CN110598240A - 基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，采用离散光滑插值DSI理论(Discrete Smooth Interpolation)，利用对应网格技术，基于电力工程三维数字勘测平台，管理和分析海底电缆的多元勘测数据，以前期海底地形数据为参考，快速建立新的变化后的海底地形数据，既能消除建立曲面的误差，又能真实反映出海底地形的冲刷和淤积变化，为海底电缆的勘测、设计、施工和维护提供支撑性数据。

Description

基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法

技术领域

本发明涉及海底电缆勘测数据分析技术领域，具体涉及一 种基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法。

背景技术

海底电缆工程是电缆直接与海水接触或埋设在海底，海底 电缆工程受地域建设条件、海洋工程条件和施工环境的限制， 需根据路由的地形地貌状况、地质条件和海洋水文条件进行优 化设计，同时根据上述环境条件对海缆安全施工提供保护措 施，包括海缆埋深、冲刷、套管和抛石等，为海底电缆工程施 工和运维提供保障。

同陆地电缆的勘测相比，海底电缆工程勘测技术难度大、 内容多，且具有高风险性、隐蔽性、复杂性、时间长等综合性 的特点，海底电缆工程勘测为规划、设计及施工运营提供基础 性资料的技术能力受到了限制，成果的准确性、可靠性及合理 性影响了工程的质量及经济投资。如何管理和提高勘测数据的 利用率，是十分关键的技术难题，尤其是海底地形的测量，是 间接进行的，平面上的定位十分困难，如何正确的反映海底地 形的冲刷和淤泥变化，对评价海底电缆的安全，维护海缆的运 行，具有十分重要的意义。在进行三维地质模型建立时，其中 以冲洪积、海相沉积的土层以近水平的地层、尖灭层和透镜体 等较为常见，并且地层间的厚度通常较薄，尤其是针对海底地 形变化的过程，在海水动力达到平衡时，海底的冲刷或淤积变 化比较缓慢，测量数据之间的差异是非常微小的，在进行三维 地质建模时往往会引起一些问题，比如上下层的不合理穿透， 往往需要建模者进行反复局部调整和修改，有时构建曲面时插 值本身带来的误差就大于地形的变化，会使所建的模型失真。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于三 维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，采用离散光滑 插值DSI理论(Discrete SmoothInterpolation)，利用对应网格 技术，基于电力工程三维数字勘测平台，管理和分析海底电缆 的多元勘测数据，以前期海底地形数据为参考，快速建立新的 变化后的海底地形数据，既能消除建立曲面的误差，又能真实 反映出海底地形的冲刷和淤积变化，为海底电缆的勘测、设计、 施工和维护提供支撑性数据。

本发明提供了一种基于三维地质模型的海底电缆多元勘 测数据分析方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过获得的海底电缆多元勘测地形数据，应用DSI插 值技术建立海底的地形模型；

b.海底的地形模型根据多源勘测数据形成的约束条件， 利用DSI插值技术和对应网格技术生成三维地质模型；

c.根据水文资料利用DSI插值技术和对应网格技术建立 海洋的水文界面模型；

d.将不同时间点的数据代入已建立的海底的地形模型并 结合约束条件计算生成不同时间地形模型；

e.将不同时间的水文界面模型结合对应时间的海底的地 形模型，生成不同时间的水文模型；

f.结合不同时间地形模型、三维地质模型、水文模型和海 缆模型，通过计算得到整个海底的冲淤变化和沿海缆剖面冲淤 变化的预警情况。

所述步骤a中选取覆盖研究区域海底电缆多元勘测数据， 针对研究的平面范围选取四周至少大于其10％的区域作为计 算范围，结合勘测数据建立中间面或者中值面作为初始平面， 对初始平面进行加密，然后定义模糊控制点约束：该约束在三 维地持建模软件中用于面拟合给定点(比如勘探揭示的地层标 志或地质点)，或者根据权重用面拟合物探数据点；接着对定 义好的地形面执行离散光滑插值操作，此操作可重复多次，只 到生成的曲面足够光滑为止，重复平面上离散加密，再进行光 滑插值；最后把模糊控制约束点转为精确约束点，执行离散光 滑插值操作，直到生成满足指定平均拟合偏差的海底地形模 型。指定平均拟合偏差依据实际多元勘测数据生成。

所述步骤b中以海底地形曲面为参考，以钻孔或浅剖地层 分界点、浅剖地层分界点、地质测绘地层分界点、地物测量点 为约束条件，结合上层临近面的厚度约束，采用DSI插值技术， 生成临近地面的地层分界面，然后依次类推，逐渐向下生成地 层分界面，直到建立完整的三维地质模型。

