CN110765665A - 一种地学动态建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地学建模领域，尤其涉及一种地学动态建模方法及系统，其不同之处在于，其步骤包括：S1、将原始数据经过数据处理，编辑为地学动态建模源数据；S2、将所得建模源数据通过建模算法进行分布式动态建模；S3、经过分布式动态建模所得的模型可直接用于分析应用；或进行下一步骤S4；S4、经过专家分析验证，若建立的模型精度满足要求，则退出并用于分析应用；若不满足则返回步骤S1重新进行数据处理，并再次进行建模。本发明减少建模数据量，提高建模效率，缩短建模周期，减小模型更新难度。

Description

一种地学动态建模方法及系统

技术领域

本发明涉及地学建模领域，尤其涉及一种地学动态建模方法及系统。

背景技术

三维地学建模是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化等学科交叉形成的一门新型学科，是对复杂的地质现象经过抽象化处理后，通过复杂的建模算法模拟出地质模型数据，用三维可视化的方式最终表达地下的地质情况。过去的十几年中，国内外众多学者对三维地学建模从理论上进行了较深入的研究，提出了多种三维地学空间模型或建模方法。从三维建模方法的基本元素来看，可以分为基于面表示的模型、基于体元的模型和混合数据模型。主要建模方法有以下四种：

1、块段模型

块段模型是将整个矿床范围内的空间分割为规则的体元，然后通过钻孔等地质信息插值计算每个体元的岩石属性。根据数据存储方式，块段模型可分为三维栅格模型和八叉树模型。块段模型具有操作简单且易于实现的优点，可以和各种地学空间插值方法和地质统计学方法结合计算体元的属性值，并且由于体元形体比较规则化并且具有较好的空间拓扑组织，所以有利于进行相关的三维查询分析。但是块段法难以精确地表达边界，也不能很好的表达复杂的地质构造状况，若要提高精度，将使数据量变得非常巨大。

2、实体模型

实体模型是指用面集合来表达物体的外表面，很好的解决了块段模型对边界表达不精确的问题。但是，实体模型属于边界表达模型，不能表达模型内部结构和属性，所以需要和其他方法结合起来解决物体内部属性的表达问题。在实际应用中，实体模型通常和块段模型进行结合使用。

3、四面体模型

四面体模型（TEN）是将物体的三维空间对象剖分成一系列相邻但不交叉的不规则四面体网络，是TIN模型向三维的扩展。TEN模型的体元外表面为三角面，而且四面体体元具有很强的灵活性，所以四面体模型对于复杂三维实体的外表和内部属性都具有很强的表达能力，通过属性的插值计算能更好地体现出物体内部属性的连续性和过渡性。但是四面体模型存在空间数据冗余严重的问题。

4、似三棱柱体模型

基于似三棱柱体的数据模型是以似三棱柱体作为基本体元将矿体空间进行剖分的。在建模过程中，可以采用基于TIN的建模技术与沿钻孔向下扩展似三棱柱体的方法，结合钻孔数据能很好地表达内部拓扑关系和模型内部属性，似三棱柱模型具有四面体模型对空间实体的内部和表面很强的表达能力的特点，同时，相对四面体模型还能在不影响模型的表达精度的情况下大幅度减少数据冗余，也能很好地提取物体模型的边界。似三棱柱的空间拓扑结构较四面体模型有了一定程度的简化，还可用于地表建筑物等规则物体建模。因此，选择似三棱柱体作为建立地质体数据模型的基本体元具有更好的优势，可以达到与地表统一建模的目的。

目前，城市地学建模一般流程包括三个阶段，即“专业数据源处理—结构建模—三维应用”，这种建模方式称为城市地质地学“静态建模”。由于城市地质静态建模中的交互建模先要将建模区分割成多个建模单元分别建模，最后合并成整个结构模型，这样会造成建模数据量大、分块手动交互建模、投入人员多、建模周期长、模型更新困难等问题。并且数据一致性及完整性无法保证（原始专业模型与建模成果模型分离）。而自动建模方式，则是自动或半自动的将数据量比较小、地质复杂度比较低的源数据构建为结构模型，其适应于建模源数据量比较小、可处理的地质复杂度低的建模场景。一般无法局部更新，需要采取全部模型重新建模。同时也无法适应现代IT技术的飞速发展。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种地学动态建模方法及系统成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种地学动态建模方法及系统，减少建模数据量，提高建模效率，缩短建模周期，减小模型更新难度。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种地学动态建模方法，其不同之处在于，其步骤包括：

