CN109035398B - 一种基于语义描述的融合地质构造建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，为了解决传统三维地质构造建模过程中地质含义缺失的问题，本发明提出了构造模型的语义描述，由地质工作者根据解释数据得到初略的语义描述，解释数据为基础语义作为约束生成一个初步构造模型；然后提出了对应的构造模型的语义网络的提取算法，在初步模型的辅助下由地质工作者对语义进行编辑，提取更细致的语义描述，提取的语义描述约束下一次遍历时模型的构造拓扑；通过循环遍历直至得到完整的构造框架模型；最后提出了基于语义描述的融合地质构造建模方法，根据完整的构造框架模型对曲面进行重构。

Description

一种基于语义描述的融合地质构造建模方法

技术领域

本发明属于地质构造见面领域，特别涉及一种三维地质构造建模技术。

背景技术

岩层在地球的内、外应力作用下会发生形变或位移，从而形成诸如断层、褶皱等复杂地质构造，复杂地质构造的建模工作对地下资源的勘探起到至关重要的作用。研究三维地质建模的方法，建立起能反映地质情况的三维地质模型，不仅仅可以满足实际的工程需求，解决例如油气勘探开发的应用领域问题，也能很好地推动地球科学的发展。

三维地质构造建模分为三个主要步骤：地质曲面重构、地质曲面拓扑关系分析和三维实体建模。通过解释地质数据，可以初步得到地质曲面(断层面和层位面)。地质曲面重构——通过重建算法，将地质曲面变成空间曲面的过程；地质拓扑关系分析——通过对曲面重构得到的空间曲面之间的切割关系进行分析，建立起描述构造模型的正确空间拓扑关系，为随后构建实体模型提供可靠的空间几何拓扑信息；实体建模——通过拓扑分析将地质曲面构建成封闭的地质体，然后按照地层的内部沉积特性，将每个块体甚至是每个网格都赋予不同的属性。

地质构造模型的拓扑反映了地质曲面之间的空间关系，对构造模型的表达和控制起着至关重要的作用。基于面的传统建模方法，大多是根据采集到的地质数据通过插值的来获得地质曲面，等地质曲面构建完成再进行拓扑分析。然而插值过程是纯粹的数值模拟，缺失了地质拓扑关系约束，拓扑关系信息应该更早地介入到建模过程。

三维地质构造模型作为空间数据模型，其计算机表征也可以看作一种具有普适性的一般三维几何形体语义的计算机表征方法。此处介绍几个常见的三维几何形体的计算机表征方法。

(1)构造的实体几何(CSG:Constructive Solid Geometry)法。其基本思想是任意复杂的形体都可以用简单形体(体素)的组合来表示。形体的CSG表示可看成是一棵有序的二叉树，称为CSG树。其叶节点是体素，非叶节点是集合的正则运算，有交、并、差运算等；CSG的表征方式是无二义性的，每一个CSG表示都对应一个有效的形体，但是这种表示方式并不唯一。如图1所示为CSG中的形体组合表达的示意图。

(2)边界表示法(B-rep)。该方法需要详细地记录构成形体的所有几个元素的几何信息和拓扑信息，并且保存构成形体的每个面、面的所有边界以及各个顶点的参数信息，在此基础上进行面、边、点的各种几何运算和操作。边界表示法的基本要素就是面、环、边、点，有了这些就可以定义各种形体的位置和形状。例如，一个四面体由四个面封闭而成，对应有四个环，每个环由三条边界定义，每条边又由两个端点定义。而圆柱体则由上顶面、下底面以及圆柱面所围成，对应有上顶面圆环、下底面圆环。

(3)体元表示法(V-rep)。这种方法不再考虑三维对象的表面模型，而是转为关注模型内部各体元的特征参数，并对内部体元展开空间分析的方法。该方法不同于其他的方法，它从三维模型的内部对其进行描述，能够降低降低模型表面的细节对模型整体的影响。

(4)线框表示(W-rep)法。这是最简单的一种三维模型表示方法，线框模型利用点、线段圆、圆环、弧、自由曲线等一些最基本的图元来表示模型的轮廓外形，最终形成的是一个立体的框架图。W-rep法涵盖了模型两方面的信息：一是几何信息，即各顶点的坐标值，二是拓扑信息，即每条边的两个端点的信息。但是W-rep法存在二义性，并且缺乏体-面、面-边之间的拓扑信息。

上述的几种表征方式都蕴含了由简单实体组成复杂实体的思想；其中B-rep法还特别蕴含由低层对象组成高层对象的思想，具有明显的层次特性；边界表示法和线框表示法说明边界对三维几何形体起约束和决定作用，是三维形体的重要特征；CSG法提供了怎么由单个形体构成模型的思想。