所述步骤b包括以下步骤：

以海底地形面为参考，定义厚度约束，利用已知的厚度信 息通过控制厚度约束构建系列近水平沉积地层；厚度约束在地 层分界面的每个节点上施加模糊控制距离约束；应用厚度约束 构建具有厚度信息的相邻地层，而且在地层建模流程中用厚度 约束构建地层，其中地层沿山脊、山沟以及其他部位的厚度通 过勾画线或实测值来控制相应部位的厚度。

所述步骤b包括根据海缆的结构设计信息和安放埋藏要 求，在三维地质模型中建立海底电缆模型。

所述步骤c中根据水文资料建立海平面，包括平均海平 面、高潮位海平面、低潮位海平面，以及建立各种海平面的初 始曲面，利用对应网格技术，对该平面进行离散，生成水文模 型，供分析计算使用。

所述步骤e包括利用已建立的地形模型的DSI网格，把水 文数据作为精确约束，进行DSI插值计算，结合不同时间的水 文界面模型，生成不同时间的水文模型。

所述步骤f包括基于已建成的三维地质模型，结合不同时 间点测量的海底地形测量数据和水文资料，在已生成海底地形 模型和水文模型基础上进行运算，形象地并且量化的生成不同 时间的海洋地形面的变化趋势，形成剖面，包括冲刷或者淤积 信息、各种水深信息。

所述步骤f包括根据不同时期的冲刷和淤积量，结合确定 的阀值，根据不同的冲淤深度进行自动分析，可设置多个预警 级别，具体包括以下步骤：

(1)首先定义沿海缆自动识别结果矢量化精度，矢量参 考设置与三维地形栅格图相匹配，一般同地形网格大小一致即 可，然后把海缆按定义好的精度垂直投影到地形图上；

(2)基于垂直向形变和地形在小范围内有连续性的特点 来分析冲淤情况，具体识别原则如下：形变的绝对值在规定的 阈值中间则认为该电缆处于稳定状态，即没有冲淤的情况发 生；形变值超过阈值则认为电缆处地形处于淤积状态；形变值 低入阈值则认电缆处地形处于冲涮状态；

(3)根据形变值大小超过阈值的程度和电力行业生产规 范来标识电缆处海域的不稳定程度，对每种不稳定性依次可设 置预警级别。

本发明根据海底电缆所处的环境特点，应用多源数据，采 用适合于地质系统DSI插值技术，结合对应网格虚拟插值方 法，并融合三维地质勘测平台软件，全面管理和展示海底多元 数据，直观展示海底电缆的淤积和冲刷，克服了传统中局部的、 不连续的点状监测，可以实现面监测，可以系统地研究海底的 地形变化情况，快速生成海缆的埋深剖面，为海缆的保护提供 超前的可预测的方案，克服了三维海底形变获取方法费时费力 且无法得到整个区域形变的缺点，同时方便快捷获得海底地形 变形的整体结果。

附图说明

图1是本发明处理流程图；

图2是将模糊控制约束点的约束传递到三角形的节点上 的示意图

图3是控制厚度约束用来构建相邻的厚度在一定范围内 变化的地层示意图

图4是连接两个岛屿之间的推荐路由示意图

图5是海底地形测量数据及钻孔位置示意图

图6是应用DSI插值技术建立海底地形曲面示意图，依图 5所示的海底实测地形数据为约束条件，采用DSI插值技术， 生成海底地形曲面。

图7是根据水文资料建立海平面示意图

图8是完整的三维地质模型示意图

图9是三维地质模型的局部放大图

图10是具有相同网格的不同时间的水文界面模型示意图

图11是剖面线(海缆)的平面位置示意图

图12是沿着海缆剖面快速生成剖面图(1)

图13是沿着海缆剖面快速生成剖面图(2)，在已建模型 的基础上，定义如图11所示要生成剖面的位置，选定生成剖 面的内容(包括海平面，原始海底地形面，冲刷后新的海底地 形面，海缆等)，可以自动生成包含指定信息的剖面。

图14是预警示意图，黄、橙、红着色分别表示海底冲刷 情况：黄，冲刷深度小于1m；橙，冲刷深度大于1m，小于 2m；红，冲刷深度大于2m，海缆埋深小于1m。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说 明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本实施例所公开的基于三维地质模型的基于 三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，主要包括如 下步骤：

第一步：通过获得的海底电缆多元勘测数据，应用DSI 插值技术建立海底地形曲面；图4表明推荐路由的整体情况

在本实施例中，具体选取覆盖研究区域海底电缆多元勘测 数据，根据研究的平面范围定义一个范围，结合勘测数据建立 中间面或者中值面作为初始平面，对初始平面进行适当加密， 然后定义模糊控制点约束：