S1、将原始数据经过数据处理，编辑为地学动态建模源数据；

S2、将所得建模源数据通过建模算法进行分布式动态建模；

S3、经过分布式动态建模所得的模型可直接用于分析应用；或进行下一步骤S4；

S4、经过专家分析验证，若建立的模型精度满足要求，则退出并用于分析应用；若不满足则返回步骤S1重新进行数据处理，并再次进行建模。

按以上技术方案，所述步骤S1中的数据处理是将原始数据加工或更新成为可以参与建模的建模源数据，包括源数据处理、中间数据处理、源数据动态更新处理三个部分。

按以上技术方案，所述原始数据包括2大类5种数据：

1）基础数据：钻孔源数据、分区图数据；

2）约束数据：地质图数据、地表高程DEM数据、体约束数据；

所述建模源数据包括2大类4种数据：

1）基础数据：分区图数据、钻孔分层数据；

2）约束数据：顶/底DEM约束面数据、体模型数据。

按以上技术方案，所述源数据处理是以分区图数据和钻孔源数据为数据源，经数据检查与处理后，作为建模源数据直接参与后续建模流程。

按以上技术方案，所述中间数据处理是将钻孔源数据、地质图数据、地表高程DEM数据处理为包括钻孔分层数据和分区图数据在内的中间数据，经分层点提取、分区图构建、分区图编辑并进行数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

按以上技术方案，所述源数据动态更新处理是基于分区图数据和钻孔源数据，进行基于全局或者局部的、有预期的分区图更新，经数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

按以上技术方案，所述步骤S2中的动态建模的构建流程包括：

S21、智能构建地层面：

1）单级模型自动构建，基于选择的建模方式和给定的格网参数，利用建模源数据智能构建地层面，根据建模范围和实际数据情况自动进行分块构建地层面模型；

2）多级模型的约束构建，是在单级模型构建的基础上，为适应和满足多级地层的精细建模需求，引用大层的体模型数据作为约束框架参与构建更精细分层的地层面模型；

S22、智能构建地质体：智能构建的地层面模型，经过相应的模型拓扑检查与处理流程后，基于选择的建模方式和给定的格网参数会自动进行搜索并构建体模型，创建最终的三维地质体模型；

S23、模型拓扑检查与处理：

地层面的拓扑检查与处理主要针对模型是否存在悬挂面、悬挂边、多Z值、特征三角形的问题，以保证模型没有拓扑问题，便于后续进行自动搜索并构建体模型；

体模型的拓扑检查与处理主要针对体模型是否封闭、是否存在面自相交和悬挂边这种影响模型切割、漫游及三维分析的问题。

一种地学动态建模系统，其不同之处在于：其包括

数据处理模块：将原始数据编辑处理成为地学动态建模源数据；

动态建模模块：利用建模源数据进行分布式动态建模；

分析应用模块：将分布式建模所得的模型直接用于分析应用；

专家分析模块：对建立的模型分析验证，若模型精度满足要求，则退出并用于分析应用；若不满足则返回重新通过数据处理模块进行数据处理，并通过动态建模模块进行建模。

按以上技术方案，所述数据处理模块包括

数据检查与处理模块：对不同类型数据的检查与处理、钻孔重复分层的检查、分区图生成与编辑前后的检查、常规的拓扑检查与处理；

分层点提取模块：利用钻孔导入后的结果数据，根据待提取的地层级别进行地层合并处理，去除问题孔，基于标准层序信息提取每一层的分层点；

分区图构建模块：基于钻孔有效分层点、无效点以及地质图边界约束线的数据为基础经过插值和等值追踪方法，追出每一层的分区图；

分区图编辑模块：包括分区图检查结果修正和分区图整合；分区图检查结果修正即根据分区图与钻孔分层点一致性检查结果，对存在的问题进行修正处理；分区图整合，将分区图按建模顺序组织数据，利用给定的建模格网参数进行规整，避免后续构面构体流程出现悬挂面或者空洞问题；

分区图更新模块：支持全局更新和局部更新两种更新方式；全局更新，即分区图重构，适用于待更新的钻孔数据体量大、分布范围广泛，为更好真实全面地刻画模型的地质规律和特征；局部更新，即对分区图的局部进行更新与编辑的操作，适用于待更新钻孔数据体量小、分布范围小且集中。

