CN111161415A - 一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，顺序的包括如下步骤：1)对岩溶区进行地质勘验，得到岩溶区的地质，地基、地下水的勘探参数，基于勘探参数建立水岩溶发育通道建立地质结构模型，得到地质结构图；2)利用数字高程模型DEM生成正立体视觉效果的人工光源图像，通过光谱保真融合处理，将人工光源图像与地质图进行数据融合，形成视立体地质图，该方法快速高效的模拟岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间，进行模型搭建，以直接的方式呈现。

Description

一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法

技术领域

本发明涉及地下水探测领域，具体涉及一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法。

背景技术

岩溶地貌是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀作用等所形成的地表和地下形态的总称。按照出露条件分为裸露型岩溶、覆盖型岩溶、埋藏式岩溶，覆盖型岩溶是指松散堆积物覆盖下发育的岩溶。我国的可溶性碳酸盐岩分布面积达3.44×106Km2,占国土面积的1/3以上,其中碳酸盐岩出露面积约91万km2，分布广、面积大。主要分布在广西、贵州、云南和广东,是世界上最大的岩溶区之一。岩溶不良地质构成的岩溶地基常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏.随着越来越多的工程兴建在岩溶地区，岩溶地基问题成为工程建设中的突出问题,加强岩溶地基稳定性分析评价,采用合理、经济的地基处理措施,有着重大的技术价值和经济意义。

我国的岩溶发育分布较为广泛，造就奇特自然景象的同时，也给工程的安全实施带来系列地质灾害的发生，尤其遇到地下水位升降和人类抽排地下水共同导致隐伏岩溶区在地面塌陷的现象。因此，在岩溶地区河道工程治理中有必要明确不良岩溶体的分布特征，降低岩溶塌陷和地表水漏失引发工程灾害的风险。

目前，河道勘察手段主要以钻探为主，而分散的钻孔取样资料往往只是“一孔之见”，尤其遇到地质条件比较复杂，岩土层变化频繁，仅凭有限钻孔难以全面有效地查明地质异常区的分布、延展、规模及形态情况，况且钻孔布置也存在主观盲目性，检测效率低下、代价成本高等缺点，况且河道勘察不仅关注于两岸堤地层分布，同时也要查明溶洞在河床区的发育特征，而钻孔在河床内布置存在较多困难。

目前，工程勘察主要采用二维成像技术反映出观测系统下方岩溶区地下水岩溶发育通道的分布规律，而溶洞在空间上表现为三维几何地质体，利用简单的二维图像合成或拼接成三维图像难以有效刻画出真实溶洞通道的立体特征。

由此可知，对于岩溶区地下水岩溶发育通道的建模研究意义重大，需要设计一种可以探测岩溶区地下水岩溶发育通道及其三维空间建模模拟的方式来分析研究，以及呈现。

目前，这种岩溶区地下水岩溶发育通道的多维动态系统模型既是一个优化管理模型,又是一个岩溶区地下水岩溶发育通道动态的预测预报模型。作为优化管理模型,它能提供在不同补给和地下水埋深或水位情况下,为满足各种约束条件所需的最优地下水开采量；作为预测预报模型,也可预测不同补给和开采情况下,地下水位的动态变化,以指导系统的运行管理和调控,达到最优开发利用水岩溶的目的。然而，现有技术中对于岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，算法简单，且模拟效果不佳，不能有效的即使的呈现和快速的模拟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，其能够快速有效的岩溶区地下水岩溶发育通道进行探测后的数据进行处理模拟，从而快速高效的模拟岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间，进行模型搭建，以直接的方式呈现。

本发明提供了一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，顺序的包括如下步骤：

1)对岩溶区进行地质勘验，得到岩溶区的地质，地基、地下水的勘探参数，基于勘探参数建立水岩溶发育通道建立地质结构模型，得到地质结构图，具体的流程为；

(1.1)将岩溶区的建模区域进行区域划分，按照预设的规则将建模区域分成若干个子区域；

(1.2)在每个子区域中采集一组勘探参数，获取这一组的勘探参数，构成对应的数据组D，数据组D中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的勘探数据；

(1.3)将数据组D内多个勘探位置分别对应的勘探数据进行处理，获取这些钻孔数据的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子；