假定T(x(α0)，x(α1)，x(α2))是三角网格面，模糊控制点约束为：IP 吸引T上的一点P使得P移动到或根据权重接近IP，如图2 所示。

根据数学推导，可以得出DSI函数和分别为：

其中{μ₀(p)，μ₁(p)，μ₂(p)}为三角形T中的P点的barycentric坐 标。

该约束在三维地持建模软件中用于面拟合给定点(比如勘 探揭示的地层标志或地质点)，或者根据权重用面拟合物探数 据点。

接着对定义好的地形面执行离散光滑插值操作，此操作可 重复多次，只到生成的曲面足够光滑为止，重复平面上离散加 密，再进行光滑插值。最后把模糊控制约束点转为精确约束点， 执行离散光滑插值操作，只到生成满意的地形曲面，如图6所 示。

第二步：根据水文资料建立海平面(包括平均海平面，高 潮位海平面，低潮位海平面)

根据水文资料建立海平面建立各种海平面的初始曲面，利 用对应网格技术，对该平面进行离散，供分析计算使用，如图 7所示。

第三步：建立完整的三维地质模型。

以海底地形面为参考，以钻孔或浅剖地层分界点等多元勘 测数据为约束，采用DSI插值技术，生成临近地面的地层分界 面，然后依次类推，逐渐向下生成地层分界面，直到建立完整 的三维地质模型。具体实现过程如下：

(1)以海底地形面为参考，定义厚度约束，如图3所示， 在沉积地质建模中，往往需要构建一系列相邻近水平层，这些 水平层的厚度变化信息通常已知，利用已知的厚度信息通过控 制厚度约束可以快速构建系列近水平沉积地层，方法如下：

1)给定(或已知)地层面几何形状T(S_i-1)；

2)得到一个与T(S_i-1)相同的地层面T(S)；

3)给定或通过插值得到T(S)上每个节点的方向d(α)；

4)T(S)与T(S_i-1)之间的厚度通过已知厚度或厚度分布 插值得到；

5)对T(S)上的每个节点α，其厚度δ(α)就是沿d(α) 从x(α)到T(S_i-1)之间的插值厚度；

6)T(S)的DSI拟合，就是考虑约束{δ(α)，d(α)，T(S_i-1)}。

厚度约束{δ(α)，d(α)，T(S_i-1)}实际上就是在T(S)的每个节点上施 加模糊控制距离约束。不仅可以应用厚度约束构建具有厚度信 息的相邻地层，而且在地层建模流程中用厚度约束构建地层， 其中地层沿山脊、山沟以及其他部位的厚度可以通过勾画线或 实测值来控制相应部位的厚度。

(2)以钻孔或浅剖地层分界点等多元勘测数据为约束， 如图5所示，结合已定义的上层临近面的厚度约束，采用DSI 插值技术，生成临近上层面的地层分界面，然后依次类推，逐 渐向下生成地层分界面，直到建立完整的三维地质模型，如图 8/9所示。

(3)根据海缆的结构设计信息和安放埋藏要求，在三维 地质模型中建立海底电缆模型。

第四步：建立不同时间的水文界面模型

利用已建立的海底地形的离散网格，把水文数据作为精确 约束，进行DSI插值计算，生成不同时间的水文界面模型，如 图10所示。

第五步：沿着海缆剖面快速生成剖面。

基于已建成的三维地质模型，结合不同时间点测量的海底 地形测量数据和水文资料，在已生成海底地形面和水文界面基 础上进行运算，形象地并且量化的生成不同时间的海洋地形面 的变化趋势，形成剖面，包括冲刷或者淤积信息、各种水深信 息，如图11-13所示。

第六步：根据不同时期的冲刷和淤积量，结合确定的阀值， 根据不同的冲淤深度进行自动分析，依次可设置黄、橙、红三 个预警级别，如图14所示。

由于海缆里程长，剖面上三维形变时间序列数据量大，需 将海缆冲淤情况分析自动化。具体的自动化流程如下：

(1)首先定义沿海缆自动识别结果矢量化精度，矢量参 考设置与三维地形栅格图相匹配。一般同地形网格大小一致即 可。然后把海缆按定义好的精度垂直投影到地形图上。

(2)基于垂直向形变和地形在小范围内有连续性的特点 来分析冲淤情况，具体识别原则如下：形变的绝对值在规定的 阈值中间则认为该电缆处于稳定状态，即没有冲淤的情况发 生；形变值超过阈值则认为电缆处地形处于淤积状态；形变值 低入阈值则认电缆处地形处于冲涮状态。

