CN106981093B - 一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法，包括以下步骤：确定建模区域；获得勘察数据，形成原始样本点集S；对所述建模区域进行平面分区，生成多个子区域，记录区域拓扑关系；基于所述原始样本点集，对各子区域进行差异化约束三角形网格剖分；根据所述区域拓扑关系对各子区域内的样本点进行扩展；获取所述建模区域的地层层序，对各子区域共同边界上的网格节点进行空间插值，获得插值样本点集；依据地层层序，对各子区域进行三维地层模型并行构建；对构建的各子区域三维地层模型进行缝合。与现有技术相比，本发明能有效利用有限的计算机内存完成大区域海量三维地层模型并行构建，具有快速、高效、精确等优点。

Description

一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法

技术领域

本发明涉及一种三维地层建模方法，尤其是涉及一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法。

背景技术

三维地层模型是指基于勘探原始数据及各种解释数据，利用计算机图形学技术和空间变异理论生成的三维定量随机模型。随着计算机技术和地质学的快速发展，三维地层模型已广泛应用于城市规划、国土资源管理、矿山开采、石油勘探、边坡治理等众多工程领域。特别是在整个城市区域、矿区等大范围的精细化三维地层建模领域，已成为常规且必要的工程需求。然后，目前普通计算机的内存空间有限，一般8GB到几十GB不等，大规模地质原始数据一般有GB级别，而在三维地层模型构建过程中会产生大量的中间数据，其量级远超普通计算机的内存空间。

中国专利申请公布号CN 103514631A提出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，但仅局限于钻孔数据，并且模型边界处拼接过渡不够平滑。中国专利申请公布号CN 106097446A提出了一种基于大规模地震数据的三维地质曲面重建方法，部分解决了海量数据三维地质构建的困难，但也仅局限于地质曲面，没有进行三维实体模型重构。

因此，研究一种对于大规模区域进行分区约束耦合的三维地层并行建模的方法已成为三维层建模的迫切需求之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现、快速、高效、精确的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，并可确保各分区边界处空间插值的连续性和平稳性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法，包括以下步骤：