(1.4)初次建模完成后，获取更新后的勘探参数,利用水岩溶发育通道建立地质结构模型，基于更新后的勘探参数进行模型更新，得到更新后的水岩溶发育通道地质结构模型，得到地质结构图

2)利用数字高程模型DEM生成正立体视觉效果的人工光源图像，通过光谱保真融合处理，将人工光源图像与地质图进行数据融合，形成视立体地质图，具体的流程为；

(2.1)制作具有正立体视觉效果的人工光源图像，通过地质结构图的地理编码信息，使地质结构图与人工光源图像具有相同的地理坐标系统，在空间位置上精确配准；

(2.2)将人工光源图像当作高分辨率图像，采用光谱保真融合处理对地质结构图和人工光源图像进行数据融合处理，对其进行数据融合处理:把地质结构图当作低分辨率图像，采用色度空间变换方法，以地质结构图的色度与饱和度为新的色度与饱和度分量，以人工光源图像的亮度为新的强度分量，进行反色度空间变换，生成有地质结构图的地质信息，还有直观的地形地貌景观特征和地质单元图例颜色的视立体地质图。

在优选的方式中，勘探参数为地质层分界点数据、地质层类型数据和水域数据。

在优选的方式中，步骤2.1)还包括在地质结构图上选取地面控制点，对地质结构图重新进行影像校正。

在优选的方式中，步骤2.1)还包括将地质结构图的分区信息进行单独生成影像文件，对影像文件进行栅格校正使其与人工光源图像具有相同的投影方式和投影参数，在空间位置上精确配准。

在优选的方式中，勘探数据的相关度是根据其各个数据偏移此组数据组中的标准值偏差确定的，根据其偏离程度确定钻孔数据之间相关度；相关因子的获取是基于多个相关度之间偏离整个建模区域设置的更新阈值程度确定的。

在优选的方式中，步骤(1.4)具体为：

按照之前预设的规则将岩溶区建模区域分成的若干个子区域，依旧获取这一组的勘探，构成对应的新数据组E；在每一个子区域中都有一组对应的数据组E，并且数据组E中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的钻孔数据；

对于每一个子区域,将数据组E内多个勘探位置分别对应的勘探数据进行处理，获取这些勘探数据的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子；

将新的相关度和相关因子，分别与步骤(1.3)中得到的相关度和相关因子进行比较，根据比较结果来最确定需要更新的子区域模型，实现水岩溶发育通道地质结构模型更新。

在优选的方式中，所述根据比较结果来最确定需要更新的子区域模型具体为：根据先后相同的勘探位置对应的新的相关度和步骤(1.3)中对应的相关度进行比较，当两者之间的偏差大于预设的阈值时，则进行子区域建模模型更新；

根据新的勘探位置对应的获取与其相邻的勘探位置之间的新的相关度，确定其是否满足相关度范围，如果超出范围，则进行子区域建模模型更新；

对于每个子区域，将新获取的相关因子和步骤(1.3)中对应获取的子区域的相关因子进行比较，确定两者之间的偏差是否大于预设的阈值：

A.如果仅两个及以下的子区域的偏差大于预设的阈值，则仅对应的更新子区域的地质模型；

B.如果大于两个且小于等于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则将此子区域的边界连接在一起构成更新区域,对应的更新此更新区域的地质模型；

C.如果大于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则对整个岩溶区的建模区域进行完整的更新。

本发明的岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，可以实现：

1)对岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟，快速有效的岩溶区地下水岩溶发育通道进行探测后的数据进行处理模拟，快速高效的模拟岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间，进行模型搭建，以直接的方式呈现。

2)以数字高程模型生成的人工光源正立体图像为基础，制作视立体地质图，在传统平面地质图之上，增加了直观的、具有立体感的地形地貌影像特征，是一种新图示形式的地质图，具有直观性强、地形地貌信息丰富等特点，制作视立体地质图数据获取简单，基础数据为数字地形模型DEM；

3)提出一种局部采集分析处理的方式，可以提高更新效率。

附图说明

图1为岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法流程图；

图2为地质结构图获取方法流程图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，其具体的流程如附图1-2所示，附图1记载了岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法的流程，附图2记载地质结构图获取方法流程图，下面对具体的流程方法进行说明。