按以上技术方案，所述动态建模模块包括

智能构建地层面模块：包括单级模型自动构建和多级模型的约束构建；

智能构建地质体模块：创建最终的三维地质体模型；

模型拓扑检查与处理模块：对模型进行拓扑检查与处理。

对比现有技术，本发明的有益特点为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）优化了传统地学静态建模，将地学建模流程简化为两步，极大减轻建模实施人员的工作量；建模效率极大提升，打开即所得；并且可实时更新建模成果；

2）支持根据建模需求和数据源灵活选择建模方式（比如自上向下构建、自下向上等方式）和专家干预、控制模型形态、精度与质量等（如地表高程DEM约束）；针对大体量建模数据，可以快速、智能分块构建地层面模型，既能解决大数据量建模的压力和效率，也能很好地保持模型块与块之间的一致性和总体特征；

3）支持构建多级多精度模型，实现三维地质模型横向和垂向建模精度（分辨率）的可控性；

4）支持模型的拓扑检查与处理，进行积极的模型质量控制，便于模型后续用于属性建模、三维分析等过程。

附图说明

图1是本发明实施例动态建模流程图；

图2是本发明实施例数据处理流程图；

图3是本发明实施例源数据处理子流程图；

图4是本发明实施例中间数据处理子流程图；

图5是本发明实施例源数据动态更新处理子流程图；

图6是本发明实施例三维模型构建流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

本发明提供了一种多源、快速、全面、动态的新型建模方法，把静态建模三个阶段（专业数据处理、三维模型建立、三维应用）重新规划设计为二个阶段（专业数据处理与存储、模型即时建立及应用），这种“模型即时建立”的方法称为“动态建模”。

地学动态建模以地学建模工作流程为引导，融合多源地学数据，快速构建复杂地学特征，可实现全流程一体化的模型构建，具备地下空间动态建模、高性能网格剖分、动态更新建模成果、支持大尺度、高精度的全域范围建模等特点。地下空间动态建模采用数据精度自适应分级、自动拟合外部DEM和地质图等约束信息、自动三维拓扑追踪等建模算法，支持局部更新建模，且实现多源大工区大数据量的高精度地质模型快速构建，解决传统交互建模效率低、误差大及数据精度与数据量不可调和等问题，实现体约束建模。

在动态建模过程中，首先将专业数据源进行编辑，使之成为地学动态建模规范数据；其次，将数据进行分布式动态建模，经动态建模得到的模型可直接应用，或经过专家分析是否满足建模精度等要求，若满足则退出并应用，若不满足则返回重新进行数据处理并再次进行建模。

如图1所示，本发明的动态建模流程包括以下模块，其中：

数据处理模块101：将存储在PostgreSQL（对象-关系型数据库管理系统）中的关系数据、MongoDB（分布式文档存储数据库）中的网格数据、Elastic Search（基于Lucene的搜索服务器）中的实时数据、Hadoop（分布式系统基础架构）中的钻孔数据、断层数据、剖面数据、地形数据、物化探数据等原始数据经过分层提取及分区图自动构建，编辑为地学动态建模规范数据即建模源数据。

动态建模模块102：通过采用数据精度自适应分级、自动拟合外部DEM和地质图等约束信息、自动三维拓扑追踪等先进建模算法，包括智能构建地层面、智能构建地质体、模型拓扑检查与处理等功能模块。

分析应用模块103：经过分布式建模所得的模型可直接用于分析应用。

专家分析模块104：通过地学建模数据训练样本，融合专家意见、地学规律、地学约束等各种信息智能化建模，若自动建立的模型精度满足要求，则通过分析应用模块投入应用；若不满足则返回重新进行数据处理及建模。

如图2所示，数据处理流程具体如下：

原始数据：目前动态建模流程支持的原始数据源包括2大类5种数据：1）基础数据：钻孔数据、分区图数据（数据处理前的）；2）约束（可选）数据：地质图数据、地表高程DEM数据、体约束数据；

数据处理：数据处理流程即将原始数据加工或者更新成为可以参与建模的过程，主要有源数据处理、中间数据处理、源数据动态更新处理三个部分，包括钻孔标高调整、钻孔分层提取、分区图构建、分区图编辑、钻孔-分区图数据更新、数据检查与编辑等功能模块；

