CN112037326A - 一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，用于解决现有的三维地质属性模型无法精确描述地质体边界相邻空间属性状况的技术问题。本方法基于地质结构模型，通过地质体相邻三个钻孔直接进行四面体剖分构造四面体属性模型，属性插值采用空间三维插值方法，能够在地质体边界面上精确描述地质体的属性状况，方法简单，不会产生剖分错误，适用于多种场景。

Description

一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法

技术领域

本发明涉及一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，尤其涉及一种基于四面体属性模型构建的地质体边界相邻空间属性状况精确描述方法，属于地质研究技术领域。

背景技术

在地质研究领域，三维地质模型是一种基于钻孔数据、物探数据、钻孔剖面解释数据、物探剖面解释数据，以及其他相关勘测解释数据构建生成的数字化模型。三维地质模型通过真三维空间中对地质实体几何形态和地质实体内部属性参数建模，能直观了解地质体空间分布和变化规律，可以将地质构造、地质物理力学特征在三维空间的分布和相互之间的关系以三维可视化的形式展现，可以充分应用在城市地下空间资源开发利用、工程地质、矿山地质等方面。

三维地质模型包括三维地质结构模型和三维地质属性模型。根据数据特征的不同，三维地质建模中所需的原始数据可抽象为空间数据和属性数据两大类。其中，空间数据主要包括钻孔、剖面、地质界线、沉积环境分布、河流、基岩分布、地貌特征等具有空间形态指示意义的数据，主要用于构建三维地质结构模型，可将其作为一个基础地质构造的框架。属性数据反映某一地质变量的属性特征及其空间分布情况，是各类物化探数据的空间有限采样。三维地质属性模型通过对地质体属性参数空间位置和动态变化的模拟，能直观展示地质体内部属性参数的空间分布、变化规律及参量间的关联关系，是地下空间数据定量化分析的重要手段。通过空间插值，让有限的采样属性充满地质结构的内部空间，是实现非均质属性场可视化表达和地质属性建模的有效途径。

通过将三维地质结构模型按照一定的规则进行体元离散化，生成地质体内部精细的三维地质体元模型。三维地质体元模型是对地质体的三维实体表达，是地质属性赋值的载体，有利于三维空间地质属性的可视化表达与分析。如专利CN106772584B提出了一种顾及地质构造条件约束的精细体元属性赋值方法，该方法基于纵向上以等时地层格架为约束，横向上以沉积相边界、地质界线、河流边界等为约束，将地质体划分为不同的区块，不同的区块采用相应的插值方式进行属性赋值。专利CN102194253B提出了一种面向三维地质层面结构的四面体网格生成方法，基于离散点生成四面体模型，并基于地质体边界线、面进行约束，实现地质体四面体建模。成都理工大学2015年硕士学位论文“三维地质建模中的关键技术研究”提出，通过组成地质体表面的三角面，并追踪该三角面所属的四面体，以此实现四面体剖分，等等。

三维地质模型由一个或多个三维地质体元模型组成，每个地质模型可以是一个多面体，也可以是多个多面体的集合。目前通用的技术是：地质体结构模型采用一个多面体，地质体属性模型采用多个多面体的集合，如规则六面体。由于规则六面体构建的地质属性模型与地质结构模型在边界面上不能完全吻合，导致地质属性模型在地质体边界面上不能精确地描述地质体的属性状况。为改善这种情况，目前普遍的做法是减小六面体尺寸。但这并不能从本质上解决问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的三维地质属性模型无法精确描述地质体边界相邻空间属性状况的技术问题，创造性地提出一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，可以从根本上解决上述问题。其基本原理为：基于地质结构模型，通过地质体相邻三个钻孔直接进行四面体剖分构造四面体属性模型，属性插值采用空间三维插值方法，能够在地质体边界面上精确描述地质体的属性状况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，基于三维地质结构模型的四面体属性模型构建方式，包括以下步骤：