1)确定建模区域；

2)获得勘察数据，形成原始样本点集S，所述原始样本点集中数据的格式为适用于三维地层建模所需的数据格式；

3)对所述建模区域进行平面分区，生成多个子区域，记录区域拓扑关系，每一所述子区域均为一平面封闭区域对象；

4)基于所述原始样本点集，对各子区域进行差异化约束三角形网格剖分；

5)根据所述区域拓扑关系对各子区域内的样本点进行扩展，存储扩展后的适度扩大样本点集S’、三角形网格数据和各子区域共同边界上的网格节点集G；

6)获取所述建模区域的地层层序，对各子区域共同边界上的网格节点进行空间插值，获得插值样本点集I；

7)依据地层层序，利用所述适度扩大样本点集S’和插值样本点集I对各子区域进行三维地层模型并行构建；

8)利用所述区域拓扑关系及网格节点集G对构建的各子区域三维地层模型进行缝合。

所述步骤1)具体为：

101)在XOY平面上，利用二维线段集描述待建模区域的整体平面边界，所述二维线段集所形成的区域为单连通封闭区域；

102)对二维线段集进行首尾连续性排序并存储。

所述步骤2)中，形成原始样本点集S具体为：

201)对所述勘察数据进行有效性检查，所述勘察数据包括工程地质钻孔数据和/或二维地质剖面数据，若数据有误，则建模中止，否则对执行步骤202)；

202)对二维地质剖面数据进行离散，形成一系列的离散钻孔数据，将所述离散钻孔数据与所述工程地质钻孔数据一并形成原始样本点集S。

所述步骤3)中，进行平面分区时，通过以下方式判断各子区域是否为平面封闭区域对象：

301)对所述建模区域边界线和各子区域划分线进行线线求交打断，进成一线段集L；

302)遍历所述线段集L中所有端点的线段引用数，若存在某一端点的线段引用数为1，则建模中止，否则记录各子区域的区域拓扑关系。

所述步骤4)中，差异化约束三角形网格剖分具体为：

401)设定各子区域的网格剖分尺寸和辐射比，所述辐射比值域为(0,1.0]；

402)以原始样本点集S作为网格剖分的约束点，采用Delaunay三角形剖分算法对各子区域进行网格剖分。

所述步骤5)中，对各子区域内的样本点进行扩展的方法包括共同边界法和边界放大法，其中，

所述共同边界法具体为：将与子区域A_i存在共同边界的所有子区域内的原始样本点及子区域A_i内的原始样本点一起作为子区域A_i的适度扩大样本点集；

所述边界放大法具体为：将子区域A_i的边界按设定系数放大，记为子区域A'_i，利用点是否在单连通域内的方法搜索出子区域A'内所有的原始样本点，形成子区域A_i的适度扩大样本点集。

所述步骤5)中，三角形网格数据采用半边数据结构进行存储。

所述步骤6)中，获得插值样本点集I的具体过程为：

601)自下而上提取最底部的一个地层C_i，基于整个区域内原始样本点集S对共同边界上的网格节点集G进行空间插值，计算出各网格节点相对于地层C_i的高程插值h_i；

602)往上移动一个地层，重复步骤601)，直至所有的地层插值完毕，获得每个网格节点相应的一系列高程值h；

603)利用每个网格节点的一系列高程值h，对高程值h从大到小排序，在所述网格节点处形成一个虚拟钻孔；

604)将共同边界点上插值获得的虚拟钻孔作为插值样本点集I。

所述步骤7)中，对子区域A_i进行三维地层模型并行构建具体为：

701)获取A_i对应的三角形网格数据、适度扩大样本点集S'_Ai和插值样本点集I_Ai；

702)自下而上提取最底部的一个地层C_i，将A_i的基础网格记为M_i，基于A_i的适度扩大样本点集S'_Ai和插值样本点集I_Ai对M_i进行空间插值，计算出各网格节点相对于地层C_i的高程插值h_Ai，将网格M_i转换成一张空间曲面网格M'_i；

703)对M'_i进行侧面网格缝合；

704)往上移动一个地层，重复步骤702)-703)，直至所有的地层插值完毕，即构建获得子区域A_i的三维地层模型。

所述步骤8)中，对构建的各子区域三维地层模型进行缝合具体为：

801)提取某一子区域A_i，利用区域拓扑关系查询该子区域A_i的相邻区域集，记为B；

802)利用半边数据结构的特性，遍历子区域A_i地层C_Ai和相邻区域地层C_Bi所有没有半边的半边集E_A和E_B；

803)获取相邻子区域B_j与A_i的共同边界点G，利用共同边界点于半边集E_A和E_B上进行逻辑坐标比较，获得C_Ai与C_Bi相对应的边界节点G_Ai和G_Bi，B_j为相邻区域集B的第j个子域；

804)合并相同边界节点G_Bi和G_Ai：将映射到边界节点G_Bi的半边、面改为映射到节点G_Ai，并将相应的两条半边互设为半边，删除节点G_Bi，实现三维地层C_Bi与C_Ai的缝合；

805)遍历相邻区域集B，重复步骤802)-804)，直至相邻区域集B内所有三维地层与A_i的地层缝合完毕；

806)重复步骤801)-805)，直至建模区域所有子区域的三维地层缝合完毕。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明对建模区域进行分区后对各子区域进行三维地层模型并行构建，能有效利用有限的计算机内存完成大区域海量三维地层模型，技术方案完整且易于实现，自动化程度高，用户干预少。

