CN111311746A - 一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，首先对钻孔群数据进行集成，根据Voronoi算法确定钻孔群的邻接关系矩阵，将钻孔地质揭露信息转换为字符串数据，应用字符串相似度算法识别邻接钻孔字符串的公共子序列。根据Voronoi图确定钻孔群平面域的生长路径，并求得各地质体在大地平面的投影区域的分布形态。对邻接钻孔区间内的非连续贯通体引入新的控制点，连接连续贯通地质体和控制点，创建邻接钻孔区间地质剖面，将所有地质剖面转换到三维空间即可生成三维地质骨架网络，并最终组装形成三维地质模型。该方法可直接基于钻孔数据，对复杂地质体进行自动化三维地质建模，综合考虑了钻孔群的三维拓扑关系，提高了数据利用率和模型精度，能够应用于BIM开发和智慧城市建设。

Description

一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法

技术领域

本发明涉及一种三维地质建模技术，尤其涉及一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法。

背景技术

三维地质建模在建设工程的BIM协同设计和智慧城市的建设中占据重要地位。由于测量手段的限制，勘察测量中往往只能根据少量的钻孔资料对地质分布情况进行人工分析，并借助各种插值方法如克里金插值法、反距离加权插值法来计算得到邻接钻孔区间内的地质界面剖线。然后在国外的各类商业软件如Civil 3D中将大量的地质横纵剖面图导入，生成三维地质模型。

这种传统的三维地质建模方法存在三个弊端：

1、必须经过大量的人工干预才能完成，自动化水平低，设计修改繁琐，生产周期长，效率低下，容易出错；

2、计算地质界面所采用的二维插值方法没有综合考虑钻孔群的三维空间信息，而三维空间插值方法对常见的复杂地质体如地层尖灭、侵入体、透镜体等难以处理；

3、现有商业软件提供的功能相当基础，不能满足复杂地质体和特殊工程的实际建模需求，同时在实际应用中缺乏相关的自主知识产权。

近年来，由国内高校所提出的一些三维地质建模方法，主流的有两种：其一为通过地质统计学和随机场理论来构建较为科学严谨的三维地质模型，有时还会将地质统计学与认知学结合起来，以使地质模型与当前的地质观察和理解相一致；其二，是对已有的一些空间插值方法进行改进和优化，以达到自动化建模的目的。但由于稀疏的样本数据和复杂的地质构造，想要在忠实于样本钻孔数据的情况下对复杂地质构造不加简化的进行三维地质建模仍是困难重重，不仅严重依赖于人工干预，而且可操作性极差。现有的技术方法与三维地质的客观分布情况仍存在很大矛盾，许多构想并不实用，难以推广。在这种情况下，有必要从实际三维地质建模的需求出发，自上而下的对技术方法进行革新，从钻孔建模的底层逻辑出发，自下而上的对建模算法进行架构，以满足自动化生产的需要，并为BIM开发和智慧城市提供可操作的对象属性。

发明内容

为了能有效地处理复杂地质体，提高三维地质建模的精度和自动化水平，服务于BIM技术的应用和智慧城市的建设，本发明提出了一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，创新性的将原始钻孔数据与三维地质建模进行了全栈的有机结合，而非直接采用传统的空间插值方法与地质统计学方法间接处理。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：通过应用Voronoi算法计算确定钻孔群的邻接关系，将复杂地质体拆分到各个邻接钻孔区间，应用采用贝叶斯优化的字符串相似度智能算法自动化地识别并标记邻接钻孔区间内的连续贯通地质体与非连续贯通地质体，基于平面域的概念确定各地质体单元在大地平面上的投影范围，基于地质体的生长规则得到邻接钻孔区间的地质剖面并通过平面域对地质体形态加以约束，将所有邻接钻孔区间转换到三维空间建立复杂地质体的三维骨架网络，逐一生成地质单元实体对象并完成三维地质模型的组装。

在上述方案基础上优选，包括如下步骤：

S1：邻接钻孔孔间地质夹层识别：通过Voronoi算法生成Voronoi图即泰森多边形，根据泰森多边形的公共边关系确定钻孔点云的邻接关系；将各钻孔的地质揭露信息转换为字符串组合，应用字符串相似度算法确定邻接钻孔的公共字符串子序列，从而自动识别出邻接钻孔区间内的连续贯通地质层和非连续贯通地质层；