步骤一、四面体剖分。基于地质体三维地质结构模型，对结构模型进行四面体剖分，生成四面体属性模型。

具体方法如下：

首先，基于钻孔位置，确定一个多面体单元，即，在三个相邻钻孔之间顶板、底板之间形成的多面体。

然后，针对该多面体单元进行四面体剖分，生成四面体单元。

之后，针对所有多面体单元，完成四面体剖分。

最后，生成属性模型，即，所有四面体单元的集合。

步骤二、顶点存储。针对四面体属性模型建立顶点列表，用于存储所有四面体的所有顶点数据，包括坐标值和属性值。

具体方法如下：

首先，确定一个四面体单元的顶点，存储该顶点的空间几何信息。

然后，重复上述步骤，确定所有四面体单元的顶点，存储所有顶点的坐标值。若遇到相同顶点，则不用重复存储。

步骤三、四面体存储。针对四面体属性模型，建立四面体列表，用于存储每个四面体单元的顶点索引、中心点坐标和属性数据。

具体方法如下：

首先，确定一个四面体单元的顶点，存储所有顶点索引。

然后，重复上述步骤，确定所有四面体单元，存储所有四面体单元的索引。

步骤四、属性插值。基于钻孔属性数据，对四面体单元的顶点或中心点进行插值计算。

具体方法如下：

首先，确定一个四面体单元的顶点。

然后，利用三维空间插值方法，对该顶点或中心点进行属性插值计算，将计算结果存储在该顶点列表单元或四面体单元列表中。其中，所述三维空间属性插值方法，可以采用距离反比幂次插值方法、克里金插值方法或其他插值方法。

之后，重复上述步骤，完成所有四面体单元顶点或四面体中心点的属性插值计算，计算结果存储在各自的顶点列表单元或四面体列表单元中。

步骤五、属性颜色映射。针对属性值，确定属性-颜色映射表，为不同的属性值定义相应的颜色。

具体方法如下：

首先，确定属性值范围。

然后，在属性最小值与属性最大值之间确定若干个属性数值区间，每个属性数值区间都有属性最小值和属性最大值。

之后，针对每个属性数值区间，属性最小值与属性最大值分别确定一个对应的颜色值。

步骤六、可视化处理。基于四面体属性模型，以地质体模型、切块、剖面的形式展现属性在三维空间的分布。

具体方法如下：

首先，根据四面体单元顶点或中心点的属性值，在映射表中确定对应的颜色，展现属性在四面体属性模型上的空间分布。

然后，在地质体空间范围内，确定一个剖切面，将四面体属性模型剖切分开，展现属性在四面体属性模型切面上的空间分布。

最后，在地质体空间范围内，确定一个剖面，展现地质体属性在剖面上的空间分布和变化。

有益效果

本发明方法，针对目前普遍采用的基于六面体单元的三维地质属性模型不能精确地描述地质体边界相邻空间属性分布的问题，本发明的特点是：基于三维地质结构模型，通过内部剖分生成基于四面体单元的三维地质属性模型，可以从根本上解决上述问题。

本发明方法，有效解决了城市地下空间地质三维、工程地质三维、矿山地质三维等领域四面体单元三维地质属性模型构建复杂的问题。基于三维地质结构模型输入的工程数据为三维地质结构模型和钻孔数据，利用相邻钻孔生成四面体单元三维地质属性模型，方法简单，不会产生剖分错误。本发明方法，基于三维地质结构模型生成四面体单元三维地质属性模型，用于地质体属性三维空间展示、查询，也可用于城市地下空间资源开发适宜性评价，还可用于地层承载力有限元计算等多种场景。

附图说明

图1为本发明方法的原理关系图；

图2为本发明方法结构模型剖分示意图；

图3为本发明方法顶点存储示意图；

图4为本发明方法四面体存储示意图；

图5为本发明方法属性插值示意图；

图6为本发明方法属性颜色映射表示意图；

图7为本发明方法可视化示意图；

图8为实施例四面体网格剖分；

图9为实施例四面体属性模型；

图10为实施例四面体属性模型切块；

图11为实施例四面体属性模型剖面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

本发明涉及的技术包括：

(1)三维不规则网格

三维不规则网格一般包括四面体、多面体等。三维不规则网格将指定的空间分割为不规则的网格单元，每个网格单元的顶点或中心点对应一个属性值。网格单元的空间位置由网格单元的顶点确定，四面体网格由四个顶点确定。与三维规则网格比较，三维不规则网格可以描述一个任意的形状的地质体，确保表面形态完全吻合。在处理复杂的地质结构及其属性模型中，具有极大的灵活性。

