CN102750739A - 三维地质模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维建模技术，其公开了一种三维地质模型的构建方法，解决传统建立三维地质模型须进行大量辅助的二维分析，导致构建模型过程中造成工作量大、建模流程复杂、模型无法自动更新的问题。本发明以动态可控调整的曲面拟合（插值）方式实现了地质资料的直接三维解译分析，二维分析成果不再是必不可少的依据；并构建了与生产实际紧密结合的工程地质基础资料数据库，地质基础资料的搜集工作和资料的存储管理围绕三维分析解译开展；基础资料随生产进度不断充实和完善，并能快捷地反映到三维地质模型的解析和调整过程中；将地质成果的三维直接输出或二维剖切输出与工程地质数据库相关联，形成规范化的自动化输出。本发明适用于对地质的三维建模。

Description

三维地质模型的构建方法

技术领域

本发明涉及三维建模技术，特别涉及一种三维地质模型的构建方法。

背景技术

获取准确的工程区地质条件是水利水电设计工作中必不可少的基础环节。但是，地质体是埋在地下的，在完全开挖之前是未知的；另一方面，地质体又是在漫长的地质历史发展过程中天然形成的，是特定的原生建造与后期地质作用的改造相叠加的综合产物，是极端复杂的，其复杂性主要表现在：各种地质单元在空间上的分布具有不均匀性，几何空间形态的变化具有差异性，不同单元在空间上相互交切具有一定的随机性等方面。地质工程师在勘察阶段认识和描述地下地质条件的唯一办法是通过勘探手段获取局部的地质资料，再依据这些并不充分的地质证据去推测工程区广大范围内的地质体空间分布特征。由于地质勘探的昂贵，因此，确凿的地质证据是少量的，对于描述整个地质体而言这些离散的采样数据是远不够充分的。于是，为了获得尽可能准确的地质条件，就离不开地质工程师对收集到的所有勘察资料（测绘、勘探、试验等各种信息）进行深入细致的综合分析。在这个分析过程中，既需要严格吻合确凿的地质证据，也需要参考地质工程师按照地质一般（普遍）规律进行定性分析得到的总体趋势判断。而水利水电工程地质的工作即是将上述地质资料（定量、定性）通过分析形成在时效上、精度上满足的设计需求的成果。

在地质分析过程中，基础资料的利用程度以及辅助手段的有效性、及时性直接制约着水利水电工程地质工作效率和成果质量；同时，由于水利水电工程设计的整体性和连续性，地质工作的效率和质量，必然也影响到水利水电工程的设计周期和设计成果的科学性。

长期以来，地质资料的解译都是在包含勘探的断面上进行二维的分析进而绘制二维剖切地质图。即使为了工程形象展示或者计算分析的需要而构建三维地质模型，也是在二维分析得到确切的二维剖面图后，通过对同一分界曲面上由二维剖面线构成的三维线框进行扫描而形成地质分界曲面，并进而封闭得到地质体的空间展布形态。目前，在工程地质行业内的三维建模手段实质上是从二维角度去凑三维空间的地质体；为了得到符合地质认识的三维模型，由于二维视角的固有限制不可避免地需要多次的修改和拼凑，并按照工作流程对二维剖面图和相应的三维地质曲面进行反复的校核、审查。同时，由于三维地质曲面的形成是依据静态的插值、拟合算法，每一次二维的变更都需要重新生成，地质工程师不能控制曲面的更新范围，因此，难以确保三维地质成果作为设计依据的时效性、延续性。

国外的三维地质分析与建模研究虽然较早，并已开发了一系列较为成熟的商业软件包，如GOCAD、EarthVision、Geocom等，但其主要面向油气藏、矿山等工程，与我国水利水电工程工作流程和应用习惯存在较大出入。

由于三维地质模型反映地质体信息的直观性、全面性，国内众多高校和科研院所重视研究三维地质模型的构建方法，并开发或在通用图形处理系统上二次开发了一些三维地质建模软件包，通过对二维分析结果的二维剖切图进行插值、拟合并构建三维地质模型，实现了从二维地质成果到三维展示、演示模型甚至信息管理系统的进步。但是，纵观截至目前的探索工作和开发的系统，归纳起来，它们都存在以下问题：