如附图1所示，其为一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法的流程图，其中岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法具体顺序的包括如下步骤：

对岩溶区进行地质勘验，得到岩溶区的地质，地基、地下水的勘探参数，基于勘探参数建立水岩溶发育通道建立地质结构模型，得到地质结构图。其中，在勘验的过程中，利用勘探参数可以对应的获取岩溶区的地质结构，例如地质层分界点数据、地质层类型数据、水域数据等，对应的勘探参数可以是钻孔勘探的钻孔数据。

下面，进一步的介绍建立地质结构模型，得到地质结构图具体流程：

首先将岩溶区的建模区域进行区域划分，按照预设的规则将建模区域分成若干个子区域，具体的规则可以进行选择，例如将建模区域分成若干个矩形子区域。

然后，在每个子区域中再进行一组勘探参数，获取这一组的勘探参数，构成对应的数据组D。其中，每一个勘探位置上都设置采样点，对岩溶区的地质数据进行采集。

这样，在每一个子区域中都有一组对应的数据组D，并且数据组D中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的勘探参数。对于每一个子区域而言，其地质结构变化可能很大，也可能不大。在此基础上，本发明将数据组D内多个勘探位置分别对应的勘探参数进行处理，获取这些勘探参数的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子。具体的，这些勘探参数的相关度是根据其各个数据偏移此组数据组中的标准值偏差确定的，根据其偏离程度确定勘探参数之间相关度。相关因子的获取是基于多个相关度之间偏离整个建模区域设置的更新阈值程度确定的。

在建模的开始阶段，利用水岩溶发育通道三维地质结构建模模型，根据获取的岩溶区的地质，地基、地下水的勘探参数进行建模。传统的方法则为直接利用三维地质结构模型参数进行建模，其参数未经过分组归类，建模过程数据量处理大，效率很低。

初次建模完成后，随着地质勘查工作的不断推进，积累的勘探参数越来越多，需求的精度也越来越高，为了进一步提高三维模型数据的质量、准确性，需要进行三维模型更新，使三维模型能够更准确地体现地需要根据情况对模型进行更新。

按照之前预设的规则将建模区域分成的若干个子区域，依旧获取这一组的勘探参数，构成对应的新数据组E。其中，依旧每一个勘探位置都设置采样点。在每一个子区域中都有一组对应的数据组E(相比数据组D具有不同的数据)，并且数据组E中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的勘探参数。对于每一个子区域而言。将数据组E内多个勘探位置分别对应的勘探参数进行处理，获取这些勘探参数的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子。

此时，可以将新的相关度和相关因子与之前的相关度和相关因子进行比较，根据比较结果来最确定需要更新的子区域模型，从而最终实现水岩溶发育通道三维空间地质结构模型的更新。

具体的，根据先后相同的勘探位置对应的新的相关度和之前对应的相关度进行比较，当两者之间的偏差大于预设的阈值时，则认为此数据变化较大，需要进行更新；根据新的勘探位置对应的获取与其相邻的勘探位置之间的新的相关度(相关度是根据其各个数据偏移此次此组数据组中的标准值偏差确定的，根据其偏离程度确定勘探参数之间相关度)，确定其是否满足相关度范围，如果超出范围则认为此数据变化较大，需要进行更新。此时，根据判断此子区域的地质结构变化情况，就可以进行单独的子区域地质模型的更新，这样可以提高效率。

从外，出了对于子区域内的更新，还需要对整个区域进行分析，根据分析情况确定是否需要进行整个建模区域的局部或整个的更新。具体的，对于每个子区域，都对应的获取了新的相关因子，这样可以将新的相关因子和之前对应的子区域的相关因子进行比较，确定两者之间的偏差是否大于预设的阈值，如果仅两个及以下的子区域的偏差大于预设的阈值，则仅对应的更新子区域的地质模型；如果大于两个且小于等于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则将此子区域的边界连接在一起构成更新区域(此区域包括了容纳于范围内的其他子区域)，此时则对应的更新此更新区域的地质模型；如果大于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则对整个建模区域进行完整的更新。

