CN107192326B - 基于gps数据计算岩层矢量真厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法。所述基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法以岩层矢量厚度通用计算法为基础，经过一系列严谨的数学论证，推导出全新的用GPS数据计算岩层真厚度的矢量公式，即：从而使岩层厚度测量完全摆脱了传统用的测绳及对通视条件要求。与相关技术相比，本发明提供的基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法迎合了地质测量电子信息化大革命的趋势，避免了导线长度、坡度量取记录中出现差错和造假，可以兼容全站仪等各种光电测距仪器所获得的数据。

Description

基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法

技术领域

本发明涉及地质矿藏储量技术领域，尤其涉及基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法。

背景技术

在大比例尺地质剖面测量和固体矿床储量计算中经常遇到岩层厚度计算的问题。可见，岩层厚度的计算十分重要。岩层厚度计算可分为标量法和矢量法。我国早期的岩层厚度计算法以列昂夫斯基公式为主，这些方法的计算结果只有大小，没有方向，而且计算麻烦、速度慢、易出错、效率低。

因此需要对岩层厚度计算公式进行改进，提供一种新的于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术问题，设计一种基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，可使岩层厚度测量完全摆脱了传统用的测绳及对通视条件要求。

本发明提供基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，包括：

步骤1，在产状或岩性变化处定位并进行地质记录，该记录包括在岩石断层或褶皱处从一岩层层面到另一岩层层面做垂线计算出各岩层矢量真厚度，岩层矢量真厚度采用(X)式计算公式计算：

其中，某次测量(两点之间)所控制的某一岩层矢量真厚度，X：两GPS经度差对应的X轴上的距离，具体为前后测点在经度上的投影距离；Y：两GPS纬度差对应的Y轴上的距离，具体为前后测点在纬度上的投影距离；Z：两GPS点高程差，λ：岩层倾向方位角，β：岩层真倾角；

步骤2，将样品采集计算结果进行编号；

步骤3，将编号资料输入计算机，并制作出地质剖面图或柱状图。

优选的，在步骤1中，地质记录包括岩性描述和产状量取。

优选的，在步骤1中，所述定位采用罗盘和GPS定位仪。

与相关技术相比，本发明提供的基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法具有以下有益效果：

一、具有十分广泛的应用前景，迎合了地质测量电子信息化大革命的趋势；避免了导线长度、坡度量取记录中出现差错和造假；可以兼容全站仪等各种光电测距仪器所获得的数据；GPS数据不存在多点累计误差，其精度相对传统法更具优势；

二、GPS原始数据即为GPS电子信息数据，更加适用无纸化办公的趋势；

三、采用由GPS数据定点填制的地质图，在远离剖面线区域内，合理挑选一些有岩层产状的岩层分界点，则可在图上截取制作虚拟地质剖面图，计算出真实可靠的岩层真厚度，简单快捷，效率高。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的导线与坐标关系平面图；

图2为根据本发明一实施例的导线立体空间关系图；

图3为根据本发明一实施例的当ε＞0时，导线在OCE上的投影示意图；

图4为根据本发明一实施例的当ε＜时，导线在OCE上的投影示意图；

图5根据本发明一实施例的当ε≥0时，导线在OCE面上的投影示意图；

图6为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向铅垂面上的投影线与平面夹角大于岩层倾角时剖面示意图；

图7为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向铅垂面上的投影线与平面夹角小于岩层倾角时剖面示意图；

图8为根据本发明一实施例的X-Y与X’-Y’坐标系及导线关系平面示意图；

图9为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向的铅垂面上的投影线与水平面夹角大于岩层倾角时的截面示意图；

图10为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向的铅垂面上的投影线与水平面夹角小于岩层倾角时的截面示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例

基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，包括：

步骤1，在产状或岩性变化处定位并进行地质记录，定位采用GPS定位仪，地质记录包括岩性描述和使用罗盘量取产状。岩层矢量真厚度采用(X)式计算公式计算：

其中，某次测量(两点之间)所控制的某一岩层矢量真厚度，X：两GPS经度差对应的X轴上的距离，Y：两GPS纬度差对应的Y轴上的距离，Z：两GPS点高程差，λ：岩层倾向方位角，β：岩层真倾角。

步骤2，将样品采集计算结果进行编号；

步骤3，将编号资料输入计算机，并制作出地质剖面图或柱状图。步骤1中(X)式推导过程：

首先，将(A)式简化为(B)式：

现有技术岩层矢量真厚度的采用(A)式计算：

其中：

某次测量(两点之间)所控制的某一岩层矢量真厚度

L：该次测量的导线长度(两点之间的距离)

β：所测岩层的真倾角

ε：导线前进方向上的地面坡度角(后一点对于前一点的坡角)

λ：所测岩层的倾向方位角

γ：该次测量中导线前进方向方位角(后一点对于前一点的方位角)

请同时参阅图1和图2，其中图1为根据本发明一实施例的导线与坐标关系平面图，图2为根据本发明一实施例的导线立体空间关系图。O为起点，A为终点，O-A相当于传统方式中的导线号N-N+1中的N号点和N+1号点。也即，GPS中的N点和N+1点。