(1)由于缺乏有效的曲面控制调整手段，地质曲面的建立过分依赖二维分析成果，虽然也能实现地质成果的三维可视化，但代价较大。为了建立复杂区域的三维地质模型，往往需要进行大量辅助的二维分析，并反复修改以解决二维、三维视图的冲突。

(2)由于缺乏有效解决地质资料三维解译分析的手段，基础数据的采集、管理与分析过程存在脱节的现象，数据的二维分析与三维模型的构建过程相分离，数据的分析结果与数据库的分析相分离。

(3)由于每一次新增地质资料都需要先返回二维视图调整二维成果，并进行相应的校核、审查过程，然后重新构建三维地质模型，整个建模流程冗长、繁杂。因此，随工作进度、勘探深度、地质认识深化修改模型的工作量很大，以至于模型难以及时更新。

(4)由于采用静态的曲面插值、拟合算法，地质曲面缺乏局部变形控制能力，当局部地质认识发生改变时，需要重新构造地质曲面，而完全自动进行的静态算法可能导致对不是必须改动的区域进行了自动的修改，进而可能导致下游专业的设计参照发生改变。

基于上述几条原因，工程地质专业在实际生产过程中需要在进度和质量（精度）方面进行取舍，难以及时提交有效的三维模型，水利水电工程多专业三维协同设计难以实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种三维地质模型的构建方法，解决传统技术中建立三维地质模型必须进行大量辅助的二维分析，导致构建模型过程中造成工作量大、建模流程复杂、模型无法自动更新的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：三维地质模型的构建方法，包括以下步骤：

a.按照空间坐标或相对坐标收集工程区地质勘察数据,录入工程地质基础数据库；

b.构建或直接导入三维地形曲面；

c.从工程地质基础数据库中分别提取指定区域内所属地质界面的相关基础资料进入分析平台，形成空间点云；

d.把空间点云实测数据作为控制点，将人为推测得到的趋势点作为参照约束点，采用满足必然通过控制点并逐步逼近参照约束点要求的平滑插值拟合算法，在指定区域内进行插值拟合，得到空间曲面；

e.调整参照约束点的权重，多次重复步骤d，得到多个空间曲面，经过比较后选择既满足地质证据又最符合地质综合判断条件的空间曲面作为设计成果；

f.重复步骤b-e，直至所有的三维地形曲面分析完成，形成三维地质曲面模型。

进一步，还包括步骤：

g.由地质校审人员对三维地质曲面模型进行二维的剖切分析、比较并判断其三维总体趋势的合理性后，对三维地质曲面模型作为阶段性地质认识的结果予以保存。

进一步，还包括步骤：

h.设计人员通过曲面互切构建带有拓扑信息的地质模型，赋予地质属性并反馈到工程地质基础数据库。

进一步，步骤a中，所述地质勘查数据包括地形地貌和基本地质特征：覆盖层分布特征、分层特征、岩性、构造、风化卸荷、水文地质特征。

进一步，步骤b中，构建或直接导入三维地形曲面是指：如果地形测绘单位已经按照逆向工程的方式形成三维地形曲面并复核校正，则直接导入三维地形曲面；否则，以实测地形点为控制点，以等高线节点为参照拟合点进行拟合的方式构建三维地形曲面。

进一步，步骤c具体包括：

c1.从工程地质基础数据库中提取相关基础资料进入分析平台，提取数据的范围根据需要进行指定，为全工程区范围或人为判断的更新区；

c2.空间坐标表达的地表数据按照实际坐标进入分析平台，地下线状/面状地质勘探中的数据以与勘探线/面的相对坐标代入，最终均形成空间点云。

本发明的有益效果是：1、以动态可控调整的曲面拟合（插值）方式实现了地质资料的直接三维解译分析，二维分析成果不再是必不可少的依据；该方法还能够随生产进度、地质资料更新、地质认识渐进明细的过程动态可控地调整三维地质模型；

2、构建了与生产实际紧密结合的工程地质基础资料数据库，地质基础资料的搜集工作和资料的存储管理围绕三维分析解译开展；基础资料随生产进度不断充实和完善，并能快捷地反映到三维地质模型的解析和调整过程中；