(3)根据形变值大小超过阈值的程度和电力行业生产规 范来标识电缆处海域的不稳定程度，对每种不稳定性依次可设 置黄、橙、红三个预警级别。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员 公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过获得的海底电缆多元勘测地形数据，应用DSI插值技术建立海底的地形模型；

b.海底的地形模型根据多源勘测数据形成的约束条件，利用DSI插值技术和对应网格技术生成三维地质模型；

c.根据水文资料利用DSI插值技术和对应网格技术建立海洋的水文界面模型；

d.将不同时间点的数据代入已建立的海底的地形模型并结合约束条件计算生成不同时间地形模型；

e.将不同时间的水文界面模型结合对应时间的海底的地形模型，生成不同时间的水文模型；

f.结合不同时间地形模型、三维地质模型、水文模型和海缆模型，通过计算得到整个海底的冲淤变化和沿海缆剖面冲淤变化的预警情况。

2.根据权利要求1所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤a中选取覆盖研究区域海底电缆多元勘测数据，针对研究的平面范围选取四周至少大于其10％的区域作为计算范围，结合勘测数据建立中间面或者中值面作为初始平面，对初始平面进行加密，然后定义模糊控制点约束：该约束在三维地持建模软件中用于面拟合给定点(比如勘探揭示的地层标志或地质点)，或者根据权重用面拟合物探数据点；接着对定义好的地形面执行离散光滑插值操作，此操作可重复多次，只到生成的曲面足够光滑为止，重复平面上离散加密，再进行光滑插值；最后把模糊控制约束点转为精确约束点，执行离散光滑插值操作，直到生成满足指定平均拟合偏差的海底地形模型。

3.根据权利要求1所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤b中以海底地形曲面为参考，以钻孔或浅剖地层分界点、浅剖地层分界点、地质测绘地层分界点、地物测量点为约束条件，结合上层临近面的厚度约束，采用DSI插值技术，生成临近地面的地层分界面，然后依次类推，逐渐向下生成地层分界面，直到建立完整的三维地质模型。

4.根据权利要求3所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤b包括以下步骤：

以海底地形面为参考，定义厚度约束，利用已知的厚度信息通过控制厚度约束构建系列近水平沉积地层；厚度约束在地层分界面的每个节点上施加模糊控制距离约束；应用厚度约束构建具有厚度信息的相邻地层，而且在地层建模流程中用厚度约束构建地层，其中地层沿山脊、山沟以及其他部位的厚度通过勾画线或实测值来控制相应部位的厚度。

5.根据权利要求3所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤b包括根据海缆的结构设计信息和安放埋藏要求，在三维地质模型中建立海底电缆模型。

6.根据权利要求5所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于步骤c中根据水文资料建立海平面，包括平均海平面、高潮位海平面、低潮位海平面，以及建立各种海平面的初始曲面，利用对应网格技术，对该平面进行离散，生成水文模型，供分析计算使用。

7.根据权利要求6所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于步骤e包括利用已建立的地形模型的DSI网格，把水文数据作为精确约束，进行DSI插值计算，结合不同时间的水文界面模型，生成不同时间的水文模型。

8.根据权利要求5所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤f包括基于已建成的三维地质模型，结合不同时间点测量的海底地形测量数据和水文资料，在已生成海底地形模型和水文模型基础上进行运算，形象地并且量化的生成不同时间的海洋地形面的变化趋势，形成剖面，包括冲刷或者淤积信息、各种水深信息。

9.根据权利要求6所述的基于三维地质模型的海底电缆多元勘测数据分析方法，其特征在于所述步骤f包括根据不同时期的冲刷和淤积量，结合确定的阀值，根据不同的冲淤深度进行自动分析，可设置多个预警级别，具体包括以下步骤：

(1)首先定义沿海缆自动识别结果矢量化精度，矢量参考设置与三维地形栅格图相匹配，一般同地形网格大小一致即可，然后把海缆按定义好的精度垂直投影到地形图上；

(2)基于垂直向形变和地形在小范围内有连续性的特点来分析冲淤情况，具体识别原则如下：形变的绝对值在规定的阈值中间则认为该电缆处于稳定状态，即没有冲淤的情况发生；形变值超过阈值则认为电缆处地形处于淤积状态；形变值低入阈值则认电缆处地形处于冲涮状态；

(3)根据形变值大小超过阈值的程度和电力行业生产规范来标识电缆处海域的不稳定程度，对每种不稳定性依次可设置预警级别。