CN107481320A - 一种三维地质建模的无网格法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维地质建模的无网格法，包括利用离散点插值建立地层界面的方法、利用地质剖面中所获得的数据校对优化地层界面的方法、利用地层线延伸优化特殊地质情况的方法，利用BSP(二叉空间分割Binary Space Partitioning)矢量剪切技术裁剪模型边界的方法以及利用空间离散点插值赋予相关属性值的方法。本发明能快速实现三维地质模型的构建，兼顾建模精度的同时还能表达地质体内部的某些复杂性特征，如尖灭、透镜体以及岩土体密度变化等。本发明与传统以网格为基础的建模方法相区别，直接利用离散点作为基本单元，省去了网格划分与建模重构的繁杂，提高建模效率。

Description

一种三维地质建模的无网格法

技术领域

本发明涉及一种三维地质建模的无网格法。

背景技术

三维地质建模技术是地质与工程信息化的重要组成部分，有助于地质演化分析、资源开发利用以及工程安全保障研究。其目的是为了建立能够反映地质形态、构造关系以及地质体内部属性变化规律的数字化模型，包含构造模型(结构模型)和属性模型。构造模型刻画地质体的形态特征，属性模型实现对地质体不均一性的表达。

目前三维地质建模主要基于三种数据模型：(1)面模型，如不规则三角网(TIN)模型；(2)体模型，其中包含规则体元(如结构实体几何(CSG)模型)和不规则体元(如四面体格网(TEN)模型)两个部分；(3)混合集成模型，如TIN-CSG混合模型。总体思路是采用“点→面→体”的基本过程，对现实世界的三维地质实体进行模拟。原始数据来源可以是地质钻孔数据、由剖面所获得的数据、地震数据以及其他地质数据。

基于钻孔数据的建模可以完成对较规则的连续层状地质体的模拟，但是实际地质体中一般都包含尖灭或透镜体等特殊地质情况，用该方法建模会使得模精度偏低。勘察剖面中所获得的数据虽然准确，但大范围的三维地质建模需要复杂的人工交互，建模难度大。利用网格为基础单元构建三维模型时，有以下缺点：(1)一旦发现构建错误或者是由于内外动力等作用使地质变化后，涉及到网格的大变形以及网格重构，费时费力；(2)网格精度的选择将很大程度的影响建模精度；(3)实现对地质体不均一性的表达时，数据量多，计算难度大、速度慢。

为克服现有技术不足，本发明公开了一种三维地质建模的无网格法。无网格法是用离散点求解区域的方法，无需网格化。本发明利用克里格方法(Kriging)在研究空间内进行插值，无需网格的初始划分与重构，保证计算精度的同时还能减少计算难度，提高建模效率。

BSP矢量剪切技术是三维地理信息系统(GIS)重要的建模以及空间分析工具，主要包括面剪面、面剪体、体分解面等功能。BSP树算法通过递归的对n维空间用超平面分割从而得到不同物体之间的相对位置关系，是一种能保存原有几何拓扑关系且高效的空间分析技术。

发明内容

本发明是通过以下方案解决上述技术问题的：

本发明涉及一种三维地质建模的无网格法，具体包含以下步骤：

收集钻孔数据、地震数据、遥感数据等地质数据，统一整理为三维数据格式，并按照地层界面分类，以统一的格式存储于数据库中。

将上述三维空间数据点进行编号，按照编号选取不同颜色将数据点映射到建模空间中。

根据已经编好次序的数据点，从上到下对每一层利用克里格高斯模型插值法进行插值生成地层界面。在插值过程中，为了防止第i层与i-1层出现相交的情况，需要选取前一个插值面i-1作为约束面。这里所说的约束面就是前一次插值形成的地层界面。

地层界面生成后，利用从勘察剖面中获取的数据进行人工交互，修正上述生成的地层界面，使建模更加精确。

本发明直接采用一个地层的上下界面连接生成地层实体，进而形成三维地质模型，建模快速。

由于上述生成的三维地质模型是通过地层界面直接生的地层组合而来，所以在竖直方向的边界面上还较为粗糙，需生成与实际地质体边界符合的裁剪面去裁剪粗糙的竖直边界面，形成新的三维地质模型。自上而下的连接各地层的边界线，再利用这些边界线生成裁剪面。这个裁剪过程主要用到基于BSP矢量剪切算法。

实际三维地质体中一般会存在透镜体或尖灭等特殊地质情况，因此需要对生成的地层线进行特殊处理，反映出这些特殊地质情况。本发明在生成地层界面时，将透镜体或尖灭的上下边界线延伸至整个地层线，不在上下两层的交汇处截断，这样方便直接由分界面生成地层。上述地层中存在一些没有厚度的实体需要去除，优化之后，透镜体或尖灭等特殊地质情况便能正确表达。

以结构建模生成的三维地质模型为基础，进行属性建模。在三维模型中生成随机点，根据这些点与已知原始数据点的位置关系，赋予这些未知点的相关属性值(重度值、稀有元素含量等)，无需采用网格或者实体单元作为基本单元，处理步骤简化，操作方便。这借鉴于现在流行的离散元方法(DEM)。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的三维地质建模方法，直接根据空间离散数据点生成地层界面，快速高效。其次，利用剖面中所获得的数据修正，提高建模精度。另外，地层界面生成三维模型，无需划分网格，数据量降低，建模速度加快，有利于数据的传输与建模重构。再者，本发明在三维模型中采用离散元的思想，将所需的相关属性值以离散点为基本单元插值赋予实体内部，比以网格为基本单元更加高效简洁。最后，本发明也能表达地质体中特殊的地质情况，与实际地质体更为符合。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维地质建模的无网格法的流程图；