建模源数据：建模源数据即原始数据经过数据处理流程得到并最终参与构建三维模型的数据，包括2大类4种数据：

（1）基础数据——分区图数据（数据处理后的）、钻孔分层数据；

（2）约束数据（或可选数据）——顶/底DEM约束面数据、体模型数据。

源数据处理流程如图3所示，以分区图和钻孔源数据为数据源，经数据检查与处理后，作为建模源数据直接参与后续建模流程。

中间数据处理流程如图4所示，基于钻孔源数据、地质图数据、地表高程DEM数据等生产中间数据——钻孔分层数据和分区图数据，经数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

源数据动态更新处理流程如图5所示，以分区图和钻孔源数据为基础，进行基于全局或者局部的、有预期的动态更新与编辑，经数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

所述数据处理模块包括：

数据检查与处理模块：数据的质量控制可以保证动态建模流程与结果科学、有效、顺畅，贯穿于整个建模流程中。提供相应的数据检查与处理工具，包括对钻孔和分区图等不同类型数据的检查与处理、钻孔重复分层的检查、分区图生成与编辑前后的检查、常规的拓扑检查与处理等。

分层点提取模块：利用钻孔导入后的结果数据（钻孔基本信息+钻孔分层信息+钻孔标准层序信息），根据待提取的地层级别进行地层合并处理，去除倒序孔和重复孔等问题孔，基于标准层序信息提取每一层的分层点。结果分层点默认按照地层从上到下的顺序输出，同时也可按实际需求输出对应的地层层序、图形信息、地层厚度、钻孔编码等结果。

分区图构建模块：分区图构建是基于钻孔有效分层点、无效点以及地质图边界约束线等数据为基础经过插值和等值追踪等方法，追出每一层的分区图。

分区图编辑模块：分区图可能存在碎小区、分层点与分区图不匹配、区拓扑问题等，在建模前需要进行分区图数据编辑。分区图检查结果修正即根据分区图与钻孔分层点一致性检查结果，对存在的问题进行修正处理；分区图整合即将分区图按建模顺序组织数据，利用给定的建模格网参数进行规整，避免后续构面构体流程出现悬挂面或者空洞等问题。

分区图更新：动态建模流程的优势之一即支持模型的动态更新。支持两种更新方式：全局更新和局部更新。全局更新，也即分区图重构，适用于待更新的钻孔数据体量大、分布范围广泛，为更好真实全面地刻画模型的地质规律和特征。局部更新，即对分区图的局部进行更新与编辑的操作，适用于待更新钻孔数据体量小、分布范围小且集中。

如图6所示，动态建模模块包括：

智能构建地层面模块：

1）单级模型自动构建指利用建模源数据流程提供的钻孔分层数据、分区图数据、顶底面约束数据等，基于选择的建模方式和给定的格网参数智能构建地层面。程序会根据建模范围和实际数据情况自动进行分块构建地层面模型；

2）多级模型的约束构建是在单级模型构建的基础上，为适应和满足多级地层的精细建模需求，引用大层的体模型数据作为约束框架参与构建更精细分层的地层面模型。

智能构建地质体模块：智能构建的地层面模型，经过相应的模型拓扑检查与处理流程后，基于选择的建模方式和给定的格网参数会自动进行搜索并构建体模型，创建最终的三维地质体模型。

模型拓扑检查与处理模块：地层面的拓扑检查与处理主要考虑模型是否存在悬挂面、悬挂边、多Z值、特征三角形等问题，以保证模型没有拓扑问题，便于后续进行自动搜索并构建体模型。体模型的拓扑检查与处理主要考虑体模型是否封闭、是否存在面自相交和悬挂边等影响模型切割、漫游及三维分析等的问题。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地学动态建模方法，其特征在于，其步骤包括：

S1、将原始数据经过数据处理，编辑为地学动态建模源数据；

S2、将所得建模源数据通过建模算法进行分布式动态建模；

S3、经过分布式动态建模所得的模型可直接用于分析应用；或进行下一步骤S4；

S4、经过专家分析验证，若建立的模型精度满足要求，则退出并用于分析应用；若不满足则返回步骤S1重新进行数据处理，并再次进行建模。

2.根据权利要求1所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述步骤S1中的数据处理是将原始数据加工或更新成为可以参与建模的建模源数据，包括源数据处理、中间数据处理、源数据动态更新处理三个部分。

