CN106558100A - 一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法。本发明的目的是提供一种地层建模效率和效果更好的基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，使用该方法无需过多的人工干预，对用户专业素养要求不高，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经验交流，辅助用户进行科学决策和风险规避。本发明的技术方案是：该自动建模方法包括如下步骤：S1：完整层数据和非完整层数据提取；S2：完整层界面创建；S3：完整层实体切分；S4：非完整层界面创建；S5：非完整层实体切分。本发明适用于工民建、地铁、海洋等工程领域的地质勘察。

Description

一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法。适用于工民建、地铁、海洋等工程领域的地质勘察。

背景技术

三维地层建模是地下工程数字化的关键步骤，它是基于各种原始数据，包括地形、钻孔、剖面等工程勘察数据，建立起能够反映建模区地质构造形态、构造要素之间关系以及地质体内部属性变化规律的三维数字化模型。通过合适的可视化方式，该数字化模型不仅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经验交流，还能够基于模型的数值模拟和空间分析，辅助用户进行科学决策和风险规避。

对于基于钻孔数据的三维地层建模与可视化的研究，一直是国内外学者研究的热点。其中最具代表性的是：美国的Lemo A M等采用水平地层法(horizons method)自动构建三维地质体模型，该方法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，该方法后来成为众多基于钻孔数据自动建立三维地质模型的基础。朱良峰等的方法与Lemon大致相同，只是改进了其中的地层高程调整方法，提出了河流侵淤作用下三维地层模型的构建，并从理论上探讨了考虑断层构造后对水平地层法的改进。张煜等则采用三棱柱体元的数据模型，更加详细地讨论了建筑算法中缺失地层的尖灭等处理细节。

从总体上看，这些建模方法要求较多的人工干预，建模过程复杂，对用户专业素养要求较高。对于较大区域内建模、钻孔数目较多、竖向地层层数较多、竖向地层出现岩性重复等情况下，手工解译效率低，且容易出错。根据钻孔数据生成地层面进而生成地质体的方法研究的学者比较多，并且大多数都是对钻孔地层分界面的高程进行处理，得到各个地层面，再通过面与面的剪切、缝合运算得到最终的地质体，然而一旦涉及多个面与面的剪切与缝合，过程将非常复杂，且规律不易掌握。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种地层建模效率和效果更好的基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，使用该方法无需过多的人工干预，对用户专业素养要求不高，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经验交流，辅助用户进行科学决策和风险规避。

本发明所采用的技术方案是：基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于包括步骤：

S1：完整层数据和非完整层数据提取，从钻孔地层数据中先提取地层单元的完整层数据，再从地层单元的完整层分段中提取非完整层数据；

S2：完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元的完整层数据，生成完整层界面；

S3：完整层实体切分，利用完整层界面依序剪切原始地形体，生成完整层实体；

S4：非完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元的非完整层数据，通过虚拟揭露点插值生成非完整层界面；

S5：非完整层实体切分，利用完整层实体内的非完整层界面，依序剪切该完整层实体，生成非完整层实体，剩下未切分的完整层实体和非完整层实体组合构成三维地层模型。

所述步骤S1，首先从钻孔地层数据中提取建模范围内所有钻孔的地层单元分层数据，包括钻孔编号、钻孔段序号和地层代号；然后按所有地层的新老顺序遍历查找出在所有钻孔中均揭露的地层单元，将这些地层单元的底部之间的地层单元集合定义为完整层；

所述步骤S1中的完整层数据是由完整层的底部位置数据、最底层地层代号、起始钻孔段序号集合和终止钻孔段序号集合组成；

其次，在钻孔地层数据的完整层分段中搜索不在所有钻孔中均揭露的地层单元，则定义这些地层单元为非完整层；

所述步骤S1中的非完整层数据来自于对地层单元的完整层分段进行提取，按钻孔段自上而下和地层新老排序，依次提取非完整层的底部位置数据和地层代号。

所述步骤S2和步骤S4中地层界面的创建是通过钻孔地层数据，采用Kriging插值算法，拟合生成较光滑的地质曲面，包括完整层界面和非完整层界面；

完整层界面是指所有钻孔中均揭露某地层的分界面，它是基于完整层数据而创建；

非完整层界面是指所有钻孔中部分揭露的地层分界面，对于地层缺失的钻孔引入虚拟揭露点，对非完整层数据进行补充。

所述步骤S4，在创建非完整层界面时，需在未揭露该非完整层的钻孔中虚拟一个揭露点，且该点位置高于上一地层的底部，使切分的非完整层实体合理表达地层尖灭现象。

所述步骤S3和步骤S5中三维地层模型的自动建模，是通过创建的完整层界面和非完整层界面，对原始地形体分别进行完整层实体切分和非完整层实体切分，并对切分后的地层实体赋予地层和颜色属性，最终完成三维地层模型的自动建模。