3、三维分析解译得到的地质认识成果存储于工程地质分析成果数据库，与基础资料数据库一起构成工程地质数据库；三维地质成果描述的几何属性与工程地质数据库描述的地质属性一并构成地质体的数字模型；

4、地质成果的三维直接输出或二维剖切输出与工程地质数据库相关联，形成规范化的自动化输出。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的方法流程及应用示意图。

具体实施方式

随着工程三维设计在国内的蓬勃兴起，工程地质三维设计手段的落后已日益成为制约因素。本发明在有效解决地质资料三维解译分析的基础上，按照三维设计的要求，把地质资料的收集、管理、分析建模到成果输出等关键环节的内业工作进行规范化、半自动化，进而形成工程地质数据库与三维地质模型相关联的、覆盖水利水电工程地质全生命周期的三维设计方法。

本发明的实现原理参见图1，其主要包括以下几个方面：

1、工程地质数据库既包含基础资料数据，又包含对基础资料进行三维解译后得到的各工程地质单元属性信息，它们与三维地质模型（几何拓扑信息）一起作为反映最新地质认识成果的载体；

2、基础资料数据按照勘察手段类型收集并保存相应的空间坐标，关联的属性信息按照地质分类存储；三维解析平台直接从数据库中提取基础资料进行分析解译；

3、三维解译后的地质单元的几何拓扑信息存在于三维地质模型中，其相应的属性信息以单元名作为关联存储于工程地质数据库中；

4、地质成果输出时，其几何信息来源于三维地质模型，其属性信息来源于工程地质数据库。

下面结合附图及具体实施方式对本发明的方法实现流程及相关应用作进一步描述：

参见图2，其具体包括以下步骤：

（1）按照空间坐标或相对坐标收集工程区地质勘察数据进入工程地质基础数据库，这些数据的内部存储以地质属性分类划分。

（2）直接导入地形测绘形成的三维地形曲面（或者导入实测地形点数据并参照地形等高线，以构建地下地质曲面的相同方式形成三维地质曲面）。

（3）按照地质初步判断从数据库中分别提取指定区域内所属地质界面的相关基础资料进入分析平台，形成空间点云。

（4）把实测点云数据作为控制点，把人为趋势推测（依据地质规律、参照其它地质界面等）得到的点作为参照约束点。

(5)采用满足必然通过控制点并逐步逼近约束点要求的平滑插值（拟合）算法，在指定区域内进行插值（拟合），得到空间曲面。

(6)地质设计人员在同一界面上调整参照约束点的权重，实现多次的逼近（或远离）计算，经反复比较后选择既完全满足地质证据又最符合地质综合判断的曲面作为设计成果。

(7)对于不能得到满意结果的地质曲面，地质人员可返回数据库核实基础资料或修正定性认识，并重复步骤2~6，以得到符合认识的地质曲面。

(8)待各个地质曲面均通过2~6（或2~7）的流程后，所有的地质资料分析解译完成，得到相应的反映设计人员最新地质认识的曲面模型。

(9)由校审人员对曲面模型进行二维的剖切分析、比较并判断其三维总体趋势的合理性后，地质曲面作为阶段性地质认识的结果予以保存。

(10)设计人员通过曲面互切构建带有拓扑信息的地质模型，赋予地质属性并反馈到工程地质数据库。

(11)根据下游专业设计进度需要，地质人员按照流程输出三维地质模型和相应的工程地质数据库；或者剖切三维地质模型得到二维图并查询数据库得到相应的地质属性形成规范的注释，自动地构建满足规范要求的二维图件。

(12)随生产进度、勘察资料的丰富，地质认识的深化，充实基础资料数据库。并重复2~8步骤，根据需要重复9~10步骤。

在步骤（1）中，当确定水电水利工程场址初步确定后，需进行工程地质勘察，获取基础资料，其中包含地形地貌和基本地质特征，如覆盖层分布特征、分层特征、岩性、构造、风化卸荷、水文地质特征等。数据的录入界面符合地质资料收集的特点，以标准表格形式记录（可按照各单位习惯予以微调）；数据的存储按照地质体的本来属性予以分类。地表地质数据按照空间坐标予以收集存储，地下线状（面状）地质勘探中的数据按照相对坐标予以收集、存储。