S2，确定钻孔群所在地质层的平面域：在步骤S1所得钻孔群平面点云的Voronoi图上，以各钻孔点为圆心作辅助圆，直径为Voronoi图中所有邻接钻孔的最大连线长度L乘以系数1.05，从而得到相应连续贯通地质层的平面域分布，邻接钻孔所在地质层向xy平面投影的平面域的生长形态由辅助圆扩张半径内的重叠面积大小控制；

S3，生成地质界面的三维骨架网络：获得步骤S1中应用经贝叶斯优化的字符串相似度算法所确定的区间内非连续贯通地质层信息，结合步骤S2中所确定的平面域形态，自动建立邻接钻孔区间剖面上的工程地质剖面图；根据钻孔坐标分布，将钻孔群的所有邻接区间剖面转换为三维分布，视地层剖面线为对象，为其添加属性，从而自动建立面向对象的地质界面三维骨架网络；

S4，生成并组装地质体单元：对步骤S3中建立的地质界面三维骨架网络，遍历该三维骨架网络的对象属性，逐一对三维骨架网络所构成的地质体单元进行骨架蒙面，生成地质单元实体，最终将所有地质单元实体作为对象进行组装，建立复杂地质情况下的三维地质模型。

在上述方案基础上优选，步骤S1中确定连续贯通地质层的方法包括：根据钻孔所在的地区、环境和前期地勘资料，确定贝叶斯模型的先验概率；将钻孔地质层揭露顺序生成有序字符串代码，应用字符串相似度算法识别邻接钻孔字符串的潜在公共子序列组合，同时计算出这些组合的似然值；应用贝叶斯统计方法，计算得到邻接钻孔区间地质分布的条件分布概率，将贝叶斯概率最大的公共子序列组合添加标记，所得邻接钻孔区间的字符串公共子序列即为该区间内的连续贯通地质层。

在上述方案基础上优选，步骤S3中邻接钻孔区间剖面上的工程地质剖面图建立步骤包括：将非连续贯通地质体自夹层的上下界面向邻接区间内伸出两条曲线相交于控制点处，并由控制点来对地质夹层的形状和范围进行控制；结合步骤S2所得地质层的平面域分布对控制点的位置进行调整，处理完该区间内的所有夹层后，用曲线连接剩余的连续贯通地质体的地质界面，即可得到该邻接钻孔区间内的地质剖面图，循环重复以上步骤。

在上述方案基础上优选，步骤S4中在生成实体的过程中，相邻实体对象的接触面只生成一次，然后对接触面进行复制，分发到各个邻接的实体对象；通过控制蒙面函数的参数，对实体对象生成过程中的插值曲面进行智能控制和优化。

本发明的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，首先对钻孔群数据进行集成，根据Voronoi算法确定钻孔群的邻接关系矩阵，将钻孔地质揭露信息转换为字符串数据，应用字符串相似度算法识别邻接钻孔字符串的公共子序列，从而自动识别邻接钻孔区间内的连续贯通地质体和非连续贯通地质体；根据Voronoi图确定钻孔群平面域的生长路径，并求得各地质体在大地平面的投影区域的分布形态；对邻接钻孔区间内的非连续贯通体引入新的控制点，控制点位置与地质体的平面域边界相关联，连接连续贯通地质体和控制点，自动创建邻接钻孔区间地质剖面，将所有地质剖面转换到三维空间即可生成三维地质骨架网络；对三维骨架网络所构成的地质体单元进行实体的自动化生成，并最终组装形成三维地质模型。

本发明的具体优点如下：

(1)针对已有钻孔勘探数据，设计了邻接钻孔区间地质剖面自动化建模流程，通过Voronoi算法判定钻孔群邻接的拓扑关系，通过字符串相似度算法自动识别邻接钻孔区间内的连续贯通地质体和非连续贯通地质体。该方法可以充分利用所有的钻孔数据，综合考虑钻孔群的空间拓扑关系，提高了建模的自动化水平、数据利用效率和模型可靠度。

(2)提出了平面域的概念和计算方法，将平面域与邻接钻孔区间地质剖面动态结合，自动化地建立地质体单元实体的三维骨架网络，并最终组装生成三维地质模型。为地质体模型创建类，所有地质体、地质界面和地质三维骨架网络都可以作为对象，通过相关的函数高效地进行查询、调用、控制和添加/删除对象属性，从而扩大了工程技术人员的可操作空间，提升了工作效率。

(3)不仅可以应用于大尺度的地质体建模，更可以有效解决侵入体、透镜体等复杂地质体在三维地质建模中的困难，实现了直接根据原始钻孔数据进行三维地质的自动化建模，能够构建更加符合地质实际、精度更高的复杂地质构造三维模型，为工程地质的分析和计算提供可靠可信的模型基础与支撑。

