CN115019003A - 一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，属于地质领域，用于解决背斜构造需要人为花费大量时间采集数据和实地勘测才将背斜的空间形态呈现出来，此类方法费时费力，且无法将背斜上地貌特征一一呈现的问题，背斜构造三维建模方法具体包括：栅格数据处理；背斜褶皱的智能判定；实体空间剖分与建模；剥蚀量计算；本发明是将背斜构造的空间形态以及背斜上地貌特征快速且准确进行呈现。

Description

一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法

技术领域

本发明属于地质领域，涉及背斜构造三维建模技术，具体是一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法。

背景技术

背斜指岩层发生褶曲时，形状向上凸起者，在一般平地上，背斜的地层上半部受到侵蚀变平，会形成中间古老，两侧较新的地层排列方式，背斜与向斜具有重要的实践意义，由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是良好的储油、气构造，背斜因岩体向上拱起，有支撑作用，且不易渗水，所以适合在下方挖隧道；

在现有技术中，背斜构造需要人为花费大量时间采集数据和实地勘测，从而才能够将背斜的空间形态呈现出来，此类方法费时费力，且无法将背斜上剥蚀等特征一一呈现，为此，我们提出一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法。

本发明所要解决的技术问题为：如何将背斜构造的空间形态以及背斜上地貌特征快速且准确进行呈现。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，背斜构造三维建模方法具体包括：

步骤S1：栅格数据处理；

步骤S2：背斜褶皱的智能判定；

步骤S3：实体空间剖分与建模；

步骤S4：剥蚀量计算。

进一步地，所述栅格数据处理过程具体如下：

步骤S11：提取地形等高线；

根据地形地质图上的地形特征提取地形等高线，并保存为矢量格式，比如mapgis的wl格式或者shapefile的线文件存储，并赋予高程属性；

步骤S12：构造数字高程模型；

通过步骤S11获取的地形等高线矢量文件，结合用户给定的网格参数，进行网格化处理，生成数字高程模型，并保存为geotiff格式；

步骤S13：提取岩层属性和产状；

根据地形地质图给定的地质信息，将每一个独立的地质单元进行矢量化，并赋予地层属性，并保存为mapgis的wp或者shapefile的面文件；

对地形地质图中给定的产状位置进行矢量化，并保存为mapgis的wt或者shapefile的点文件，赋予对应的产状和岩层属性；

步骤S14：提取地质界线；

根据地形地质图给定的地质信息，将岩层接线进行矢量化，并赋予界线属性。

进一步地，网格参数为像元地面分辨率；

界线属性为界线两侧的岩层属性。

进一步地，所述背斜褶皱的智能判定过程具体如下：

步骤S21：空间要素的初始化；

建模范围：Bbox=｛‘west’：west，’east’：east，’south’：south，’north’：north｝；

数字高程模型：Dem.tif；

地质单元：units=｛u_1：｛‘name’：name_1，’era’：era，’points’：points_1｝，……｝；

地质界线：boundaries=｛b_1：｛‘name’：name_1，’points’：points_1，’left’：u_m，’right’：u_n｝，……｝；

地质产状：occurence=｛u_1：[[x，y，dip，angle]，……]，……｝；

步骤S22：背斜关键标志；

步骤S23：核部与两翼确定；

根据背斜构造的定义，根据获得的地质界线可作为背斜褶皱的基本界线要素，位于集合bdy3的首位的界线为背斜两翼的最外侧界线ly=[b01，b10]，位于bdy3中心的地质界线为背斜核部c=[b0n，bn0]。

进一步地，所述步骤S22的分析过程具体如下：

步骤S221：地质界线走向一致性；

遍历步骤S21获得的地质界线结果，计算所有的地质界线的走向，并筛选走向一致的地质界线；

bdy1=[b1，b2，b3……，bn]；

步骤S222：地质单元时代-新-老-新排列唯一性；

遍历步骤S21获得的走向一致性地质界线bdy1，检测界线两侧地质单元时代，确定地质单元时代排列遵循新-老-新的变化规则，去除不符合约束的地质界线，获得结果；

bdy2=[b01，b02，b03，……b0n]；

步骤S223：地质单元排列对称性；

遍历步骤S222获取的结果bdy2，检测地质界线两侧的地质单元在空间上是否呈现排列对称性，去除不符合约束条件的地质界线后得到构造背斜的界线要素；

bdy3=[b01，b02，b03，……b0n，bn0……，b30，b20，b10]。

进一步地，b01右侧和b10左侧的岩层倾向呈近似轴对称，且属于同一岩层单位，b01和b10位背斜褶皱建模的边界约束。

进一步地，所述实体空间剖分与建模的工作过程具体如下：

步骤S31：背斜约束边界计算；

根据两翼的地质界线ly，读取b01和b10边界约束地层的产状，分别读取b01和b10地质界线的K01、L01和K10、L10两点的坐标；

并根据b01.left和b10.right的地层产状构造平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1，K10L10Q1P1平面与地质界线b01左侧的岩层B倾向、倾角一致，K01L01Q1P1平面与地质界线b02右侧的岩层B倾向、倾角一致；

