CN103514631B - 基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法涉及一种工程地质三维模型的构建方法，将大范围建模分为若干网格式小区域分别进行模型构建，提高了建模方法支持的单次输入钻孔数，能够实现基于海量钻孔数据的三维地质模型构建，由于单个网格建模区域相对较小，在单个网格内进行模型构建时可以插入更加密集的控制点，构建更加细致的全建模区域主TIN，从而提高构建的三维模型的精度，增强三维地质界面的美观效果，能够很好地提高三维地质模型的质量，由于单个网格区域内三维地质模型的构建相互独立，可并行计算多个网格内的模型，充分利用了计算资源，提高了建模效率，由于采用了近邻插值算法，保证了网格间三维地质模型能够无缝拼接。

Description

基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法

技术领域

本发明涉及一种工程地质三维模型的构建方法，特别是涉及一种基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法。

背景技术

三维地质建模以各种原始数据为基础，建立起能够反映地质构造形态、构造关系以及地质体内部属性变化规律的数字化模型，这些原始数据包括钻孔、剖面、地震数据、等深图、地质图、地形图、物探数据、化探数据、工程勘察数据、水文监测数据等，通过适当的可视化方式，该数字化模型能够展现虚拟的真实地质环境，帮助用户对地质环境进行直观理解，方便不同层次用户之间的思想交流，更重要的是，基于模型的数值模拟和空间分析，能够辅助用户进行科学决策和风险规避。钻孔数据是地质中最常见且最简单的数据，利用钻孔数据直接建立三维地质模型是国内外学者的研究焦点，其中，水平地层法较为成功，它能自动构建三维地质体模型，可处理地层缺失的情况，还能够以添加相邻钻孔间剖面的方式加入人工经验，但不能建立含有断层构造的地质模型，水平地层法是后来众多基于钻孔数据自动建立三维地质模型方法的基础。

在实际地质工作中，时常面临如何利用海量的钻孔数据进行海量三维地质模型构建的问题，现有技术中，根据地层缺失情况，将整个研究区域在垂直方向上动态划分为若干子块，分块处理海量数据，提高了建模效率，该方法针对海量钻孔建模时，其参考TIN（TriangulatedIrregularNetwork，不规则三角网）的点数和三角形数目可能十分巨大，从而为空间坐标插值带来困难，可能造成插值速度异常缓慢或者插值失败，从而影响三维地质模型的效率和质量。

现有的水平层面法与以它为基础的三维地质建模方法，能够处理基于钻孔数据三维地质模型构建，但都将钻孔数据作为一次性输入，经过运算后统一输出三维地质模型，在钻孔数目较多如大于1000的时候，建模方法效率将随着输入钻孔数据量的增大而迅速降低，或者由于钻孔数目过大而导致上述建模方法计算过程中受到计算机内存大小限制，从而无法很好地实现基于海量钻孔数据的大范围三维地质模型构建。

为了进行海量钻孔数据的大范围三维地质模型构建，可将整个建模区域在水平方向上分为若干小区域分别进行模型构建，最后将各小区域模型进行拼合，采用这种分而治之思路，可以突破计算机内存的限制，但现有技术并不能保证相邻小区域之间的三维地质模型能够做到无缝拼接，因此，并未从真正意义上完全解决利用海量钻孔数据进行大范围三维地质模型构建的技术难题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够利用海量钻孔数据来构建三维地质模型的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，包括步骤一、为各钻孔数据的地层分界点赋予地层编号；其特征在于还包括以下步骤：

步骤二、将建模区域划分为N个镶嵌式网格，所述N为正整数；

步骤三、建立钻孔平面三角网；

步骤四、建立全建模区域主TIN；

步骤五、并行构建所述全建模区域中各个镶嵌式网格内的地质模型；

步骤六、将各镶嵌式网格内的地质模型置于统一的空间坐标系中，将各镶嵌式网格的地质模型进行网间拼合；

所述并行构建全建模区域中单个镶嵌式网格内的地质模型按以下步骤进行：

S1、获取镶嵌式网格内第一主TIN；

S2、筛选出与镶嵌式网格内模型构建相关的钻孔子集；

S3、采用插值算法生成所述镶嵌式网格内第一主TIN中各点的高程值，得到第一主TIN逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面；

S4、对所述各三维地层面进行求交并计算各三维地层面之间的交线；

S5、对所述单个镶嵌式网格内第一主TIN进行加密；

以所述单个镶嵌式网格内第一主TIN各个三角形边作为第一约束线，将各三维地层面之间的交线投影到二维平面作为第二约束线，将第一约束线和第二约束线进行Delaunay三角剖分得到镶嵌式网格内第二主TIN；