附图说明

图1为本发明实施例中基于钻孔数据的智能三维地质建模流程示意图；

图2a和2b为本发明实施例中线性生长路径下确定地质层平面域分布形态的示意图；

图3为本发明实施例的钻孔取样情况示意图；

图4为本发明本实施例中邻接钻孔区间通过算法确定的地质界面连接示意图；

图5为本发明实施例中邻接钻孔区间真实的地质分布剖面示意图；

A代表淤泥层，B代表沙砾层，C代表粉质黏土层，D代表砂质黏性土层。

具体实施方式

下面对本发明实施例作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1，邻接钻孔孔间地质夹层识别：

钻孔总数为n，输入钻孔数据，包括经纬度坐标或xy平面坐标、孔口高程、钻孔所揭露各地质层的底面高程、钻孔倾角等。根据坐标将所有钻孔点投影在xy二维平面上，应用Voronoi算法生成钻孔群点云的泰森多边形分布，即Voronoi图，由泰森多边形的公共边关系确定钻孔点的邻接关系。用一个n×n的矩阵M1存储钻孔邻接关系。将各钻孔的地质揭露信息转换为字符串组合，应用字符串相似度算法可确定邻接钻孔的公共字符串子序列，从而自动识别出邻接钻孔区间内的连续贯通地质层和非连续贯通地质层。

根据钻孔所在的地区如甘肃、上海，环境如港口、市区和前期地勘资料等，确定贝叶斯模型的先验概率P(h)。将钻孔地质层揭露顺序生成有序字符串代码，应用字符串相似度算法识别邻接钻孔字符串的潜在公共子序列组合，同时计算出这些组合的似然值P(D|h)。应用贝叶斯统计方法，计算得到邻接钻孔区间地质分布的条件分布概率P(h|D)。将贝叶斯概率P(h|D)最大的公共子序列组合添加标记，存储在n×n×m的矩阵空间M2中，其中m为最大字符串长度。所得邻接钻孔区间的字符串公共子序列即为该区间内的连续贯通地质层。

S2，确定钻孔群所在地质层的平面域：

在步骤S1所得钻孔群平面点云的Voronoi图上，钻孔群Voronoi图中邻接钻孔间的连线称为生长路径。请参阅图2a和图2b，查询矩阵M2中标记过的字符串公共子序列，将构成同一连续贯通地质层的钻孔置于生长路径上，以所有邻接钻孔的最大连线长度L乘上系数1.05为直径，以取出的这一批钻孔点为圆心作辅助圆。邻接钻孔所在地质层向xy平面投影的平面域的生长形态由辅助圆扩张半径内的重叠面积大小控制。

S3，生成地质界面的三维骨架网络：

读取存储矩阵，获得步骤S1中应用经贝叶斯优化的字符串相似度算法所确定的区间内非连续贯通地质层信息，也称为钻孔区间地质夹层。结合步骤S2中所确定的平面域形态，自动建立邻接钻孔区间剖面上的工程地质剖面图。

从矩阵M1的上对角阵循环查询钻孔群中钻孔点的邻接关系。对其中某一组具体的邻接钻孔，创建虚拟地质剖面，查询矩阵M2获取邻接区间内的公共子序列，即为该区间内的连续贯通地质体，其余则被标记为非连续贯通地质体，也就是该区间内的地质夹层。

表1相邻钻孔的字符串公共序列标定列表

如表1所示，表1中A代表淤泥层，B代表沙砾层，C代表粉质黏土层，D代表砂质黏性土层，根据表1中相邻钻孔的字符串公共序列标定列表，画出钻孔取样示意图，如图3所示。再将非连续贯通地质体自夹层的上下界面向邻接区间内伸出两条曲线相交于控制点P处，并由控制点P来对地质夹层的形状和范围进行控制。结合步骤S2所得地质层的平面域分布对控制点P的位置进行调整。处理完该区间内的所有夹层后，用曲线连接剩余的连续贯通地质体的地质界面，即可得到该邻接钻孔区间内的地质剖面图，循环重复以上步骤。得到如图4所示的本实施例中邻接钻孔区间通过算法确定的地质界面连接示意图。