平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1相交于直线P1Q1，计算Q1P1点的坐标Q1（Q1x，Q1y，Q1z）和P1（P1x，P1y，P1z），比较Q1点和P1点高程，取较高值得点作为模型顶点；

面K01L01Q1P1和面K10L10Q1P1构成背斜的外围约束边界；

步骤S32：岩层约束界面构造；

按照步骤S31获取背斜外围约束边界的方法，读取地质界线b02和b20的K2、L2和M2、N2坐标，读取b02右侧和b20左侧的岩层产状；

分别根据倾向和倾角构造面K02L02Q2P2、K20L20Q2P2，两个面相交于直线P2Q2，分别计算岩层C的约束界面控制点坐标Q2（Q2x，Q2y，Q2z）和P2（P2x，P2y，P2z）；

运用同样的方法，根据bdy3中剩余地质界线的参数和空间属性，直至完成岩层N约束界面控制点坐标Qn（Qnx，Qny，Qnz）和Pn（Pnx，Pny，Pnz）；

步骤S33：立方体剖分与剥蚀地层三维重建；

根据设定的最小剖分单元立方体边长，以地质界线b01的L01作为起点，依据数字高程模型dem.tif及地层单元units和地质界线bdy3分别进行水平方向和垂直方向搜索，并以b01右侧的B地层约束边界为条件；

满足当前最小单元中心店坐标（x，y，z）位于由约束界面K01L01Q1P1L10K10与K02L02Q2P2L20K20围限的空间内，则将该单元的属性赋值为B地层；

同理，直至搜索完所有的属于地层N的立方体单元，根据不同的地层属性，为不同的立方体剖分单元赋予不同的颜色，即直观呈现被剥蚀部分的背斜褶皱的空间形态。

进一步地，所述剥蚀量计算的工作过程具体如下：

通过搜过不同地层属性的立方体剖分单元，统计其数量，并根据最小立方体剖分单元的体积，获得恢复后的被剥蚀地层的近似体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中的背斜构造无需人为花费大量时间采集数据和实地勘测，是通过栅格数据处理、背斜褶皱的智能判定、实体空间剖分与建模和剥蚀量计算，不仅能够将背斜的空间形态呈现出来，还能将背斜上剥蚀等地貌特征一一呈现，本发明将背斜构造的空间形态以及背斜上地貌特征快速且准确进行呈现。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明中地质界线的结构示意图；

图2为本发明中背斜外围约束边界的结构示意图；

图3为本发明中构造面的结构示意图；

图4为本发明岩层N约束界面控制点坐标的结构示意图；

图5本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

其中，地形地质图是表示研究区的地形特征、地层、矿层分布、岩层产状级地质构造特征的图件；

褶皱是岩石中的各种面（如层面、面理等）受力发生的弯曲而显示的变形，它是岩石中原来近于平直的面变成了曲面的表现。形成褶皱的变形面绝大多数是层理面。褶皱是地壳上一种常见的地质构造。它在层状岩石中表现得最明显。有些褶皱的形成就像用双手从两边向中央挤一张平铺着的报纸。报纸会隆起，隆起得过高以后，顶部又会弯曲塌陷。这就说明了两种力对褶皱形成的作用。一是水平的压缩力，一是其自身的重力。另外，褶皱也并不都是向上隆起，褶皱面向上弯曲的称为背斜；褶皱面向下弯曲的称为向斜。

在一实施例中，请参阅图1-图5所示，一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，背斜构造三维建模方法具体包括：

步骤S1：栅格数据处理；

在本实施例中，栅格数据处理具体如下：

步骤S11：提取地形等高线；

根据地形地质图上的地形特征提取地形等高线，并保存为矢量格式，比如mapgis的wl格式或者shapefile的线文件存储，并赋予高程属性；

步骤S12：构造数字高程模型；

通过步骤S11获取的地形等高线矢量文件，结合用户给定的网格参数（像元地面分辨率），进行网格化处理，生成数字高程模型，并保存为geotiff格式；

步骤S13：提取岩层属性和产状；

根据地形地质图给定的地质信息，将每一个独立的地质单元进行矢量化，并赋予地层属性，并保存为mapgis的wp或者shapefile的面文件；

对地形地质图中给定的产状位置进行矢量化，并保存为mapgis的wt或者shapefile的点文件，赋予对应的产状和岩层属性；

步骤S14：提取地质界线；

根据地形地质图给定的地质信息，将岩层接线进行矢量化，并赋予界线属性（界线两侧的岩层属性）；

步骤S2：背斜褶皱的智能判定；

在本实施例中，背斜褶皱的智能判定过程具体如下：

背斜（Anticline）指岩层发生褶曲时，形状向上凸起者。在一般平地上，背斜的地层上半部受到侵蚀变平，会形成中间古老，两侧较新的地层排列方式；

步骤S21：空间要素的初始化；

建模范围：Bbox=｛‘west’：west，’east’：east，’south’：south，’north’：north｝；

数字高程模型：Dem.tif；

地质单元：units=｛u_1：｛‘name’：name_1，’era’：era，’points’：points_1｝，……｝；

地质界线：boundaries=｛b_1：｛‘name’：name_1，’points’：points_1，’left’：u_m，’right’：u_n｝，……｝；