本发明的有益效果是：本发明从钻孔地层数据、原始地形体到三维地层模型一键生成，只需用户建好原始地形体、输入完整的钻孔数据即可完成建模，而无需用户对整个建模区域的地质概况很熟悉。将按先完整层实体切分再对完整层实体进行非完整层实体切分，先主后次逐步建立有序地层模型，可以较好避免完整层被破坏。对于地层缺失的钻孔，引入虚拟揭露点，该点高于钻孔地层缺失点位，使得地层在此处尖灭，能较好支持尖灭、透镜体等复杂地层建模。对单个界面进行XY方向等间距Kriging插值使得钻孔间的曲面平滑过渡。采用面剪切体技术，减少了面面剪切与缝合操作，并保证了地层间的无缝拼接。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施例中地层建模参数设置界面；

图3是本发明实施例中原始地形体；

图4是本发明实施例中经过完整层实体切分的地层模型；

图5是本发明实施例中经过完整层实体切分的勘探剖面图；

图6是本发明实施例中经过非完整层实体切分的地层模型；

图7是本发明实施例中经过非完整层实体切分的勘探剖面图；

图8是本发明实施例中经过非完整层实体切分后剥离的地层模型。

具体实施方式

本实施例以地铁站的三维地层建模为例，选用Bentley公司的产品MicroStation作为界面创建、界面剪切等操作的三维平台，所有钻孔地层数据A存储在SQL Server数据库中。

本实施例按照本发明的流程示意图，如图1所示，一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，包括：

S1：设置参数，包括筛选钻孔编号、设定建模范围、设定网格间距等。首先需要设置勘察阶段、工程区，选择要参与建模的钻孔编号，然后设置建模范围，一般默认是工程区范围，并设定合理的网格间距。地铁站的建模区域大小为X方向325m，Y方向330m，近乎正方形，网格间距设置成X方向和Y方向均为10m，本实施例参数设置如图2所示。

钻孔地层数据A包括标准地层中所有地层的总层序和经筛选的钻孔地层数据，总层序是钻孔中所有揭露地层的总的地层年代新老顺序，钻孔地层数据主要是每个钻孔的地层分界数据。从地铁站数据库中读取的标准地层有30层之多，筛选出钻孔数据有50多个，每个钻孔揭露的地层有15层左右。对于如此复杂的地层建模，仅仅依靠专家经验进行手动建模，将会是一项非常复杂的工作。然而通过如下解译与切分方法，将极大减轻用户的工作量，提高建模效率。

有了从钻孔地层数据A中读取的钻孔地层数据，需要定义数据结构进行存储。单个钻孔是由若干按顺序排列的钻孔段组成，其中钻孔段由钻孔段序号、起点坐标、终点坐标、地层代号、地层序号、地层颜色(R、G、B)描述，钻孔段的起点即为上一地层分界点，终点为当前层的地层分界点；而单个钻孔由钻孔编号、当前钻孔段地层序号、累计虚拟厚度、钻孔段集合来描述。钻孔段集合由多个钻孔段构成，每个钻孔段包括钻孔段序号、起点和终点坐标、揭露的地层代号及其唯一的地层序号，还有用以区别不同地层岩性的颜色属性。

完整层是在所有钻孔中均揭露的地层，将该层作为主层，也即相对重要的地层，该地层可以描述整个建模区域主要地层分布概况。从钻孔地层数据A中提取完整层数据，它由完整层的底部位置数据、最底层地层代号、起始钻孔段序号集合、终止钻孔段序号集合组成。

非完整层是所有钻孔中部分揭露的地层，将该层作为亚层，也即相对次要的地层。对于缺失某地层的钻孔，引入虚拟揭露点，该点高于上一地层底部高程，使得该地层在此处尖灭，若两端均出现尖灭，则会形成透镜体。从钻孔地层数据A中提取非完整层数据，它由非完整层的底部位置数据、地层代号构成。