然后根据钻孔坐标分布，自动地将钻孔群的所有邻接区间剖面转换为三维分布，视地层剖面线为对象，为其添加属性，即可自动建立面向对象的地质界面三维骨架网络。

S4，生成并组装地质体单元：

对步骤S3中建立的地质界面三维骨架网络，遍历该三维骨架网络的对象属性，逐一对三维骨架网络所构成的地质体单元进行骨架蒙面，生成地质单元实体，如图5所示。在生成实体的过程中，相邻实体对象的接触面只生成一次，然后对接触面进行复制，分发到各个邻接的实体对象。通过控制蒙面函数的参数，对实体对象生成过程中的插值曲面进行智能控制和优化。最终将所有地质单元实体作为对象进行组装，从而建立复杂地质情况下的三维地质模型。

本发明设计的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，可直接基于钻孔数据，对复杂地质体进行自动化三维地质建模，综合考虑了钻孔群的三维拓扑关系，提高了数据利用率和模型精度，能够应用于BIM开发和智慧城市建设。

上述实施例为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，其特征在于：通过应用Voronoi算法计算确定钻孔群的邻接关系，将复杂地质体拆分到各个邻接钻孔区间，应用采用贝叶斯优化的字符串相似度智能算法自动化地识别并标记邻接钻孔区间内的连续贯通地质体与非连续贯通地质体，基于平面域的概念确定各地质体单元在大地平面上的投影范围，基于地质体的生长规则得到邻接钻孔区间的地质剖面并通过平面域对地质体形态加以约束，将所有邻接钻孔区间转换到三维空间建立复杂地质体的三维骨架网络，逐一生成地质单元实体对象并完成三维地质模型的组装。

2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：邻接钻孔孔间地质夹层识别：通过Voronoi算法生成Voronoi图即泰森多边形，根据泰森多边形的公共边关系确定钻孔点云的邻接关系；将各钻孔的地质揭露信息转换为字符串组合，应用字符串相似度算法确定邻接钻孔的公共字符串子序列，从而自动识别出邻接钻孔区间内的连续贯通地质层和非连续贯通地质层；

S2，确定钻孔群所在地质层的平面域：在步骤S1所得钻孔群平面点云的Voronoi图上，以各钻孔点为圆心作辅助圆，直径为Voronoi图中所有邻接钻孔的最大连线长度L乘以系数1.05，从而得到相应连续贯通地质层的平面域分布，邻接钻孔所在地质层向xy平面投影的平面域的生长形态由辅助圆扩张半径内的重叠面积大小控制；

S3，生成地质界面的三维骨架网络：获得步骤S1中应用经贝叶斯优化的字符串相似度算法所确定的区间内非连续贯通地质层信息，结合步骤S2中所确定的平面域形态，自动建立邻接钻孔区间剖面上的工程地质剖面图；根据钻孔坐标分布，将钻孔群的所有邻接区间剖面转换为三维分布，视地层剖面线为对象，为其添加属性，从而自动建立面向对象的地质界面三维骨架网络；

S4，生成并组装地质体单元：对步骤S3中建立的地质界面三维骨架网络，遍历该三维骨架网络的对象属性，逐一对三维骨架网络所构成的地质体单元进行骨架蒙面，生成地质单元实体，最终将所有地质单元实体作为对象进行组装，建立复杂地质情况下的三维地质模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，其特征在于：步骤S1中确定连续贯通地质层的方法包括：根据钻孔所在的地区、环境和前期地勘资料，确定贝叶斯模型的先验概率；将钻孔地质层揭露顺序生成有序字符串代码，应用字符串相似度算法识别邻接钻孔字符串的潜在公共子序列组合，同时计算出这些组合的似然值；应用贝叶斯统计方法，计算得到邻接钻孔区间地质分布的条件分布概率，将贝叶斯概率最大的公共子序列组合添加标记，所得邻接钻孔区间的字符串公共子序列即为该区间内的连续贯通地质层。

4.根据权利要求2所述的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，其特征在于：步骤S3中邻接钻孔区间剖面上的工程地质剖面图建立步骤包括：将非连续贯通地质体自夹层的上下界面向邻接区间内伸出两条曲线相交于控制点处，并由控制点来对地质夹层的形状和范围进行控制；结合步骤S2所得地质层的平面域分布对控制点的位置进行调整，处理完该区间内的所有夹层后，用曲线连接剩余的连续贯通地质体的地质界面，即可得到该邻接钻孔区间内的地质剖面图，循环重复以上步骤。

5.根据权利要求2所述的一种基于钻孔数据的智能三维地质建模方法，其特征在于：步骤S4中在生成实体的过程中，相邻实体对象的接触面只生成一次，然后对接触面进行复制，分发到各个邻接的实体对象；通过控制蒙面函数的参数，对实体对象生成过程中的插值曲面进行智能控制和优化。

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