2)可以实现多台计算机同时分区并行构建三维地层，降低了对计算机内存和存储物理空间的要求，并提高了建模效率。

3)在对各子区域并行建模后，进行分区约束耦合地层建模，可确保分区边界处空间插值的连续性和平滑性。

4)在建模过程中，将许多几何方法描述转化为几何拓扑关系描述，可避免由于计算精度而引起误判。

5)本发明对各子区域进行差异化约束整体三角形网格剖分，各子区域设定不同的网格剖分尺寸和辐射比，精度更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明分区差异化网格剖分示意图，其中(2a)为建模区域示意图，(2b)为分区示意图，(2c)为网格部分后的分区示意图，(2d)为各子区域的共同边界示意图；

图3为本发明半边数据结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法，包括以下步骤：

(1)指定三维地层建模整体平面区域，具体为：

(11)在XOY平面上，利用二维线段集描述三维地层建模的整体平面区域边界，并确保二维线段集所形成的区域系单连通封闭区域；

(12)对二维线段集进行首尾连续性排序，将排序后的二维线段存储至线性容器中，二维线段集即可描述一建模区域，如图(2a)所示。

(2)获取给定建模区域内的工程地质钻孔数据或二维地质剖面数据，对数据有效性进行检查，如数据有误，则退出；否则进行勘察数据预处理，转成三维地层建模所需数据格式，具体为：

(21)获取工程地质钻孔数据或二维地质剖面数据，对数据进行有效性检查；

(22)如果数据有误，则不能进行三维地层建模，反馈错误信息，建模中止，若否，则继续执行步骤(23)；

(23)对二维地质剖面数据进行离散，形成一系列的离散钻孔数据，将所离散的钻孔数据会同原始工程地质钻孔数据一并形成三维地层建模所需的原始样本点集S，并存储于容器中。

(3)对地层建模区域进行平面分区并自动生成平面封闭区域对象，具体为：

(31)依据工程实际需求，利用线性对象对平面建模区域进行分区划分，分区结果应确保各子区域是封闭独立的，如图(2b)所示；

(32)对整体建模区域边界线及分区划分线进行线线求交打断，形成一系列新的线段集L；

(33)对线段集L遍历所有端点的线段引用数，判断第i个端点的线段引用数的值是等于1，若等于1，则表明分区不能确保各子区域是封闭独立的，反馈错误信息，建模中止；若否，则继续执行步骤(34)；

(34)利用线段集L生成各分区的平面封闭子区域对象集A，利用共同边界线构建各子区域间的拓扑关系，将子区域对象A_i、子区域间拓扑关系及共同边界线信息存储于容器中。

(4)如图2所示，基于原始样本点对分区后的各平面区域对象进行差异化约束整体三角形网格剖分，具体为：

(41)设定各平面封闭子区域网格剖分尺寸和辐射比，网格辐射比的值域为(0,1.0]；

(42)不考虑原始样本点的Z坐标，将原始样本点S作为网格剖分的约束点，对整个建模区域进行约束Delaunay三角形网格剖分，如图(2c)所示。

(5)记录各子区域的适度扩大原始样本点集、三角形网格数据、各子区域的共同边界节点，具体为：

(51)利用之前已存储的子区域间拓扑关系，搜索各子区域的适度扩大原始样本点，搜索方法有以下两种：

(511)共同边界法：将与子区域A_i存在共同边界的所有子区域内的原始样本点集及子区域A_i内的原始样本点集一起作为子区域A_i的适度扩大原始样本点集，记为S'_i；

(512)边界放大法：将子区域A_i的边界进行放大，放大系数可以设置，其值应大于1.0，子区域A_i放大后为子区域A'_i，利用点是否在单连通域内的方法搜索出子区域A'内所有的原始样本点集S'_i，将S'_i作为子区域A的适度扩大原始样本点集S'；

判断点p是否则在单连通域U内的方法：自点p随机作一条射线

将射线

逐一与单连通域U的边界线段进行求交，当交点个数为奇数时，则点p位于区域U内或边界上，否则点p位于区域U之外。当交点为区域U的边界线端点时，重新构建射线，重复上述方法。