S6、采用近邻插值算法生成镶嵌式网格内第二主TIN中各点的高程值，得到第二主TIN中逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面；

S7、通过调整步骤S6中各个三维地层面的高程，消除各个三维地层面的相交；

S8、将步骤S7中编号相邻的两个三维地层面进行缝合，生成垂向的侧面，并去除两个三维地层面之间厚度为0的部分；

步骤一中所述钻孔数据为竖直钻孔数据。

由于将大范围建模分为若干网格式小区域分别进行模型构建，在保证相邻小区域之间的三维地质模型能够做到无缝拼接的同时提高了建模方法支持的单次输入钻孔数目上限，因此，能够实现基于海量钻孔数据的三维地质模型构建。

较佳的，所述步骤五采用OpenMP并行构建所述全建模区域主TIN中镶嵌式网格内的地质模型。各网格区域内可独立进行三维地质模型构建，互不干扰，由于采用并行计算方式，充分利用可用的计算资源，能够极大的提高建模效率。

较佳的，所述步骤S3中采用的插值算法为近邻插值算法。

较佳的，所述步骤一中，表示同一个地层面的钻孔地层分界点的地层编号相同且同一钻孔中的地层编号从上往下依次严格递增。

本发明的有益效果是：本发明将大范围建模分为若干网格式小区域分别进行模型构建，提高了建模方法支持的单次输入钻孔数，能够实现基于海量钻孔数据的三维地质模型构建，由于单个网格建模区域相对较小，在单个网格内进行模型构建时可以插入更加密集的控制点，构建更加细致的全建模区域主TIN，从而提高构建的三维模型的精度，增强三维地质界面的美观效果，能够很好地提高三维地质模型的质量，由于单个网格区域内三维地质模型的构建相互独立，可并行计算多个网格内的模型，充分利用了计算资源，提高了建模效率，由于采用了近邻插值算法，保证了网格间三维地质模型能够无缝拼接，为大范围海量三维地质模型的构建与拼接提供了支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一具体实施方式的流程示意图；

图2是本发明实施例中建模原始数据的平面分布示意图；

图3是本发明实施例中镶嵌式网格划分及网格编号示意图；

图4是本发明实施例中钻孔平面三角网示意图；

图5是本发明实施例中邻接点示意图；

图6是本发明实施例中建立的全建模区域主TIN示意图；

图7是本发明实施例中单个网格内主TIN获取结果示意图；

图8是本发明实施例中近邻插值算法采样点选取示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，包括：

步骤一、为所有钻孔上的每个地层分界点赋予地层编号；表示同一个地层面的钻孔地层分界点的地层编号相同且同一钻孔中的地层编号从上往下依次递增；本实施例中，所述钻孔数据为竖直钻孔数据，即完全垂直于水平面的钻孔数据，单个钻孔内各地层分界点具有同样的横纵坐标。

步骤二、将建模区域划分为N个镶嵌式网格，所述N为正整数；将建模区域的平面边界用多边形表示，单个镶嵌式网格的形状为多边形，网格间紧密相邻、互不重合，所有网格拼合后正好镶嵌覆盖整个平面建模区域；较佳地，单个网格的形状划分为三角形或四边形；如图2所示，本发明实施例中建模原始钻孔数据表示为圆圈，将建模区域的平面边界用多边形表示，一种可能的镶嵌式网格划分结果及其相应的网格编号见图3。

步骤三、建立钻孔平面三角网；如图4所示，钻孔平面三角网由钻孔平面位置点进行Delaunay三角剖分而形成，旨在建立各个钻孔之间的连结关系。本实施例中均采用垂直钻孔，其在平面上的投影为一个点，利用钻孔平面三角网中的点与点之间的拓扑邻接关系来反映垂直钻孔之间相互的拓扑邻接关系。

在钻孔平面三角网中，与任意一点A在同一个三角形中所有三角形点（包括点A自身）构成的不重复点集合，称为点A的1阶邻接点集合，点A的n阶邻接点集合为点A的n-1阶邻接点集合中各个点的1阶邻接点重新构成的不重复点集合，点集合S的n阶邻接点集合为S中各个点的n阶邻接点集合重新构成的不重复点集合。根据钻孔及其平面位置之间的一一映射关系，即可找出某个钻孔或钻孔集合的n阶邻接钻孔集合。如图5所示，一钻孔平面三角网，其中的各个三角形点编码为A～Q，点A的1阶邻接点集合为点A～H，点A的2阶邻接点集合为点A～M，点A的3阶邻接点集合为点A～Q。假设点集合S包含点A～D，则S的1阶邻接点集合为点A～M，S的2阶邻接点集合为点A～Q。