根据更新后的水岩溶发育通道三维空间地质结构模型，调整水岩溶发育通道三维空间地质结构模型，利用外源数据，对水岩溶发育通道三维空间地质结构模型参数进行匹配修正。最后，基于GIS平台，将建模结果进行数据融合，得到融合后的建模模型，从而得到地质结构图。

在建立了水岩溶发育通道三维空间地质结构模型的基础上，为了寻求一种既便于专业人员在图上作业，又能让非专业人员易于读图的影像地质图，利用数字高程模型DEM生成正立体视觉效果的人工光源图像，通过光谱保真融合处理，将人工光源图像与地质图进行数据融合，从而可以形成一种新的地质图件--视立体地质图。该视立体地质图是一种具有显著正立体视觉效果的图，不仅地形变化直观、地质信息的空间特征清晰易读，而且与传统地质图一样可以在图上进行各类作业。

这种视立体地质图不仅便于非地质专业人员读图，而且可为地质工作者进行地质体识别、地质构造分析、野外检查、地理定位以及图面测量等工作提供极大的方便，具有很强的实用价值。显然，视立体地质图具有丰富的立体地形地貌信息，有效地将平面地质图内容和地形地貌特征结合在一起，是地质图的一种新的表现形式，可以作为传统地质图件的一种补充。

利用数字高程模型(DEM)模拟具有正立体视觉效果的人工光源图像。通过数据融合处理地质图和人工光源图像，生成视立体地质图。这种新型地质图不仅具有原地质图的完整地质信息，还具有直观的地形地貌特征，立体感强；同时，数字视立体地质图具有地理编码信息，在通用图像处理软件支持下，可以确定图上任意位置的地理坐标，便于野外地质调查、地理定位及图面测量等工作，具有很高的实用价值。

视立体地质图实际上也是一种影像地质图。具体的，首先制作具有正立体视觉效果的人工光源图像，然后，通过恢复地质图的地理编码信息，使地质结构图与人工光源图像具有相同的地理坐标系统，在空间位置上精确配准。最后，采用数据保真融合方法对地质结构图和人工光源图像进行数据融合处理，生成视立体地质图。这种视立体地质图，不仅完整地保留了原地质结构图的地质信息，还带有直观的地形地貌景观信息，具有很强的立体效果。

下面，进一步的介绍人工光源图像生成的方式。人工光源图像技术，是人为设定太阳光源的位置——太阳方位角

和太阳高度角θ，计算地形起伏变化引起的地面太阳光谱照度变化，从而模拟出虽不具有地面光谱信息但带有阴影的地表图像。通过改变太阳方位角，例如反太阳方位角，可以生成具有正立体效果的模拟人工光源图像。具体的：

1、准备数据包括地形数据(等高线数据、高程点数据、1:5万地形图扫描件或电子版)；

2、将等高线抽离并按照精度进行加密；

3、对等高线及高程点进行属性结构编辑，增加高程字段；

4、对等高线及高程点进行高程属性赋值；

5、对等高线和高程点进行离散数据网格化生成数字高程模型DEM；

6、以DEM为基础，模拟具有正立体视觉效果的人工光源图像。人工光源太阳方位选择在西北方向，为了突出地形地貌特征，可以选择较小的太阳高度角。例如太阳方位角选择315°，太阳高度角选择45°，生成的人工光源图像具有较强的正立体视觉效果，地形地貌特征明显。

地质结构图本身具有地理信息，在获得了人工光源图像后，就可以基于地质结构图和人工光源图像，通过在地质结构图上选取地面控制点，对地质结构图重新进行影像校正。

1、将地质结构图的分区信息进行单独生成影像文件；

2、对影像文件进行栅格校正使其与人工光源图像具有相同的投影方式和投影参数，在空间位置上精确配准。

将人工光源图像当作高分辨率图像，把地质结构图当作低分辨率图像，对其进行数据融合处理。数据融合可以采用色度空间变换方法，以地质结构图的色度与饱和度为新的色度与饱和度分量，以人工光源图像的亮度为新的强度分量，进行反色度空间变换，生成不仅有地质结构图的地质信息，还有直观的地形地貌景观特征和地质单元图例颜色的新图像。使用光谱保真融合方法，可以保证视立体地质图的图斑颜色与地质结构图的地质单元图例颜色完全一致。