OB为O点所在水平面和O点所在岩层层面之相交线(岩层走向线)；同样，CA为A点所在水平面和A点所在岩层层面之相交线。

过O点，做垂直于OB的平面，交CA线于C、过C点做铅垂线交O点所在水平面于E；过A点，做垂直于AC的平面，交OB线于B、过A点做铅垂线交O点所在水平面于D。

现以O为坐标原点，OE为Y′轴，以岩层倾向方向为正，也即导线前进方向与岩层倾向之间的夹角为锐角时为Y′值为正，钝角时为负；OB为X′轴，OE在水平面上按顺时针旋转90度方向为正，过O点且垂直于O所在的水平面的直线为Z′轴(上正下负)，如此建立临时过渡立体坐标系。对于O-A导线来说，Y′＝OE、X′＝OB、Z′＝OF＝EC；OE方向代表所测岩层的倾向、OD方向代表导线前进方向、角EOD代表所测岩层的倾向方位角与导线前进方向方位角之间的夹角、角AOD代表导线前进方向上的地面坡角。

由此可知，O点所在岩层层面到A点(也即C点)所在岩层层面之间的距离，就等于两岩层层面在OCE(BAD)面上的交线之间的距离。

如果按两层面之间的上下关系约定并赋予正负内涵，该距离就是两层面之间的矢量真厚度。

将(A)式坐标数据化：

(B)式是建立在导线长度、地面坡度、导线前进方向等众多数据基础上的一个简单的过渡公式。X′轴上的信息和岩层倾向等都无法识别和读取，具有一定的局限性。但这种局限可通过其扩展(X)式得到补充和完善。

由此完成了将(A)式简化为(B)式。

(B)式证明过程如下：

水平岩层

因β＝0，(B)式变为L恒为正。当ε为零时，sinε＝0.导线沿层面前进，岩层厚度为零；当ε为正时，L·sinε必为正值，表示自下部岩层向上部岩层所测的厚度。反之亦然。

直立岩层

因β＝90，(B)式变为由图2可见，OBDE为一水平面，ACED铅垂面为A点所在的岩层层面，OE⊥ACED，点O到ACED面的距离等于OE，OE等于Y′，其正负由人为规定的岩层倾向确定。

倾斜岩层

1)导线前进方向与岩层走向相同：请同时参阅图2、图3、图4，其中，图3为根据本发明一实施例的当ε＞0时，导线在OCE上的投影示意图；图4为根据本发明一实施例的当ε＜时，导线在OCE上的投影示意图。

此时ED与OB重合，AD＝CO，Y′＝0，

(1)ε＝0，sinε＝0，则在走向方向上水平前进，OF＝OC＝0，两层面重叠，两点之间所控制的厚度为零。

(2)ε＞0，如图3所示，sinε为正，岩层厚度

OF＝OC·cosβ＝L·sinε·cosβ亦为正；当ε＝90时，L＝OC，岩层厚度OF＝L·cosβ。OF为自下部岩层向上部岩层之厚度。

(3)ε＜0，如图4所示，sinε为负，岩层厚度

OF＝OC·cosβ＝L·sinε·cosβ亦为负；当ε＝-90时，L＝OC，岩层厚度OF＝-L·cosβ。OF为自上部岩层向下部岩层之厚度。

2)导线前进方向与岩层倾向之间的夹角为锐角

请参阅图5根据本发明一实施例的当ε≥0时，导线在OCE面上的投影示意图。

(1)ε≥0，如图5所示，OE为Y′，恒为正；EC为Z′。岩层厚度因Y′、Z′、sinβ、cosβ均为正值，故为正。OC为自下部岩层向上部岩层所测的岩层真厚度。ε＝0时，Z′＝0，Y′＝OG。当ε＝90时，Y′＝0，Z′＝OJ。

(2)ε＜0，JC为Y′；OJ为Z′为负值。岩层厚度即为：

当导线在垂直于岩层走向线的铅垂面上的投影线与水平面的夹角OCJ大于岩层倾角ICJ时，如图6所示，图6为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向铅垂面上的投影线与平面夹角大于岩层倾角时剖面示意图。JI始终包含于MJ之中，其绝对值小于MJ。为负值。OC为自上部岩层向下部岩层所测的岩层真厚度；当导线在垂直于岩层走向线的铅垂面上的投影线与水平面的夹角OCJ小于岩层倾角ICJ时，如图7所示，图7为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向铅垂面上的投影线与平面夹角小于岩层倾角时剖面示意图。MJ始终包含于JI之中，其绝对值小于JI。为正值。OC为自下部岩层向上部岩层所测的岩层真厚度；当导线在垂直于走向线的铅垂面上的交线与水平面的夹角OCJ等于岩层倾角时，JI＝MJ＝0，岩层厚度为零。