(52)利用半边数据结构存储各子区域A_i对应的三角形网格数据，此三角形网格数据亦是后面三维地层空间插值的基础网格；

如图3所示，半边数据结构(The Half-Edge Data Structure)的定义：是以一个边为中心的数据结构，每条边被分解成两个方向相反的半边(half edge)，该组织方式能够保存顶点、边和面的关联信息。半边数据结构的特殊设计，最终目的是为了平衡数据存储与信息查找、修改方便，实现信息冗余少，且顶点、边、面的相互快速访问；

半边数据结构中节点数据结构：

半边数据结构中半边数据结构：

半边数据结构中面数据结构：

半边数据结构中网格数据结构：

(53)利用子区域间的拓扑关系及共同边界线，搜索其对应的共同边界节点G，如图(2d)所示；

(54)将确定的各子区域的适度扩大原始样本点集S'、三角形网格数据、各子区域的共同边界节点G的结果存储于容器中。

(6)依据地层层序，基于地层整体原始样本点对各分区共同边界上的网格节点进行空间插值，将共同边界点的插值结果作为插值样本点，存储计算结果，具体为：

(61)提取整个建模区域内的共同边界上的网格节点G，作为空间待插值的点；

(62)依据工程实际确定整个建模区域内的地层层序C，并确保地层层序由下而上排列；

地层层序：地层是指地壳表层成带状展布的层状岩石(土)。一般认为同一地层具有相同地质属性，不同的地层具有不同地质属性。在地球表面成岩过程中，岩层依据先后顺序一层层地沉积下来，通常，年代越久的岩层越在下面，年代较新的再覆盖之上，这样就逐渐形成了有一定层序的地层；

(63)自下而上提取最底部的一个地层C_i，基于整个区域内原始样本点S对共同边界网格节点G进行空间插值，计算出各网格节点G相对于地层C_i的高程插值h_i；

空间插值：通过已知点的数据推求同一区域未知点数据。目前在工程地质中，常用的空间插值算法主要有样条插值法、反向距离插值法、最小曲率法、最近邻点法和克里金插值法等，本实施例中采用克里金插值法。

克里金法的估计公式为：

式中，Z^*(x₀)是在位置x₀的估计值，Z(x_i)是位置的测量值，λ_i是分配给Z(x_i)的残差的权重，n是用于估计过程的测量值的个数。

(64)往上移动一个地层，重复步骤(63)，直至所有的地层插值完毕，至此可以获得每个网格节点相应的一系列高程值h；

(65)利用每个网格节点的一系列高程值h，对高程值h从大到小排序，即可在该网格节点处形成一个虚拟钻孔；

(66)将共同边界点上插值获得的虚拟钻孔作为插值样本点集I，并存储于容器中。

(7)依据地层层序，利用各区域适度扩大原始样本点及共同边界插值样本点，对分区域进行三维地层模型并行构建，具体为：

(71)依据之前划分好的各子区域对地层建模数据进行区域分离，分离后的数据有子区域对象A_i、A_i对应的网格数据、A_i对应的适度扩大原始样本点集S'_i、A_i对应的插值样本点集I_Ai；

(72)依据各区分离的数据即可单独进行该区域内的三维地层模型构建；

单独的方式可以是CPU并行计算，也可以是由不同计算机独自进行。对于内存和存储空间足够的大型服务器可以考虑CPU并行，否则应采用独立计算机单区域计算，这样可以降低计算机对内存和存储物理空间的要求；

(73)构建子区域对象A_i的三维地层时，自下而上提取最底部的一个地层C_i，复制一份子区域对象A_i的基础网格，记为M_i，基于子区域A_i内原始样本S'_Ai和插值样本I_Ai对该区域内的网格节点M_i进行空间插值，计算出各网格节点M_i相对于地层C_i的高程插值h_Ai；