将融合图像叠加，调整图层排列顺序即可得到融合后的视立体地质图，实现岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (7)

1.一种岩溶区地下水岩溶发育通道三维空间模拟方法，其特征在于，顺序的包括如下步骤：

1)对岩溶区进行地质勘验，得到岩溶区的地质，地基、地下水的勘探参数，基于勘探参数建立水岩溶发育通道建立地质结构模型，得到地质结构图，具体的流程为；

(1.1)将岩溶区的建模区域进行区域划分，按照预设的规则将建模区域分成若干个子区域；

(1.2)在每个子区域中采集一组勘探参数，获取这一组的勘探参数，构成对应的数据组D，数据组D中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的勘探数据；

(1.3)将数据组D内多个勘探位置分别对应的勘探数据进行处理，获取这些钻孔数据的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子；

(1.4)初次建模完成后，获取更新后的勘探参数,利用水岩溶发育通道建立地质结构模型，基于更新后的勘探参数进行模型更新，得到更新后的水岩溶发育通道地质结构模型，得到地质结构图；

2)利用数字高程模型DEM生成正立体视觉效果的人工光源图像，通过光谱保真融合处理，将人工光源图像与地质图进行数据融合，形成视立体地质图，具体的流程为；

(2.1)制作具有正立体视觉效果的人工光源图像，通过地质结构图的地理编码信息，使地质结构图与人工光源图像具有相同的地理坐标系统，在空间位置上精确配准；

(2.2)将人工光源图像当作高分辨率图像，采用光谱保真融合处理对地质结构图和人工光源图像进行数据融合处理，对其进行数据融合处理:把地质结构图当作低分辨率图像，采用色度空间变换方法，以地质结构图的色度与饱和度为新的色度与饱和度分量，以人工光源图像的亮度为新的强度分量，进行反色度空间变换，生成有地质结构图的地质信息，还有直观的地形地貌景观特征和地质单元图例颜色的视立体地质图。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：勘探参数为地质层分界点数据、地质层类型数据和水域数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2.1)还包括在地质结构图上选取地面控制点，对地质结构图重新进行影像校正。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤2.1)还包括将地质结构图的分区信息进行单独生成影像文件，对影像文件进行栅格校正使其与人工光源图像具有相同的投影方式和投影参数，在空间位置上精确配准。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：勘探数据的相关度是根据其各个数据偏移此组数据组中的标准值偏差确定的，根据其偏离程度确定钻孔数据之间相关度；相关因子的获取是基于多个相关度之间偏离整个建模区域设置的更新阈值程度确定的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1.4)具体为：

按照之前预设的规则将岩溶区建模区域分成的若干个子区域，依旧获取这一组的勘探，构成对应的新数据组E；在每一个子区域中都有一组对应的数据组E，并且数据组E中包括了这一组内多个勘探位置分别对应的钻孔数据；

对于每一个子区域,将数据组E内多个勘探位置分别对应的勘探数据进行处理，获取这些勘探数据的相关度，并且基于多个相关度得到相关因子；

将新的相关度和相关因子，分别与步骤(1.3)中得到的相关度和相关因子进行比较，根据比较结果来最确定需要更新的子区域模型，实现水岩溶发育通道地质结构模型更新。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述根据比较结果来确定需要更新的子区域模型具体为：根据先后相同的勘探位置对应的新的相关度和步骤(1.3)中对应的相关度进行比较，当两者之间的偏差大于预设的阈值时，则进行子区域建模模型更新；

根据新的勘探位置对应的获取与其相邻的勘探位置之间的新的相关度，确定其是否满足相关度范围，如果超出范围，则进行子区域建模模型更新；

对于每个子区域，将新获取的相关因子和步骤(1.3)中对应获取的子区域的相关因子进行比较，确定两者之间的偏差是否大于预设的阈值：

A.如果仅两个及以下的子区域的偏差大于预设的阈值，则仅对应的更新子区域的地质模型；

B.如果大于两个且小于等于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则将此子区域的边界连接在一起构成更新区域,对应的更新此更新区域的地质模型；

C.如果大于五个的子区域的偏差大于预设的阈值，则对整个岩溶区的建模区域进行完整的更新。

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