3.根据权利要求2所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述原始数据包括2大类5种数据：

1）基础数据：钻孔源数据、分区图数据；

2）约束数据：地质图数据、地表高程DEM数据、体约束数据；

所述建模源数据包括2大类4种数据：

1）基础数据：分区图数据、钻孔分层数据；

2）约束数据：顶/底DEM约束面数据、体模型数据。

4.根据权利要求3所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述源数据处理是以分区图数据和钻孔源数据为数据源，经数据检查与处理后，作为建模源数据直接参与后续建模流程。

5.根据权利要求3所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述中间数据处理是将钻孔源数据、地质图数据、地表高程DEM数据处理为包括钻孔分层数据和分区图数据在内的中间数据，经分层点提取、分区图构建、分区图编辑并进行数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

6.根据权利要求3所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述源数据动态更新处理是基于分区图数据和钻孔源数据，进行基于全局或者局部的、有预期的分区图更新，经数据检查与处理后，作为建模源数据参与后续建模流程。

7.根据权利要求1所述的地学动态建模方法，其特征在于：所述步骤S2中的动态建模的构建流程包括：

S21、智能构建地层面：

1）单级模型自动构建，基于选择的建模方式和给定的格网参数，利用建模源数据智能构建地层面，根据建模范围和实际数据情况自动进行分块构建地层面模型；

2）多级模型的约束构建，是在单级模型构建的基础上，为适应和满足多级地层的精细建模需求，引用大层的体模型数据作为约束框架参与构建更精细分层的地层面模型；

S22、智能构建地质体：智能构建的地层面模型，经过相应的模型拓扑检查与处理流程后，基于选择的建模方式和给定的格网参数会自动进行搜索并构建体模型，创建最终的三维地质体模型；

S23、模型拓扑检查与处理：

地层面的拓扑检查与处理主要针对模型是否存在悬挂面、悬挂边、多Z值、特征三角形的问题，以保证模型没有拓扑问题，便于后续进行自动搜索并构建体模型；

体模型的拓扑检查与处理主要针对体模型是否封闭、是否存在面自相交和悬挂边这种影响模型切割、漫游及三维分析的问题。

8.一种地学动态建模系统，其不同之处在于：其包括

数据处理模块：将原始数据编辑处理成为地学动态建模源数据；

动态建模模块：利用建模源数据进行分布式动态建模；

分析应用模块：将分布式建模所得的模型直接用于分析应用；

专家分析模块：对建立的模型分析验证，若模型精度满足要求，则通过分析应用模块用于分析应用；若不满足则返回重新通过数据处理模块进行数据处理，并通过动态建模模块进行建模。

9.根据权利要求8所述的地学动态建模系统，其特征在于：所述数据处理模块包括

数据检查与处理模块：对不同类型数据的检查与处理、钻孔重复分层的检查、分区图生成与编辑前后的检查、常规的拓扑检查与处理；

分层点提取模块：利用钻孔导入后的结果数据，根据待提取的地层级别进行地层合并处理，去除问题孔，基于标准层序信息提取每一层的分层点；

分区图构建模块：基于钻孔有效分层点、无效点以及地质图边界约束线的数据为基础经过插值和等值追踪方法，追出每一层的分区图；

分区图编辑模块：包括分区图检查结果修正和分区图整合；分区图检查结果修正即根据分区图与钻孔分层点一致性检查结果，对存在的问题进行修正处理；分区图整合，将分区图按建模顺序组织数据，利用给定的建模格网参数进行规整，避免后续构面构体流程出现悬挂面或者空洞问题；

分区图更新模块：支持全局更新和局部更新两种更新方式；全局更新，即分区图重构，适用于待更新的钻孔数据体量大、分布范围广泛，为更好真实全面地刻画模型的地质规律和特征；局部更新，即对分区图的局部进行更新与编辑的操作，适用于待更新钻孔数据体量小、分布范围小且集中。

10.根据权利要求8所述的地学动态建模系统，其特征在于：所述动态建模模块包括

智能构建地层面模块：包括单级模型自动构建和多级模型的约束构建；

智能构建地质体模块：创建最终的三维地质体模型；

模型拓扑检查与处理模块：对模型进行拓扑检查与处理。

Images