CN113392534A - 一种基于数字露头的地层产状要素计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明面向地质勘察领域，提供了一种基于露头横向剖面信息对中间层隐伏地层面产状要素进行计算的方法。在剖面上沿地层分界线选取多个坐标点并剔除异常值，通过多点拟合得到地层面进而解算地层产状三要素：走向、倾向和倾角。剖面分界线上选取坐标点解算产状信息适用于剖面裸露的隐伏地层面这一特殊情况；多点拟合与常规的三点法相比，能够克服解算结果受个别坐标点影响而偏差较大的情况，具有更好的全局代表性；本方法结合数字露头可以自由缩放、自动捕捉坐标等优势，对大范围、远距离、实地难以观察和接触的地层面具有独特的适用性，也为数字露头的深入研究应用提供了技术支撑。

Description

一种基于数字露头的地层产状要素计算方法
技术领域
本发明涉及地质勘察领域和测量学领域，是一种基于露头横向剖面信息对中间层隐伏地层面产状要素进行计算的方法。
背景技术
地质露头是指岩体、矿体等地质体露出地表的部分，其剖面能够反映地层分布和地质构造等信息。传统的地层产状测量主要依靠地质罗盘仪，受仪器精度、地质环境和操作者水平影响以及受矿物磁性干扰，测量范围有限、结果精度低、误差大，对于一些大范围、远距离或难以接触的地层结构面不适用。随着测量和定位技术的发展及其在地质领域的融合应用，产生了基于坐标计算的地层产状测量方法；摄影测量和三维建模技术也被应用于构建数字露头，辅助地质勘察和地质学研究，数字露头在信息采集和建模过程中自带了坐标定位信息，可以基于此，对数字露头中地层面的产状要素进行量测和计算。
现有的技术手段主要是基于三点法确定结构面，在结构面不平坦的情况下，最终的解算结果受选点影响较大；另一方面，现有方法中，罗盘法、三维激光扫描法和摄影测量法都是直接在目标结构面上进行选点和量测，对中间层隐伏地层面这种情况缺乏相应的考虑和研究，而钻孔法耗费的人力物力较大，特别是对于深度比较深的中间层地层面存在很大的实施难度。鉴于此，本发明提出了一种在露头横向剖面上选取坐标点对中间层隐伏地层面产状要素进行解算的方法；并在坐标点选取过程中采用了剔除异常值的多点拟合方法，能够克服计算结果受个别异常点影响而偏离真值较大的情况，具有更好的全局代表性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
地质露头中间层隐伏地层面无法直接观察及接触，其产状要素测量面临困难，本发明提出了一种在露头横向剖面上选取坐标点对中间层隐伏地层面产状要素进行计算的方法，在剖面上沿地层面分界线选取多个坐标点，通过去除异常值后的多点拟合解算地层产状。
(二)技术方案
露头受构造力作用和自然侵蚀形成的横向剖面一般是不规则曲面，在剖面上沿中间层隐伏地层面的分界线选取坐标点，可视为地层面上非共线点集，基于这些坐标点可对地层面进行拟合，进而解算地层产状。
本发明至少包含以下步骤：
(1)定义空间直角坐标系，以正东方向为x轴正半轴、正北方向为y轴正半轴、竖直向上方向为z轴正半轴；
(2)在露头横向剖面上沿着中间层隐伏地层面分界线绘制n个坐标点Ni(Xi,Yi,Zi)(i＝1,…,n)，连接首尾坐标点N1、Nn得到线段N1Nn；
(3)构造过点Ni与N1Nn垂直的平面Ci(i＝1,…,n)，平面Ci与线段N1Nn的交点记为Pi(xi, yi,zi)(i＝1,…,n)；
(4)计算PiNi与水平面的夹角
Figure BDA0003135457250000021
范围为(-90°,90°)：
Figure BDA0003135457250000022
其中，(Xi,Yi,Zi)为点Ni的坐标，(xi,yi,zi)为点Pi的坐标，当点Ni恰好在线段N1Nn上时，夹角不存在，此时定义
Figure BDA0003135457250000023
(5)计算
Figure BDA0003135457250000024
的标准差，将大于3倍标准差的点视为异常值予以剔除：
Figure BDA0003135457250000025
Figure BDA0003135457250000026
Figure BDA0003135457250000027
为
Figure BDA0003135457250000028
的平均值，σ为
Figure BDA0003135457250000029
的标准差；
当
Figure BDA00031354572500000210
时，点Ni视为异常值舍去；
当
Figure BDA00031354572500000211
时，点Ni视为有效值保留；
(6)经过(5)得到m个有效坐标点Mj(j＝1,…,m)，地层面表达式为：
z＝a0x-a1y-a2
其中，a0,a1,a2为待定的参数，(x,y,z)为空间上的任意点的坐标；
用最小二乘法拟合所求隐伏地层面：
Figure BDA00031354572500000212
根据
Figure BDA00031354572500000213
可求得a0,a1,a2；
(7)根据步骤(6)得到的地层面表达式参数a0,a1,a2可解得产状三要素：走向S、倾向 T以及倾角A，它们的计算公式为：
Figure BDA00031354572500000214
(三)有益效果
本发明的优点和特色在于：
1.对于露头中间层隐伏地层面，罗盘法、三维激光扫描法和摄影测量方法等传统方法无法直接在地层面上获取信息，本发明提出了一种在露头横向剖面上选取坐标点进行产状要素计算的方法，解决了这一特殊情况下的产状量测问题；
2.本发明在剖面上选取了多个坐标点，同时提出了一种定义异常值的方法，采用剔除异常值后的多坐标点拟合地层面，与常规的三点法相比，能够克服解算结果受个别坐标点影响而偏差较大的情况，具有更好的全局代表性。
3.是一种基于坐标解算的非接触式的测量方法，结合数字露头可以自由缩放、自动捕捉坐标等优势，对大范围、远距离、实地难以观察和接触的地层面具有独特的的适用性，本发明也是数字露头建模的延伸和配套技术，为数字露头的深入研究和应用提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明的技术流程
图2为地层产状要素示意图
图3为坐标点采集与解算原理图
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：
参照图1，本发明的具体实施步骤为：
(1)在Cesium中选取要施测的具有横向剖面信息和坐标定位信息的数字露头，选取合适的空间直角坐标系，参照图2可知本发明要解算的产状三要素走向S、倾向T以及倾角A 与地层面之间的的空间几何关系；
(2)在露头横向剖面上沿着中间层隐伏地层面分界线绘制n个坐标点Ni(Xi,Yi,Zi)(i＝1,…,n)，连接首尾坐标点N1、Nn得到线段N1Nn，如图3所示；
(3)构造过点Ni与N1Nn垂直的平面Ci(i＝1,…,n)，平面Ci与线段N1Nn的交点记为Pi(xi, yi,zi)(i＝1,…,n)；
(4)计算PiNi与水平面的夹角
Figure BDA0003135457250000031
范围为(-90°,90°)：
Figure BDA0003135457250000032
其中，|NiSi|和|PiSi|分别为线段NiSi和线段PiSi的长度，(Xi,Yi,Zi)为点Ni的坐标，(xi,yi, zi)为点Pi的坐标，当Zi>zi时，
Figure BDA0003135457250000033
为正，当点Ni恰好在线段N1Nn上时，夹角不存在，此时定义
Figure BDA0003135457250000034
(5)计算
Figure BDA0003135457250000035
的标准差，将大于3倍标准差的点视为异常值予以剔除：
Figure BDA0003135457250000041
Figure BDA0003135457250000042
Figure BDA0003135457250000043
为
Figure BDA0003135457250000044
的平均值，σ为
Figure BDA0003135457250000045
的标准差；
当
Figure BDA0003135457250000046
时，点Ni视为异常值舍去；
当
Figure BDA0003135457250000047
时，点Ni视为有效值保留；
(6)经过(5)得到m个有效坐标点Mj(j＝1,…,m)，所求地层面表达式为：
z＝a0x-a1y-a2
其中，a0,a1,a2为待定的参数，(x,y,z)为空间上的任意点的坐标；
用最小二乘法拟合地层面：
Figure BDA0003135457250000048
根据
Figure BDA0003135457250000049
得
Figure BDA00031354572500000410
即
Figure BDA00031354572500000411
求解可得a0,a1,a2；
(7)根据步骤(6)得到的地层面表达式参数a0,a1,a2可解得产状三要素：走向S、倾向 T以及倾角A，其计算公式为：
Figure BDA00031354572500000412
。