现有的复杂地质体三维数据模型在几何描述与表达方面日趋完善，能够很好地描述地质构造现象的几何特征，但不能描述构造现象的含义及各构造现象之间的复杂关系。

发明内容

为了解决传统三维地质构造建模过程中地质含义缺失的问题，本发明提出了构造模型的语义描述，并提出了对应的构造模型的语义网络的提取算法，最后提出了基于语义描述的融合地质构造建模方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，包括：

S1、构造模型的语义描述；

S2、在步骤S1构造模型的基础上，进行构造模型的语义描述提取；

S3、基于步骤S2语义描述进行融合地质构造建模。

进一步地，步骤S1所述构造模型的语义描述具体为：

GeoModel-Semantics＝{SE,A,R}；

其中，SE表示构造实体；A表示构造实体的属性；R表示构造实体间关系。

更进一步地，SE＝{P,L,F,B}；

其中，P表示点构造实体，L表示线构造实体，F表示子面构造实体，B表示地质体构造实体。

更进一步地，所述构造实体间关系包括：构造实体间的邻接关系与关联关系。

更进一步地，步骤S2具体为：

S21、遍历地质体，分析每个地质体的子面构成情况，得到面-体关联关系，记录每个子面两侧的地质体，得到每个子面的正体和负体；

S22、遍历子面，根据两个地质体共享子面的性质得到体-体邻接关系；

S23、遍历子面，提取每个子面的边界弧段；

S24、对子面的边界弧段两两求交，得到子面的交线，并记录交线所在子面信息；

S25、遍历子面，提取子面特征线，记录特征线所属子面信息；

S26、遍历交线和特征线，根据其所在子面信息，得到线-面关联关系，同时同一交线的所属子面两两相交，得到面-面邻接关系；

S27、遍历交线和特征线，对其所属子面集合求交，如果交集不为空，即交线或特征线同属一个子面，得到线-线邻接关系；

S28、遍历交线和特征线，因交线和特征线都是其上的点按序排列而成的，所以可以直接得到点-线关联关系，同时对同一条线上的每一个点与其前一点和后一点相邻，得到点-点邻接关系，算法结束。

更进一步地，步骤S2还包括：每次遍历后，根据点-点邻接关系、线-线邻接关系以及面-面邻接关系更新构建模型。

本发明的有益效果：本发明的方法先由地质工作者根据解释数据得到初略的语义描述，解释数据为基础语义作为约束生成一个初步构造模型，在初步模型的辅助下再由地质工作者对语义进行编辑，提取更细致的语义描述，提取的语义描述约束下一次遍历时模型的构造拓扑；通过循环遍历直至得到完整的构造框架模型，再根据完整的构造框架模型对曲面进行重构；本发明通过自顶向下与自底向上融合的地质构造建模，很好地解决了三维地质构造建模过程中地质含义缺失的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的CSG中的形体组合表达示意图；

图2为本发明实施例提供多层次异质语义网络示意图；

图3为本发明实施例提供基于构造模型的多层次异质语义网络提取算法流程示意图；

图4为本发明实施例提供基于语义描述的融合地质构造建模算法流程示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，包括以下步骤：

S1、构造模型的语义描述；

地质构造模型的语义描述就是对构造元素的几何特征、构造元素的拓扑关系、构造间的关系进行描述。构造实体指具有确定的位置和形态特征并具有地质构造表征意义的物体。其中确定的位置和形态特征是指至少在给定的时刻，构造实体具有确定的形态，但是“确定的形态”并不意味着构造实体必须是可见的、可触及的实体，亦可以是不可见的东西。地质构造表征意义是指在地质构造建模中被确认为有分析的必要。

构造模型的语义是指构造实体、构造实体间关系、构造实体属性的集合。表示为：

GeoModel-Semantics＝{SE,A,R}；

其中，GeoModel表示地质模型，Semantics表示语义，SE是Structural Entity的缩写，SE＝{P,L,F,B}表示构造实体，基础构造实体分为：点(P)，线(L)，面(F)，体(B)四类；A表示构造实体的属性，在构造模型中指数据点的三维空间坐标；R表示构造实体间关系，在此处特指拓扑关系，拓扑关系是构造实体间的邻接、关联关系而非空间位置关系。

借鉴三维几何形体的计算机表征的思想，本发明定义了一个多层次异质语义网络作为地质构造模型语义的计算机表征。如图2所示，网络中的节点是构造实体的抽象，同一层网络中的节点表示同一种类实体。构造实体明显分为点、线、面、体4个层次，一组点构造实体及其邻接关系决定了一个线构造实体；一组线构造实体及其邻接关系按一定重构算法决定了一个面构造实体；一组面构造实体及其邻接关系封闭构成一个体构造实体；一组体构造实体及其邻接关系最终组合成一个构造模型。低层实体决定或构成了高层实体，其本质是高层实体的一部分，同一层的实体间用邻接关系连接，不同层的实体间用关联关系连接。