步骤四、建立全建模区域主TIN；全建模区域主TIN是将表示建模区域平面边界的多边形进行三角剖分后形成的不规则三角网；以全建模区域边界多边形作为约束边和剖分边界，以各镶嵌网格的各个边作为约束线，以平面加密控制点和各钻孔的平面位置为约束点，采用约束Delaunay三角剖分方法，即可建立全建模区域主TIN。本发明实施例中建立的全建模区域主TIN如图6所示。

步骤五、并行构建所述全建模区域中各个镶嵌式网格内的地质模型；所有镶嵌式网格内的地质模型组成了完整的三维地质模型，由于采用了近邻插值算法，使得位于网格边界处的同一地层面的插值点具有相同的采样点集合，计算得到的高程值也相同，从而保证了相邻网格间的三维模型的无缝拼接；较佳地，采用OpenMP技术，在具有多核/多CPU的单主机上，并行构建所述全建模区域主TIN中镶嵌式网格内的地质模型；显而易见地，所述的模型网格式并行构建，并不限于OpenMP，采用其他并行计算技术，也可实现模型的网格式并行构建。

步骤六、将各镶嵌式网格内的地质模型置于统一的空间坐标系中，实现各个镶嵌式网格内的地质模型的网间拼合，得到全建模区域内完整的三维地质模型。由于各网格间模型可以无缝拼接，拼合后全区域的三维地质模型过渡平滑，视觉上没有拼接的痕迹。

所述步骤五中并行构建全建模区域中单个镶嵌式网格内的地质模型按以下步骤进行：

S1、获取镶嵌式网格内第一主TIN；如图7所示，其中的网格编号1-10继承自图3，钻孔编号A-Q继承自图5，为获取编号为7的镶嵌式网格内的第一主TIN，从全建模区域主TIN中抽取位于表示网格7的平面多边形内的部分，其结果如图7所示。

S2、筛选出与镶嵌式网格内模型构建相关的钻孔子集；从海量钻孔数据中，筛选出与该网格内模型构建相关的钻孔子集，首先通过网格的边界筛选出位于网格内的钻孔集合S，然后可通过获取S的n阶邻接钻孔集合，n>0，筛选出邻接钻孔集合S’参与该网格的模型构建。n的取值越大，则钻孔对其周边三维地质模型的影响越大。如图7所示，网格7内钻孔集合S包含A～D共计4个钻孔，结合图5中钻孔平面三角网所示的钻孔点邻接关系，取S的1阶邻接钻孔集合，筛选出的邻接钻孔集合S’包含A～M共计13个钻孔，用于该网格内模型的后续构建。

S3、采用近邻插值算法生成所述镶嵌式网格内第一主TIN中各点的高程值，得到第一主TIN逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面；近邻插值算法属于局部插值算法的一种，设定α为网格内第一主TIN中的地层面，U为位于该地层面的点，根据U的平面坐标，采用如下方法计算：从步骤三得到的钻孔平面三角网中选取唯一一个包含U的三角形T，如果这样的三角形不存在，则选取步骤二得到的钻孔平面三角网中重心距离点U最近的三角形T；取该三角形T的三个顶点n阶邻域点集合对应的钻孔集合为S；取钻孔集合S中与地层面α具有相同编号的钻孔分层点集合W作为采样点集合，以各采样点的XYZ坐标建立插值函数，根据点U的XY坐标求取其高程坐标。其中n取值为1，当然n也可以为其他正整数，插值函数可根据已有成熟理论的插值方法如距离反比法、样条函数法等建立，其为现有技术，本领域的技术人员能够准确理解其含义。

如图8所示，对网格7中主TIN上一点U进行高程插值时，根据U点的平面XY坐标，判断出点U唯一位于钻孔平面三角网的ABH三角形中；取三角形ABH的三个顶点的1阶邻域点集合对应的钻孔集合S，则S包含了图8中的A～J共计10个钻孔，它们将作为U点插值时的采样钻孔，参与U点的高程值的插值求取，而其他钻孔则对U点的高程值计算无关。