图2为本发明实施例1的三维地质建模的无网格法的空间数据分类示意图；

图3为本发明实施例1的三维地质建模的无网格法的地层约束面示意图；

图4为本发明实施例1的三维地质建模的无网格法的特殊地质情况优化示意图；

图5为本发明实施例1的三维地质建模的无网格法的零厚度体去除示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例1，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例1的范围之中。

如图1所示，本发明实施例1的三维地质建模的无网格法包括以下步骤：

S₁、收集建模范围类的可利用的规范化数据，并将这些数据分类整理，导入数据库中。所述的数据不一定是钻孔数据，经过规范统一的其他来源的数据(遥感数据，地震数据等)也可以加以利用。数据分类是根据钻孔来判断不同地层的分界面位置，然后将同一分界面上的位置信息以三维数据的格式存入数据库的同一个表中。在建模区域内，按照地层上界面到地层下界面的方向依次给表命名，方便数据的调用与增删。

S₂、如图2所示，根据S₁整理的数据，将每一个地层界面的点都在三维空间(x，y，z)中表示出来，使其可视化。根据这些离散数据点插值，在建模区域中逐一生成连续光滑的地层界面。每一个地层界面都采用不同颜色的来表示，并从上至下将每一个地层界面命名为i(i＝1，2，3......，n)。

每一个分界面上的点通过利用克里格高斯模型插值法，插值生成光滑的地层界面。定义地层界面的竖坐标为Z，其中下一个地层界面i需要以上一个生成的i-1为约束面，在插值时需要判断i面上的竖坐标Z_i值是否大于i-1面上的竖坐标Z_i-1值，如果是，则只要调整Z_i＝Z_i-1，其方式如图3所示。

需要注意的是：每一个地层界面都会延伸至整个建模范围，不因与上一个地层界面重叠就省略掉，方便最终统一处理去除零厚度体。

此时的插值仅利用了规范化的三维数据，主要是钻孔数据，精度还不够。利用人工勘察剖面中所获得的数据，从中获取相应位置的地层线形状，与同位置插值生成的地层线对比，采用人机交互的方式改进离散点插值生成的地层界面，使其与实际地层界面更为符合。

S₃、根据S₂中生成的地层界面，直接由分界面i-1向下一个分界面i拓展，快速的生成每一层地层。其中每一个地层的颜色都根据上界面的颜色来确定。需要强调的是，生成的地层实体由于是通过地层界面直接生成的地层组合而来，所以其在垂直方向的边界面上还不是实际的地质体边界面。这里为了快速构建三维模型，简化处理，所以边界还是简单的几何线条。

S₄、S₃中生成的三维地质模型是直接由地层界面拓展而成，在竖直边界处还很粗糙，与真实地质体的边界具有较大的差距。这里需要用到BSP矢量剪切技术，其基本思路是根据剪切对象的空间位置为基准来划分被剪切对象，其算法的关键步骤是判定空间中的点与三维地模型、地形及地质边界等约束面的空间关系。

由于S₂中生成的地层边界线是在整个研究区域中，所以可以直接由这些地层边界线插值生成竖直方向的剪切面。用此剪切面矢量剪切三维地质模型，形成一个竖直边界较真实的三维地质模型。

S₅、上述S₄中生成的三维地质模型还有待优化，主要包含零厚度体的消除以及透镜体或尖灭等特殊地质情况处理。

这一步已在S₂中打好基础，每个地层界面都会延伸到整个研究区域。具体方式如图4所示，透镜体或尖灭所在地层i的上下边界线分别L₁与L₂，L₁与L₂在两端存在重合的点，但在处理时同时保存上下边界的所有点，不去除重合点。

上述地层界面生成的三维地质模型中，存在零厚度的实体，需将这些多余的部分去除，就可以完成透镜体或尖灭等特殊地质情况的优化处理。这里采用遍历地层上下界面对应点Z值之差来判断零厚度体，若差值为零，则删除对应的零厚度体即可，图5为特殊地质情况处理示意图。

虽然优化之后的模型跟S₄中生成的模型在形态上没有任何差别，但数据量得到缩减，有利于数据传输。

S₆、结构建模在S₁～S₅步骤完成，但地质体内部并不是均质的，需属性建模实现对地质体不均一性的表达。在生成的三维地质体内部生成随机的点，根据这些随机点与已知数据点的位置关系插值赋予相关属性值。本发明以未知点到已知原始数据点的距离平方成反比为准则，插值赋予内部其他未知点的相关属性值。这些属性值的变化借鉴热力云图的方式在三维地质模型上得到显示，一目了然。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。

Claims (3)

1.一种三维地质建模的无网格法，包括结构建模和属性建模两个部分；结构建模包括利用离散点插值直接生成地层界面，地层界面连接生成三维地质体，实现无网格建模；属性建模包括利用已知数据点的属性值插值，赋予三维地质体内部未知位置各相关属性值，实现对地质体不均一性的表达。

2.基于权利要求1所述的一种三维地质建模的无网格法，其特征在于所述的结构建模的离散点插值数据来源于建模范围内的地质钻孔数据、遥感数据等数据转化而来的三维数据，并通过克里格方法插值生成三维地层界面，由三维地层界面连接生成三维地质模型。

3.基于权利要求1所述的一种三维地质建模的无网格法，其特征在于所述的属性建模的属性值插值是利用收集的原始数据点的属性值(重度值、稀有元素含量等)进行插值的，是根据未知点与已知原始数据点的距离平方成反比的准则，通过插值赋予内部其他未知点的相关属性值。