(74)待地层C_i插值完毕后，分区域网格M_i中各节点的高程值即为已知，网格M_i由一张XOY平面网格变成一张空间曲面网格M'_i；

(75)如果后期各子区域地层不需要进行合并，则须对M'_i进行侧面网格缝合，缝合方法见步骤(751)，否则，则不需要；

(751)曲面网格缝合：在空间插值过程中，基础网格M_i(或上一次的插值网格M'_i-1)与插值网格M'_i的差异只是各节点的Z坐标不一致，其它都是一样，故缝合时只需将M_i与M'_i对应的节点相连形成一个空间四边形，再将该空间四边形的一组对角线节点相连，形成两个空间三角形，依次类推，将M_i与M'_i所有对应的节点处理完毕即可将两张曲面网格缝合成一个空间实体网格。

(76)往上移动一个地层，重复步骤(73)-(75)，直至子区域对象A_i中所有的三维地层构建完毕；

(77)同理，重复步骤(73)-(76)，直至所有子区域的三维地层构建完毕。

(8)利用各分区的拓扑关系及共同边界点对各子区域三维地层模型进行快速的缝合，具体为：

(81)待所有子区域的三维地层构建完毕后，利用数据库存储方式将各子区域的三维地层数据存储于服务器上，以备分区三维地层模型合并使用；

(82)利用各分区的拓扑关系及共同边界点对各子区域三维地层模型进行快速的缝合，缝合的方法见步骤(821)-(824)、步骤(825)；

(821)提取某一子区域A_i，利用区域拓扑关系树查询子区域A_i相邻区域集，记为B；

(822)利用半边数据结构的特性，遍历出区域A_i地层C_Ai和相邻区域B地层C_Bi所有没有半边的半边集E_A和E_B；

(823)获取相邻子区域B_j(B_i为相邻区域集B的第j个子域)与A_i的共同边界点G，利用共同边界点G于半边集E_A和E_B上进行逻辑坐标(仅须比较X和Y坐标值)比较，可以快速查询C_Ai与C_Bi相对应的边界节点G_Ai和G_Bi；

(824)合并相同边界节点G_Bi和G_Ai：将映射到节点G_Bi的半边、面改为映射到节点G_Ai，并将相应的两条半边互设为半边，删除节点G_Bi，实现三维地层C_Bi与C_Ai的缝合；

(825)遍历区域集B，重复步骤(821)、步骤(822)、步骤(823)、步骤(824)，直至区域B内所有三维地层与A_i的地层缝合完毕；

(83)重复步骤(82)，直至建模区域所有三维地层缝合完毕。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定建模区域；

2)获得勘察数据，形成原始样本点集S，所述原始样本点集中数据的格式为适用于三维地层建模所需的数据格式；

3)对所述建模区域进行平面分区，生成多个子区域，记录区域拓扑关系，每一所述子区域均为一平面封闭区域对象；

4)基于所述原始样本点集，对各子区域进行差异化约束三角形网格剖分；

5)根据所述区域拓扑关系对各子区域内的样本点进行扩展，存储扩展后的适度扩大样本点集S’、三角形网格数据和各子区域共同边界上的网格节点集G；

6)获取所述建模区域的地层层序，对各子区域共同边界上的网格节点进行空间插值，获得插值样本点集I；

7)依据地层层序，利用所述适度扩大样本点集S’和插值样本点集I对各子区域进行三维地层模型并行构建；

8)利用所述区域拓扑关系及网格节点集G对构建的各子区域三维地层模型进行缝合；

所述步骤6)中，获得插值样本点集I的具体过程为：

601)自下而上提取最底部的一个地层C_i，基于整个区域内原始样本点集S对共同边界上的网格节点集G进行空间插值，计算出各网格节点相对于地层C_i的高程插值h_i；