3)导线前进方向与岩层倾向之间的夹角为钝角

(1)通过颠倒起点-终点的方式将导线前进方向与岩层倾向之间的夹角由锐角变为钝角。借助锐角的证明来证明(B)式同样适用于钝角。

起点-终点的颠倒，必然伴随着Y′值和Z′值(地面坡角不为零时)正负的改变。岩层厚度的的绝对值虽然不变，但矢量也随之颠倒。

①地面坡角不为零

②地面坡角为零

当地面坡角为零，则Z′必然为零

同理，

(2)通过对岩层倾向做180度旋转的方式将导线前进方向与岩层倾向之间的夹角由锐角变为钝角。

此种情况为(B)式的一个盲点。但从图8、图9、图10中可以看出，其中，图8为根据本发明一实施例的X-Y与X’-Y’坐标系及导线关系平面示意图；图9为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向的铅垂面上的投影线与水平面夹角大于岩层倾角时的截面示意图；图10为根据本发明一实施例的导线在垂直于岩层走向的铅垂面上的投影线与水平面夹角小于岩层倾角时的截面示意图。

如果把Y′转换到X-Y坐标系上，问题就会得到解决：

Y′＝HF+FA′＝X·sinλ+Y·cosλ

因为sin(π+λ)＝-sinλ；cos(π+λ)＝-cosλ

所以岩层倾向做180度旋转后，

当起点岩层为下，终点为上部岩层时，GL为正，反之为负。

再由(B)式扩展为(X)式：

GPS坐标的Y轴与地理坐标的0度(360度)重合，(B)式中的Y′轴指向地理坐标的岩层倾向方位角，二者之间的夹角正好等于岩层倾向方位角。

因为Z坐标是通用的，Z′＝Z，所以根据平面坐标转换公式：

X′＝X·cosλ-Y·sinλ

Y′＝Y·cosλ+X·sinλ

(B)式：

最后得到(X)式：

因为(B)式和(C)式包括了所有可能出现的各种岩层与两测点之间的关系。利用Y·cosλ+X·sinλ＝Y′，即可把(X)式变为(B)式，(B)式已经被证明；当λ＞180时，(X)式就变为(C)式。所以(X)式可行。

对比例

用(A)式、(X)式分别对同一岩层的岩层厚度进行计算，其结果显示(X)式更为精确，从另一角度也证明了(X)式完全适用于岩层真厚度的计算。计算结果对比分析表见表1、表2。

表1：(A)式与(X)式实测数据计算结果对比表

表2：(A)式与(X)式虚拟数据计算结果对比表

从以上可以看出，GPS法是建立在岩层厚度的矢量法计算通式的基础，本文通过直接或间接方法均能建立该法，由此说明本文建立的借助于GPS数据的新的岩层真厚度矢量计算公式具有普适性，且计算更为简单、精准。

以上提及的术语解释如下：

岩层真厚度：指自一岩层层面上的点A向另一层面做垂线交于B点，AB之间的距离即为该两层面所包含的岩层厚度。

水平岩层是指：两岩层层面在铅垂面上的交线之间的距离。

直立岩层：指两岩层层面在水平面上的交线之间的距离。

倾斜岩层：指两岩层层面在垂直于走向线的铅垂面上的交线之间的距离。

岩层矢量真厚度：指规定由下部岩层到上部岩层所测得的岩层真厚度为正厚度，由上而下则为负厚度；反之亦然。

与相关技术相比，本发明提供的基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法具有以下有益效果：

一、具有十分广泛的应用前景，迎合了地质测量电子信息化大革命的趋势；避免了导线长度、坡度量取记录中出现差错和造假；可以兼容全站仪等各种光电测距仪器所获得的数据；GPS数据不存在多点累计误差，其精度相对传统法更具优势；

二、GPS原始数据即为GPS电子信息数据，更加适用无纸化办公的趋势；

三、采用由GPS数据定点填制的地质图，在远离剖面线区域内，合理挑选一些有岩层产状的岩层分界点，则可在图上截取制作虚拟地质剖面图，计算出真实可靠的岩层真厚度，简单快捷，效果高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，其特征在于，包括：

步骤1，在产状或岩性变化处定位并进行地质记录，该记录包括在岩石断层或褶皱处从一岩层层面到另一岩层层面做垂线计算出各岩层矢量真厚度，岩层矢量真厚度采用(X)式计算公式计算：

其中，某次测量(两点之间)所控制的某一岩层矢量真厚度，X：两GPS经度差对应的X轴上的距离，具体为前后测点在经度上的投影距离；Y：两GPS纬度差对应的Y轴上的距离，具体为前后测点在纬度上的投影距离；Z：两GPS点高程差，λ：岩层倾向方位角，β：岩层真倾角；

步骤2，将样品采集计算结果进行编号；

步骤3，将编号资料输入计算机，并制作出地质剖面图或柱状图。

2.根据权利要求1所述的基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，其特征在于，在步骤1中，地质记录包括岩性描述和产状量取。

3.根据权利要求1所述的基于GPS数据计算岩层矢量真厚度的方法，其特征在于，在步骤1中，所述定位采用GPS定位仪。