(2)属性颜色映射表

属性颜色映射表示将属性值与颜色值确定一一对应的关系，通过不同的颜色表现不同的属性值，通过颜色的变化表现属性值的变化，是计算机可视化关键技术之一。在属性颜色映射表中，属性值与颜色值是一一对应的。相邻两个属性值之间的颜色是通过属性值线性插值确定的，可以通过颜色的变化展现属性值的变化。

(3)四面体模型剖切

四面体模型是多个四面体的集合，可以展现模型表面属性的空间分布和变化。展现四面体模型内部属性的空间分布和变化，需要利用四面体模型剖切技术。四面体模型剖切技术包括四面体模型切块、四面体模型剖面。四面体模型切块是将四面体模型剖切分开，展现剖切面上属性的空间分布和变化。四面体模型剖面则不需要切开模型，而是定义一个剖面，展现剖面上属性的空间分布和变化。

如图1所示，一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，包括以下步骤：

步骤一、四面体剖分。

针对地质目标区域，基于三维地质结构模型，对结构模型进行四面体剖分，生成四面体属性模型。

如图2所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，基于钻孔位置，确定一个多面体单元，既在三个相邻钻孔Ha、Hb、Hc之间顶板、底板之间形成的多面体TaTbTcBaBbBc。

然后，针对多面体单元TaTbTcBaBbBc，进行四面体剖分，生成四面体单元TaTbTcBb、BaBbTaTc、BaBbBcTc。

之后，针对所有多面体单元，完成四面体剖分。

最后，生成属性模型，即所有四面体单元的集合。

步骤二、顶点存储。

针对地质目标区域的四面体属性模型，建立顶点列表VList，用于存储所有四面体所有顶点数据，包括坐标值和属性值。

如图3所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，确定一个四面体单元的顶点Va，存储Va的空间几何信息,包括北坐标值North、东坐标值East、高程值Altitude。

然后，重复上述步骤，确定所有四面体单元的顶点，存储所有顶点的坐标值。若遇到相同顶点，则不用重复存储。例如：顶点Va同时也是其他四面体的顶点，不需要重复存储空间几何信息。

步骤三、四面体存储。

针对四面体属性模型，建立四面体列表TList，用于存储每个四面体单元的顶点索引、中心点坐标值和属性数据。

如图4所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，确定四面体单元Ta的顶点，存储所有顶点索引，包括IndexTa、IndexTb、IndexTc、IndexTd。

然后，存储四面体单元Ta中心点坐标值，包括北坐标值North、东坐标值East、高程值Altitude.

最后，重复上述步骤，确定所有四面体单元，存储所有四面体单元的顶点索引、中心点坐标值和属性数据。

步骤四、属性插值。

基于钻孔属性数据，对四面体单元的顶点或中心点进行属性插值计算。三维空间属性插值方法，可以采用距离反比幂次插值方法、克里金插值方法或其他插值方法。

如图5所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，确定一个四面体单元Ta的顶点Va或中心点。

然后，确定一个钻孔属性数据Attributel。

之后，利用三维空间插值方法，对顶点Va或中心点进行属性插值计算，顶点Va的属性插值计算结果存储在顶点列表VList的属性值Attribute1中，四面体Ta中心点的属性插值计算结果存储在四面体列表TList的属性值Attribute1中。

最后，重复上述步骤，完成所有四面体单元顶点或四面体中心点的属性数据Attribute1插值计算，计算结果存储在各自顶点列表单元属性Atrribute1或四面体列表单元属性Attribute1中。

步骤五、属性颜色映射。

针对属性值，确定属性-颜色映射表，为不同的属性值定义相应的颜色。

如图6所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，确定属性值范围，例如：属性值的范围为最小值Attribute1至最大值Attribute5。

然后，在属性最小值与属性最大值之间确定若干个属性数值区间，每个属性数值区间都有属性最小值和属性最大值。例如：在Attribute1与Attribute5之间确定4个区间，分别为数值区间1、数值区间2、数值区间3、数值区间4。例如：数值区间1的最小值与最大值分别是Attribute1与Attribute2。