Claims (3)

1.一种基于数字露头的地层产状要素计算方法，其特征在于，在数字露头横向剖面上选点对中间层的隐伏地层面产状进行计算，包括以下步骤：
(1)沿着露头中间层隐伏地层面在横向剖面上的分界线采集n个坐标点Ni(Xi,Yi,Zi)(i＝1,…,n)；
(2)将n个坐标点Ni中离散性较强、在后续平面拟合中容易造成偏差的点作为异常值进行剔除，得到m个有效坐标点Mj(j＝1,…,m)；
(3)根据坐标点Mj(j＝1,…,m)用最小二乘法拟合露头中间层隐伏地层面，表达式为：
z＝a0x-a1y-a2
a0,a1,a2为实数构成的参数，(x,y,z)为空间上的任意点的坐标；
(4)根据(3)得到的地层面表达式参数a0,a1,a2可解得地层产状三要素：走向S、倾向T以及倾角A，计算公式为：
Figure FDA0003135457240000011
。
2.如权利要求1所述的一种基于数字露头的地层产状要素计算方法，其特征在于，提出了一种定义和剔除异常值的方法：
(1)连接采集的第一个坐标点N1和最后一个坐标点Nn得到线段N1Nn，构造过点Ni与N1Nn垂直的平面Ci(i＝1,…,n)，平面Ci与线段N1Nn的交点记为Pi(xi,yi,zi)(i＝1,…,n)；
(2)计算PiNi与水平面的夹角：
Figure FDA0003135457240000012
其中，
Figure FDA0003135457240000013
为PiNi与水平面的夹角，并定义
Figure FDA0003135457240000014
范围为(-90°,90°)，(Xi,Yi,Zi)为点Ni的坐标，(xi,yi,zi)为点Pi的坐标，当点Ni恰好在线段N1Nn上时，夹角不存在，此时定义
Figure FDA0003135457240000015
(3)计算
Figure FDA0003135457240000016
的标准差，将大于3倍标准差的点视为异常值予以剔除：
Figure FDA0003135457240000017
Figure FDA0003135457240000018
Figure FDA0003135457240000019
为
Figure FDA00031354572400000110
的平均值，σ为
Figure FDA00031354572400000111
的标准差；当
Figure FDA00031354572400000112
时，点Ni视为异常值舍去；当
Figure FDA00031354572400000113
时，点Ni视为有效值保留。
3.如权利要求1所述的一种基于数字露头的地层产状要素计算方法，应当理解的是，除本发明提到的数字露头和隐伏地层面外，符合本权利要求书技术方法和技术流程的真实露头地层面产状测量，以及数字露头和真实露头的岩层、矿层、断面、剖面、节理面等各类隐伏构造面的产状测量，根据上述说明加以改进或变换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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