602)往上移动一个地层，重复步骤601)，直至所有的地层插值完毕，获得每个网格节点相应的一系列高程值h；

603)利用每个网格节点的一系列高程值h，对高程值h从大到小排序，在所述网格节点处形成一个虚拟钻孔；

604)将共同边界点上插值获得的虚拟钻孔作为插值样本点集I。

2.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

101)在XOY平面上，利用二维线段集描述待建模区域的整体平面边界，所述二维线段集所形成的区域为单连通封闭区域；

102)对二维线段集进行首尾连续性排序并存储。

3.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤2)中，形成原始样本点集S具体为：

201)对所述勘察数据进行有效性检查，所述勘察数据包括工程地质钻孔数据和/或二维地质剖面数据，若数据有误，则建模中止，否则对执行步骤202)；

202)对二维地质剖面数据进行离散，形成一系列的离散钻孔数据，将所述离散钻孔数据与所述工程地质钻孔数据一并形成原始样本点集S。

4.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤3)中，进行平面分区时，通过以下方式判断各子区域是否为平面封闭区域对象：

301)对所述建模区域边界线和各子区域划分线进行线线求交打断，进成一线段集L；

302)遍历所述线段集L中所有端点的线段引用数，若存在某一端点的线段引用数为1，则建模中止，否则记录各子区域的区域拓扑关系。

5.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤4)中，差异化约束三角形网格剖分具体为：

401)设定各子区域的网格剖分尺寸和辐射比，所述辐射比值域为(0,1.0]；

402)以原始样本点集S作为网格剖分的约束点，采用Delaunay三角形剖分算法对各子区域进行网格剖分。

6.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤5)中，对各子区域内的样本点进行扩展的方法包括共同边界法和边界放大法，其中，

所述共同边界法具体为：将与子区域A_i存在共同边界的所有子区域内的原始样本点及子区域A_i内的原始样本点一起作为子区域A_i的适度扩大样本点集；

所述边界放大法具体为：将子区域A_i的边界按设定系数放大，记为子区域A'_i，利用点是否在单连通域内的方法搜索出子区域A'内所有的原始样本点，形成子区域A_i的适度扩大样本点集。

7.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤5)中，三角形网格数据采用半边数据结构进行存储。

8.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤7)中，对子区域A_i进行三维地层模型并行构建具体为：

701)获取A_i对应的三角形网格数据、适度扩大样本点集S'_Ai和插值样本点集I_Ai；

702)自下而上提取最底部的一个地层C_i，将A_i的基础网格记为M_i，基于A_i的适度扩大样本点集S'_Ai和插值样本点集I_Ai对M_i进行空间插值，计算出各网格节点相对于地层C_i的高程插值h_Ai，将网格M_i转换成一张空间曲面网格M'_i；

703)对M'_i进行侧面网格缝合；

704)往上移动一个地层，重复步骤702)-703)，直至所有的地层插值完毕，即构建获得子区域A_i的三维地层模型。

9.根据权利要求1所述的分区约束耦合的三维地层并行建模方法，其特征在于，所述步骤8)中，对构建的各子区域三维地层模型进行缝合具体为：

801)提取某一子区域A_i，利用区域拓扑关系查询该子区域A_i的相邻区域集，记为B；

802)利用半边数据结构的特性，遍历子区域A_i地层C_Ai和相邻区域地层C_Bi所有没有半边的半边集E_A和E_B；

803)获取相邻子区域B_j与A_i的共同边界点G，利用共同边界点于半边集E_A和E_B上进行逻辑坐标比较，获得C_Ai与C_Bi相对应的边界节点G_Ai和G_Bi，B_j为相邻区域集B的第j个子域；

804)合并相同边界节点G_Bi和G_Ai：将映射到边界节点G_Bi的半边、面改为映射到节点G_Ai，并将相应的两条半边互设为半边，删除节点G_Bi，实现三维地层C_Bi与C_Ai的缝合；

805)遍历相邻区域集B，重复步骤802)-804)，直至相邻区域集B内所有三维地层与A_i的地层缝合完毕；

806)重复步骤801)-805)，直至建模区域所有子区域的三维地层缝合完毕。

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