之后，针对每个属性数值区间，属性最小值与属性最大值分别确定一个对应的颜色值。例如：针对数值区间1，属性最小值Attribute1对应的颜色值是RGB1(R1,G1,B1),属性最大值Attribute2对应的颜色值是RGB2(R2，G2，B2)。

步骤六、可视化处理。

基于四面体属性模型，以地质体模型、切块、剖面的形式，展现属性在三维空间的分布。

如图7所示，上述步骤的具体步骤为：

首先，四面体属性模型由多个四面体单元组成，既四面体单元集合TCI。根据四面体单元顶点或中心点的属性值TA，在映射表中确定其属性颜色映射ACM，展现属性在四面体属性模型上的空间分布。

然后，基于四面体属性模型TAM，在地质体空间范围内，确定一个剖切面CP，将四面体属性模型剖切分开，生成四面体属性模型切块TAMB,展现属性在四面体属性模型切面TAMS上的空间分布。

最后，基于四面体属性模型TAM，在地质体空间范围内，确定一个剖面S，展现属性在剖面TAMS上的分布。

实施例

本实施例使用“DreamRocks工程地质三维自动建模系统”作为平台，利用在全国重要钻孔数据库中选取的山东省莱州市三山岛北部海域矿区目标区域地质矿产勘查钻孔，在Windows操作系统下实现。一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，包括以下步骤：

步骤一、四面体剖分：基于三维地质结构模型，对结构模型进行四面体剖分，生成四面体属性模型。

该矿区目标区域三维地质结构模型分为8层，其中第6层为含矿层。对三维地质结构模型进行四面体剖分，生成三维地质属性模型。该矿区目标区域三维地质属性模型包括202299个四面体属性单元。

该矿区目标区域四面体剖分如图8所示。

步骤二、顶点存储：针对四面体属性模型，建立顶点列表VList，用于存储所有四面体所有顶点数据，包括坐标值和属性值。

该矿区三维地质属性模型由202299个四面体单元组成，共有四面体顶点270744个。针对该矿区三维地质属性模型四面体单元的顶点，建立顶点列表VList,存储270744个顶点的北向坐标值、东向坐标值、高程坐标值。

步骤三、四面体存储：针对四面体属性模型，建立四面体列表TList，用于存储每个四面体的顶点索引和属性数据。

该矿区三维地质模型模型包括202299个四面体单元。针对该矿区三维地质属性模型的四面体单元，建立四面体列表，存储270744个四面体单元四个顶点的索引，四面体单元中心点的北向坐标值、东向坐标值、高程值。

步骤四、属性插值：基于钻孔属性数据，对四面体单元的顶点或中心点进行属性插值计算。三维空间属性插值方法可以采用距离反比幂次插值方法、克里金插值方法或其他插值方法。

该矿区共有金属矿物14种，主要矿物成份为金，伴生金属矿物包括铋、铬、钴、锰、钼、镍、铅、砷、铜、钨、锡、锌、银。作为地质属性，这些矿物成份的矿物品位来自于钻孔化验数据，需要在三维地质属性模型上给予充分地展现。本例中，采用距离反比幂次方法作为三维空间插值方法，选择幂次为2，既距离平方反比插值方法。本例中，主要矿物成份金品位化验数据分别来自570个采样点，呈离散状分布在目标矿区的钻孔中。基于金品位化验数据，分别对270744个顶点进行了三维空间插值计算，计算结果分别存储在顶点列表VList相应顶点中。对其他伴生金属矿物的品位也进行了同样的三维空间属性插值计算。

步骤五、属性颜色映射：针对属性值，确定属性-颜色映射表，为不同的属性值定义相应的颜色。

该矿区共有金属矿物14中，各种矿物的品位均不相同，主要表现在品位最大值、品位最小值、品位平均值均不相同。该矿的主要金属矿物成份是金，本实施例用金的属性颜色映射来说明本发明。该矿金品位的最小值为0，最大值为l9.67，平均品位为2.92。金品位最小值与最大值之间分为4个数值区间，金品位除最小值0、最大值外19.67，还包括4.92,9.83,14.75。金品位最小值0对应的颜色值为(#0000FF)，该值为蓝色。金品位最大值19.67对应的颜色值为(#FF0000)，该值为红色。其他金品位映射的颜色分别包括：金品位4.92对应的颜色值为(#00FFFF)，金品位9.83对应的颜色值为(#00FF00),金品位14.75对应的颜色值为(#FF0000)。总体上从金品位属性颜色映射关系上看，颜色从蓝色到红色表示金品位数值由小到大的变化规律，其中任意两个金品位数值之间的变化由对应的颜色之间的过渡颜色表示。