在步骤（2）中，可以直接导入三维地质曲面（如果地形测绘单位已经按照逆向工程的办法形成并复核校正）。否则其构建方式与地下地质曲面的构建流程一致，实测地形点是控制点，一般等高线节点是参照拟合点。

在步骤（3）中，地质人员从步骤（1）中得到的地质基础数据库中提取地质资料进入三维空间，提取数据的范围可根据需要进行指定，可以是全工程区范围（一般是新建曲面），也可以是人为判断的更新区（局部调整区）。空间坐标表达的地表数据按照实际坐标进入空间，地下线状（面状）勘探中的数据以与勘探线（面）的相对坐标代入，最终均形成空间点云。

在步骤（4）中，从数据库中提取的确凿数据自动成为控制点，而地质设计人员可以根据其综合判断指定缺乏确凿数据区域内曲面的趋势点或线（但发挥作用的依然是点）。在后续的插值拟合过程中，控制点的作用是曲面必须通过该点，而趋势拟合点则是依据用户的设置分步逐渐逼近。由用户定义曲面向趋势拟合点逼近的方向，控制每（步）次插值拟合计算中曲面向趋势拟合点逼近的程度。趋势点（或线）的设置可以参照地表地形，也可以是参照其它地质曲面或者该曲面上次插值拟合计算的结果。趋势拟合点的位置可由用户在拟合方向（连接线方向）上自由移动，并进而影响下次的曲面调整（插值拟合计算）。

在步骤（5）中，将曲面上需要移动节点移动（自动）到控制点上，将所有不需要动态拟合的节点锁定。将步骤（4）中的定义好趋势约束激活，对目标曲面进行插值计算，得到满足上述条件的曲面。

在步骤（6）中，地质设计人员在同一界面上通过调节拟合点的权重值，并重复步骤（5），使曲面向拟合点逼近或远离，实现曲面方便、快捷的动态调整。通过曲面的反复调整、比较，在此过程中选择既完全满足地质证据又最符合地质综合判断的曲面作为该地质曲面相关资料分析解译的成果。

步骤（7）针对在步骤（6）中始终不能得到满意结果的分析，地质人员可返回数据库核实基础资料或者修正定性认识，并重复步骤2~6，以得到符合认识的地质曲面。

步骤（8）是前述步骤2~6（或2~7）的结果，所有的地质资料得到合理解释，分析解译完成并得到相应的反映设计人员最新地质认识的曲面模型。

在步骤（9）中，对三维地质曲面模型进行剖切分析和比较，主要是与当前的工作流程和思维习惯相衔接。在二维校审的基础上，仍然需要重视三维总体趋势的合理性判断。地质曲面作为阶段性地质认识的结果予以保存。

在步骤（10）中，通过所有地质曲面的相互交切运算，得到带有拓扑信息Brep地质体模型，对每一个地质单元体赋予相应的地质属性。该属性的具体内容存储在工程地质数据库中，并与地质单元体形成一一对应关系。作为反映最新地质认识的载体，该步骤的结果是三维地质模型和相应的工程地质数据库。

步骤（11）是三维地质成果的输出。根据下游专业设计进度需要，地质人员按照流程输出三维地质模型和相应的工程地质数据库，这是三维直接输出；或者剖切三维地质模型得到二维图（得到几何信息）并查询工程地质数据库得到相应的地质属性形成规范的注释，自动地构建满足规范要求的二维图件。

步骤（12）是随生产进度、勘察资料逐渐丰富，地质认识进一步深化，基础资料数据库进一步得到充实，需要对地质认识发生变化的区域重复2~9步骤，根据需要重复10~11步骤。

综上，本发明的方案与现有技术相比，其优势体现在：

1、数据采集、分析、管理和输出三维一体化

以标准化表格收集基础资料，并对基础资料进行三维可视化校验，基础资料以表格形式进入数据库，通过数据库在基础资料与三维平台之间的桥梁作用，直接得到三维目标进入三维设计平台。