地铁站位于城市人群比较集中地方，所以地势较平缓，如图3所示即为地铁站原始地形体B，这里用线框模式显示。

S2：完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元完整层数据，采用成熟的Kriging插值方法，进行TIN三角网拟合生成完整层界面，使得钻孔间曲面平滑过渡；

S3：完整层实体切分，利用创建好的完整层界面对原始地形体B进行切分。地铁站原始地层实体被切分成5个完整层，如图4所示，为完整层实体C1，也即仅进行完整层切分后的三维模型，这里用线框模式显示。

S4：非完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元非完整层数据，通过虚拟揭露点，采用成熟的Kriging插值方法，进行TIN三角网拟合生成非完整层界面。

S5：非完整层实体切分，利用完整层实体C1内的非完整层界面，依序剪切该完整层实体C1，生成非完整层实体C2。剩下未切分的完整层实体C1和非完整层实体C2组合构成了三维地层模型C。地铁站原始地形体最终被切分成25个地层，如图6所示即为进行非完整层切分后的地层模型，这里用线框模式显示。图8是对图6中的地层模型进行分层显示的效果图，可以更加清楚地了解地层的交切情况。

若想了解某一勘探线下的地层切分，可以对上述生成的三维地层模型进行勘探线垂直切剖面生成二维地质剖面图，如图5和图7分别是图4和图6模型的同一勘探线的剖面图，可以清晰地、直观地帮助用户快速了解地下情况。

综上，经过上述步骤，即可实现钻孔数据三维地层建模。该技术直接从钻孔地层数据A中提取完整层数据和非完整层数据，无需人工干预，依据提取的数据，从钻孔顶端自上而下依次建面，然后将建好的地层面去剪切原始地形体，从而实现三维地层自动切分，能较好的支持尖灭、透镜体等特殊地层，基本满足实际工程需要。

Claims (5)

1.一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于：包括步骤：

S1：完整层数据和非完整层数据提取，从钻孔地层数据(A)中先提取地层单元的完整层数据，再从地层单元的完整层分段中提取非完整层数据；

S2：完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元的完整层数据，生成完整层界面；

S3：完整层实体切分，利用完整层界面依序剪切原始地形体(B)，生成完整层实体(C1)；

S4：非完整层界面创建，依据步骤S1提取的地层单元的非完整层数据，通过虚拟揭露点插值生成非完整层界面；

S5：非完整层实体切分，利用完整层实体(C1)内的非完整层界面，依序剪切该完整层实体(C1)，生成非完整层实体(C2)，剩下未切分的完整层实体(C1)和非完整层实体(C2)组合构成三维地层模型(C)。

2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于：所述步骤S1，首先从钻孔地层数据(A)中提取建模范围内所有钻孔的地层单元分层数据，包括钻孔编号、钻孔段序号和地层代号；然后按所有地层的新老顺序遍历查找出在所有钻孔中均揭露的地层单元，将这些地层单元的底部之间的地层单元集合定义为完整层；

所述步骤S1中的完整层数据是由完整层的底部位置数据、最底层地层代号、起始钻孔段序号集合和终止钻孔段序号集合组成；

其次，在钻孔地层数据(A)的完整层分段中搜索不在所有钻孔中均揭露的地层单元，则定义这些地层单元为非完整层；

所述步骤S1中的非完整层数据来自于对地层单元的完整层分段进行提取，按钻孔段自上而下和地层新老排序，依次提取非完整层的底部位置数据和地层代号。

3.根据权利要求1所述的一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S4中地层界面的创建是通过钻孔地层数据，采用Kriging插值算法，拟合生成较光滑的地质曲面，包括完整层界面和非完整层界面；

完整层界面是指所有钻孔中均揭露某地层的分界面，它是基于完整层数据而创建；

非完整层界面是指所有钻孔中部分揭露的地层分界面，对于地层缺失的钻孔引入虚拟揭露点，对非完整层数据进行补充。

4.根据权利要求3所述的一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于：所述步骤S4，在创建非完整层界面时，需在未揭露该非完整层的钻孔中虚拟一个揭露点，且该点位置高于上一地层的底部，使切分的非完整层实体(C2)合理表达地层尖灭现象。

5.根据权利要求1所述的一种基于钻孔数据的地层模型自动建模方法，其特征在于：所述步骤S3和步骤S5中三维地层模型(C)的自动建模，是通过创建的完整层界面和非完整层界面，对原始地形体(B)分别进行完整层实体切分和非完整层实体切分，并对切分后的地层实体赋予地层和颜色属性，最终完成三维地层模型(C)的自动建模。