步骤六、可视化处理：基于四面体属性模型，以地质体模型、切块、剖面的形式展现属性在三维空间的分布。

该矿区目标矿区主要矿物成份金四面体属性模型由202299个四面体单元组成。金品位最小值为0，最大值为19.67。金品位最小值、最大值对应的颜色分别为(#0000FF)、(#FF0000)。以地质体模型形式展现金品位空间分布如图9所示，可以明显看出矿物成份金明显分布在含矿地层。

将四面体属性模型切开，以切面形式展现金品位空间分布如图10所示，可以揭示矿物成份金在属性模型内部空间的分布情况。

在四面体属性模型中确定剖面，以剖面形式展现金品位空间分布如图11所示，可以明显看出矿物成份金在三维空间的分布与变化情况。

Claims (9)

1.一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、四面体剖分：基于三维地质结构模型，对结构模型进行四面体剖分，生成四面体属性模型；

步骤二、顶点存储：针对四面体属性模型，建立顶点列表，用于存储所有四面体所有顶点数据，包括坐标值和属性值；

步骤三、四面体存储：针对四面体属性模型，建立四面体列表，用于存储每个四面体单元的顶点索引、中心点坐标和属性数据；

步骤四、属性插值：基于钻孔属性数据，对四面体单元的顶点或中心点进行插值计算；

步骤五、属性颜色映射：针对属性值，确定属性-颜色映射表，为不同的属性值定义相应的颜色；

步骤六、可视化处理：基于四面体属性模型，以地质体模型、切块、剖面的形式展现属性在三维空间的分布。

2.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤一的实现方法，包括以下步骤：

首先，基于钻孔位置，确定一个多面体单元，既在三个相邻钻孔之间顶板、底板之间形成的多面体；

然后，针对该多面体单元，进行四面体剖分，生成四面体单元；

之后，针对所有多面体单元，完成四面体剖分；

最后，生成属性模型，既所有四面体单元的集合。

3.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤二的实现方法，包括以下步骤：

首先，确定一个四面体单元的顶点，存储该顶点的空间几何信息，包括北坐标值、东坐标值、高程值；

然后，重复上述步骤，确定所有四面体单元的顶点，存储所有顶点的坐标值；若遇到相同顶点，则不用重复存储。

4.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤三的实现方法，包括以下步骤：

首先，确定一个四面体单元的顶点，存储所有顶点索引；

然后，重复上述步骤，确定所有四面体单元，存储所有四面体单元的索引。

5.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤四的实现方法，包括以下步骤：

首先，确定一个四面体单元的顶点；

然后，利用三维空间插值方法，对该顶点或中心点进行属性插值计算，将计算结果存储在该顶点列表单元或四面体单元列表中；

之后，重复上述步骤，完成所有四面体单元顶点或四面体中心点的属性插值计算，计算结果存储在各自的顶点列表单元或四面体列表单元中。

6.如权利要求5所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述三维空间属性插值方法，采用距离反比幂次插值方法。

7.如权利要求5所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述三维空间属性插值方法，采用克里金插值方法。

8.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤五的实现方法，包括以下步骤：

首先，确定属性值范围；

然后，在属性最小值与属性最大值之间确定若干个属性数值区间，每个属性数值区间都有属性最小值和属性最大值；

之后，针对每个属性数值区间，属性最小值与属性最大值分别确定一个对应的颜色值。

9.如权利要求1所述的一种精确描述地质体边界相邻空间属性状况的方法，其特征在于，所述步骤六的实现方法，包括以下步骤：

首先，根据四面体单元顶点或中心点的属性值，在映射表中确定对应的颜色，展现属性在四面体属性模型上的空间分布；

然后，在地质体空间范围内，确定一个剖切面，将四面体属性模型剖切分开，展现属性在四面体属性模型切面上的空间分布；

最后，在地质体空间范围内，确定一个剖面，展现属性在剖面上的空间分布和变化。

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