S2、构造模型语义的提取

在已有构造模型的情况下，进行构造模型的语义描述提取工作。具体的提取步骤如下：

S21、遍历地质体(Body，如图2所示)，分析每个地质体是由哪些子面构成的，得到面-体关联关系，记录每个子面的两侧分别是哪个地质体，即记录每个子面的正体和负体；

S22、同一子面的正体和负体必然在空间上相邻，遍历子面(face，如图2所示)，根据两个地质体共享子面的性质得到体-体邻接关系(adjacent)；

S23、遍历子面，提取每个子面的边界弧段，得到的边界弧段是其上的点按序排列而成；

S24、同时在两个子面上的弧段，即为两个子面的交线(line，如图2所示)。因此对子面的边界弧段两两求交，得到子面的交线，记录交线所在子面信息；

S25、遍历子面，提取子面特征线，记录特征线所属子面信息，得到的特征线是其上的特征点按序排列而成的；

S26、遍历交线和特征线，根据其所在子面信息，得到线-面关联关系，同时同一交线(on the same line，如图2所示)的所属子面两两相交，得到面-面邻接关系(intersect)；

S27、遍历交线和特征线，对其所属子面集合求交，如果交集不为空，即交线或特征线同属一个子面(on the same face，如图2所示)，得到线-线邻接关系；

S28、遍历交线和特征线，因交线和特征线都是其上的点(Point，如图2所示)按序排列而成的，所以可以直接得到点-线关联关系，同时对同一条线上的每一个点与其前一点和后一点相邻，得到点-点邻接关系，算法结束。算法流程示意图如图3所示。

S3、基于语义描述的融合地质构造建模方法

基于语义的构造建模是一种自顶向下的建模方法，语义描述在构造建模完成之前就已经确定了模型构造拓扑，建模过程是由语义进行驱动。但在实际构造建模过程中，在得到模型之前几乎不能得到完整的语义描述，也就无法完全根据语义描述进行建模，由底向上的建模方法依然必要。

如图4所示，本发明提出一种自顶向下与自底向上融合的地质构造建模流程，在由粗略至细致完善模型过程中从以构造模型为提示分析得到语义描述，同时语义描述又约束着下一步模型的构造拓扑。建模流程为先由地质工作者根据解释数据得到初略的语义描述，以数据为基础语义为约束生成一个初步构造模型，此后在初步模型的辅助下再由地质工作者对语义进行编辑，进一步提取更细致的语义描述，循环这一过程直至得到完整的构造框架模型，再对曲面进行重构。

地质语义的加入在构造建模起到约束作用，如子面的语义关系数据决定了地质曲面是否相交，地质体的语义关系数据决定了地质体拓扑和地质曲面间如何剪裁。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，其特征在于，包括：

S1、构造模型的语义描述；

S2、在步骤S1构造模型的基础上，进行构造模型的语义描述提取；步骤S2具体为：

S21、遍历地质体，分析每个地质体的子面构成情况，得到面-体关联关系，记录每个子面两侧的地质体，得到每个子面的正体和负体；

S22、遍历子面，根据两个地质体共享子面的性质得到体-体邻接关系；

S23、遍历子面，提取每个子面的边界弧段；

S24、对子面的边界弧段两两求交，得到子面的交线，并记录交线所在子面信息；

S25、遍历子面，提取子面特征线，记录特征线所属子面信息；

S26、遍历交线和特征线，根据其所在子面信息，得到线-面关联关系，同时同一交线的所属子面两两相交，得到面-面邻接关系；

S27、遍历交线和特征线，对其所属子面集合求交，如果交集不为空，即交线或特征线同属一个子面，得到线-线邻接关系；

S28、遍历交线和特征线，因交线和特征线都是其上的点按序排列而成的，所以可以直接得到点-线关联关系，同时对同一条线上的每一个点与其前一点和后一点相邻，得到点-点邻接关系，算法结束；

S3、基于步骤S2语义描述进行融合地质构造建模。

2.根据权利要求1所述的一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，其特征在于，步骤S1所述构造模型的语义描述具体为：

GeoModel-Semantics＝{SE,A,R}；

其中，SE表示构造实体；A表示构造实体的属性；R表示构造实体间关系。

3.根据权利要求2所述的一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，其特征在于，SE＝{P,L,F,B}；

其中，P表示点构造实体，L表示线构造实体，F表示子面构造实体，B表示地质体构造实体。

4.根据权利要求3所述的一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，其特征在于，所述构造实体间关系包括：构造实体间的邻接关系与关联关系。

5.根据权利要求4所述的一种基于语义描述的融合地质构造建模方法，其特征在于，步骤S2还包括：每次遍历后，根据点-点邻接关系、线-线邻接关系以及面-面邻接关系更新构建模型。

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