。然而，现有体表面重建方法在整合多源异构地质数据约束时面临一系列严峻挑战。为解决多约束条件下动态地质体表面重建的挑战，我们开发并实现了一个名为VolSur的新型设计框架。该框架的核心是引入了基于高效动态稀疏体素结构（Museth 2013, 2021; Kim et al. 2024; Williams et al. 2024）的统一布尔体表示。该表示将异构地质约束（包括显式边界网格和隐式插值函数）统一映射到单一体布尔域上，将传统碎片化的多约束重建工作流程转化为可并行的位逻辑运算。在此基础上，该框架构建了一个高效的集成流水线，涵盖约束纳入、体融合和自适应表面生成，生成忠实保留原生地质体模型特征阶梯状边界的以四边形为主的表面网格。

章节摘要

相关工作

地质体表示将连续地质空间及其内部属性（如岩性、品位）离散化为结构简单的空间单元，称为块体，每个单元记录几何位置信息及其对应的属性数据。地质块体模型的数据结构（G. Wang and Huang 2012; Jalloh et al. 2016）经历了持续演进，从最初的规则块体模型过渡到八叉树和各种形式。

方法概述

如图1所示，该框架建立了涵盖多约束整合、体融合和表面生成的闭环工作流程，特别支持在体数据局部更新后的动态表面重建。

指标场

VolSur框架采用的一种高效策略是利用地质体的边界稀疏性，将复杂地质体模型的目标表面转化为二值指标场以构建稀疏体数据表示，如图2所示。布尔体模型作为体模型的二值化表示，可以使用指标函数进行形式化描述。按照惯例，位于目标表面外部的体素...

实验与结果分析

为了评估地质体表面重建方法的可靠性和性能，所提出的VolSur框架用C++实现。实验在配备Intel Core i7-9750H处理器、16 GB RAM、NVIDIA GeForce GTX 1650 GPU（4 GB）和954 GB SSD的计算机上进行。

我们设计并公开发布了一个基于八叉树块体模型和可变块体模型的实验对比基准数据集，提供了统一的测试...

结论与讨论

为解决多源异构约束下大规模地质体表面重建的挑战，我们提出了VolSur，一个面向地质体约束的新型高效体表面重建框架。通过利用动态稀疏体素表示，该框架克服了大规模地质体表面重建的性能瓶颈。该框架为构建统一...提供了新的技术路径。

代码可用性

VolSur

联系：[e-mail]

硬件要求：Windows 10/11（64位）

编程语言：C++

所需软件：Visual Studio 2019或更高版本的C++17兼容编译器，VTK（Visualization Toolkit）- 可视化输出所需，TBB（Threading Building Blocks）- 多线程操作所需，BLOSC - 压缩库，LZ4 - 压缩库，ZLIB - 压缩库，ZSTD - 压缩库

程序大小：15,893K

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CRediT作者贡献声明

徐兴旺：概念化、方法学、项目管理、写作——审阅与编辑。吴赵豪：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证、软件、方法学、形式分析、数据整理、概念化。毕林：写作——审阅与编辑、项目管理、方法学、概念化。钟德云：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据...

未引用参考文献

Burtsev and Ye, 1993; Lv and Xing, 2026; Newman and Hong, 2006; Nielsen and Ken, 2006.

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国矿业大学煤炭资源精细勘探与智能开发国家重点实验室独立研究项目的资助（SKLCRSM263005）。

钟德云|徐兴旺|王立冠|吴赵豪|毕林

中国矿业大学煤炭资源精细勘探与智能开发国家重点实验室，徐州 221116，中国