S4、对步骤S3所述各三维地层面进行求交并计算各三维地层面之间的交线；为方便对地层面相交进行后续处理，首先需要求取地层面之间的交线，地层面由同一主TIN插值生成，因此三维地层面的求交即为三角形之间的交线求取，且为若干对位于相同三棱柱内的三角形对之间进行两两求交，地层面之间求交结果为若干三维线段。

S5、对所述单个镶嵌式网格内第一主TIN进行加密；

以所述单个镶嵌式网格内第一主TIN各个三角形边作为第一约束线，将各三维地层面之间的交线投影到二维平面作为第二约束线，将第一约束线和第二约束线进行Delaunay三角剖分得到所述单个镶嵌式网格内第二主TIN；

S6、采用近邻插值算法生成镶嵌式网格内第二主TIN中各点的高程值，得到第二主TIN中逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面；

S7、通过调整步骤S6中各个三维地层面的高程，消除各个三维地层面的相交；按从下往上的顺序，将相邻编号的两个地层面之间垂向对应点进行高程比对和调整，即当地层编号为a的三维地层面内点P高程值小于地层编号为a+1的三维地层面内与P垂直对应的点P’的高程值时，将P’的高程值赋给点P的高程值，否则不需要任何调整。

S8、将所述步骤S7中编号相邻的两个三维地层面进行缝合，生成垂向的侧面，并去除两个三维地层面之间厚度为0的部分；该垂向的侧面与各三维地层面共同拼合成三维地质体模型。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，包括步骤一、为各钻孔数据的地层分界点赋予地层编号；其特征在于还包括以下步骤：

步骤二、将建模区域划分为N个镶嵌式网格，所述N为正整数，将建模区域的平面边界用多边形表示，单个镶嵌式网格的形状为多边形，网格间紧密相邻、互不重合，所有网格拼合后正好镶嵌覆盖整个平面建模区域；

步骤三、建立钻孔平面三角网；

步骤四、建立全建模区域主TIN；

步骤五、并行构建所述全建模区域中各个镶嵌式网格内的地质模型；

步骤六、将各镶嵌式网格内的地质模型置于统一的空间坐标系中，将各镶嵌式网格的地质模型进行网间拼合，得到全建模区域内完整的三维地质模型；

所述并行构建全建模区域中单个镶嵌式网格内的地质模型按以下步骤进行：

S1、获取镶嵌式网格内第一主TIN；

S2、筛选出与镶嵌式网格内模型构建相关的钻孔子集；

S3、采用近邻插值算法生成所述镶嵌式网格内第一主TIN中各点的高程值，得到第一主TIN逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面，设定α为网格内第一主TIN中的地层面，U为位于该地层面的点，根据U的平面坐标，采用如下方法计算近邻插值算法的采样点集合：从步骤三得到的钻孔平面三角网中选取唯一一个包含U的三角形T，如果这样的三角形不存在，则选取步骤二得到的钻孔平面三角网中重心距离点U最近的三角形T；取该三角形T的三个顶点n阶邻域点集合对应的钻孔集合为S；取钻孔集合S中与地层面α具有相同编号的钻孔分层点集合W作为采样点集合；

S4、对所述各三维地层面进行求交并计算各三维地层面之间的交线；

S5、对所述单个镶嵌式网格内第一主TIN进行加密；

以所述单个镶嵌式网格内第一主TIN各个三角形边作为第一约束线，将各三维地层面之间的交线投影到二维平面作为第二约束线，将第一约束线和第二约束线进行Delaunay三角剖分得到镶嵌式网格内第二主TIN；

S6、采用近邻插值算法生成镶嵌式网格内第二主TIN中各点的高程值，得到第二主TIN中逐点高程调整后生成的单个三维地层面；循环遍历各地层编号，生成所述单个镶嵌式网格内的所有三维地层面；

S7、通过调整步骤S6中各个三维地层面的高程，消除各个三维地层面的相交；

S8、将步骤S7中编号相邻的两个三维地层面进行缝合，生成垂向的侧面，并去除两个三维地层面之间厚度为0的部分；

步骤一中所述钻孔数据为竖直钻孔数据。

2.如权利要求1所述的基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，其特征是：所述步骤五采用OpenMP并行构建所述全建模区域主TIN中镶嵌式网格内的地质模型。

3.如权利要求1所述的基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，其特征是：所述步骤S3中采用的插值算法为近邻插值算法。

4.如权利要求1所述的基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法，其特征是：所述步骤一中，表示同一个地层面的钻孔地层分界点的地层编号相同且同一钻孔中的地层编号从上往下依次递增。