2、三维可视化解析功能灵活方便

三维可视化分析解释系统功能的灵活、方便程度，直接关系到工程地质三维设计能否实现，是否具有生产实用价值。

具体要求：可以直接在三维环境下开展资料的分析解释工作；分析过程中能够方便灵活地在三维环境中实现地质工程师的判断意图，不依赖于大量辅助的二维分析，也不需要反复修改以解决二维、三维视图的冲突；分析的效率完全满足生产进度的要求；三维模型的修改满足三维协同设计的要求。

3、三维模型的精度满足设计需求

三维模型的精度满足设计要求，是对地质辅助分析、模型构建与修改、模型表达的综合检验。对于水电水利工程地质的一般应用范围，模型的精度不因地质条件的复杂性而降低，能够满足设计要求；随生产进度的模型修改可控可知，局部变形控制能力较强，仅需根据条件变化进行局部修改即可，其他部位不受影响，模型的可靠性较高。

4、地质数据库与空间解析相适应

数据库的设计既要满足基础资料的收集与整理，便于用户的录入和重复利用，也要满足地质数据三维可视化动态分析的要求，适应从基础资料数据库变更为工程地质数据库的渐进过程。

5、与当前的生产流程自然过渡

三维环境下的分析、设计，与当前二维设计流程比较不可能一成不变，但要实现平稳过渡。系统地功能实现要尽量贴合地质工程师的应用习惯，并在试用的基础上总结可行的技术操作流程与管理流程。

6、成果输出规范快捷

目前，设计提供给其它单位的图件多是二维的。作为校审手段和设计成果输出，二维出图在相当长的过渡期内不会消失。因此，设计成果的二维表达要尽量利用三维模型内包含的地质信息，减少重复工作。二维图满足规范要求，方便快捷。三维协同设计时，模型成果输出方便及时。

Claims (6)

1.三维地质模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.按照空间坐标或相对坐标收集工程区地质勘察数据,录入工程地质基础数据库；

b.构建或直接导入三维地形曲面；

c.从工程地质基础数据库中分别提取指定区域内所属地质界面的相关基础资料进入分析平台，形成空间点云；

d.把空间点云实测数据作为控制点，将人为推测得到的趋势点作为参照约束点，采用满足必然通过控制点并逐步逼近参照约束点要求的平滑插值拟合算法，在指定区域内进行插值拟合，得到空间曲面；

e.调整参照约束点的权重，多次重复步骤d，得到多个空间曲面，经过比较后选择既满足地质证据又最符合地质综合判断条件的空间曲面作为设计成果；

f.重复步骤b-e，直至所有的三维地形曲面分析完成，形成三维地质曲面模型。

2.如权利要求1所述的三维地质模型的构建方法，其特征在于，还包括步骤：

g.由地质校审人员对三维地质曲面模型进行二维的剖切分析、比较并判断其三维总体趋势的合理性后，对三维地质曲面模型作为阶段性地质认识的结果予以保存。

3.如权利要求2所述的三维地质模型的构建方法，其特征在于，还包括步骤：

h.设计人员通过曲面互切构建带有拓扑信息的地质模型，赋予地质属性并反馈到工程地质基础数据库。

4.如权利要求1-3任意一项所述的三维地质模型的构建方法，其特征在于，步骤a中，所述地质勘查数据包括地形地貌和基本地质特征：覆盖层分布特征、分层特征、岩性、构造、风化卸荷、水文地质特征。

5.如权利要求1-3任意一项所述的三维地质模型的构建方法，其特征在于，步骤b中，构建或直接导入三维地形曲面是指：如果地形测绘单位已经按照逆向工程的方式形成三维地形曲面并复核校正，则直接导入三维地形曲面；否则，以实测地形点为控制点，以等高线节点为参照拟合点进行拟合的方式构建三维地形曲面。

6.如权利要求1-3任意一项所述的三维地质模型的构建方法，其特征在于，步骤c具体包括：

c1.从工程地质基础数据库中提取相关基础资料进入分析平台，提取数据的范围根据需要进行指定，为全工程区范围或人为判断的更新区；

c2.空间坐标表达的地表数据按照实际坐标进入分析平台，地下线状/面状地质勘探中的数据以与勘探线/面的相对坐标代入，最终均形成空间点云。

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