地质产状：occurence=｛u_1：[[x，y，dip，angle]，……]，……｝；

步骤S22：背斜关键标志；

步骤S221：地质界线走向一致性；

遍历步骤S21获得的地质界线结果，计算所有的地质界线的走向，并筛选走向一致的地质界线；

bdy1=[b1，b2，b3……，bn]；

步骤S222：地质单元时代-新-老-新排列唯一性；

遍历步骤S21获得的走向一致性地质界线bdy1，检测界线两侧地质单元时代，确定地质单元时代排列遵循新-老-新的变化规则，去除不符合约束的地质界线，获得结果；

bdy2=[b01，b02，b03，……b0n]；

步骤S223：地质单元排列对称性；

遍历步骤S222获取的结果bdy2，检测地质界线两侧的地质单元在空间上是否呈现排列对称性，去除不符合约束条件的地质界线后得到构造背斜的界线要素；

bdy3=[b01，b02，b03，……b0n，bn0……，b30，b20，b10]；

其中，b01右侧和b10左侧的岩层倾向呈近似轴对称，且属于同一岩层单位，b01和b10位背斜褶皱建模的边界约束。

步骤S23：核部与两翼确定；

根据背斜构造的定义，步骤S223获得的地质界线可作为背斜褶皱的基本界线要素，位于集合bdy3的首位的界线为背斜两翼的最外侧界线ly=[b01，b10]，位于bdy3中心的地质界线为背斜核部c=[b0n，bn0]；

步骤S3：实体空间剖分与建模；

步骤S31：背斜约束边界计算；

根据两翼的地质界线ly，读取b01和b10边界约束地层的产状，分别读取b01和b10地质界线的K01、L01和K10、L10两点的坐标；

并根据b01.left和b10.right的地层产状构造平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1，K10L10Q1P1平面与地质界线b01左侧的岩层B倾向、倾角一致，K01L01Q1P1平面与地质界线b02右侧的岩层B倾向、倾角一致；

平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1相交于直线P1Q1，计算Q1P1点的坐标Q1（Q1x，Q1y，Q1z）和P1（P1x，P1y，P1z），比较Q1点和P1点高程，取较高值得点作为模型顶点；

面K01L01Q1P1和面K10L10Q1P1构成背斜的外围约束边界（图2）；

步骤S32：岩层约束界面构造；

按照步骤S31获取背斜外围约束边界的方法，读取地质界线b02和b20的K2、L2和M2、N2坐标，读取b02右侧和b20左侧的岩层产状；

分别根据倾向和倾角构造面K02L02Q2P2、K20L20Q2P2（图3），两个面相交于直线P2Q2，分别计算岩层C的约束界面控制点坐标Q2（Q2x，Q2y，Q2z）和P2（P2x，P2y，P2z）；

运用同样的方法，根据bdy3中剩余地质界线的参数和空间属性，直至完成岩层N约束界面控制点坐标Qn（Qnx，Qny，Qnz）和Pn（Pnx，Pny，Pnz），见图4；

步骤S33：立方体剖分与剥蚀地层三维重建；

根据设定的最小剖分单元立方体边长，以地质界线b01的L01作为起点，依据数字高程模型dem.tif及地层单元units和地质界线bdy3分别进行水平方向和垂直方向搜索，并以b01右侧的B地层约束边界为条件，只要满足当前最小单元中心店坐标（x，y，z）位于由约束界面K01L01Q1P1L10K10与K02L02Q2P2L20K20围限的空间内，则将该单元的属性赋值为B地层，同理，直至搜索完所有的属于地层N的立方体单元。根据不同的地层属性，为不同的立方体剖分单元赋予不同的颜色，即可直观的呈现被剥蚀部分的背斜褶皱的空间形态；

步骤S4：剥蚀量计算；

通过搜过不同地层属性的立方体剖分单元，统计其数量，并根据最小立方体剖分单元的体积，可获得恢复后的被剥蚀地层的近似体积。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置，权重系数和比例系数的大小是为了将各个参数进行量化得到的一个具体的数值，便于后续比较，关于权重系数和比例系数的大小，只要不影响参数与量化后数值的比例关系即可。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，背斜构造三维建模方法具体包括：

步骤S1：栅格数据处理；

步骤S2：背斜褶皱的智能判定；

步骤S3：实体空间剖分与建模；

步骤S4：剥蚀量计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，所述栅格数据处理过程具体如下：

步骤S11：提取地形等高线；

根据地形地质图上的地形特征提取地形等高线，并保存为矢量格式，同时赋予高程属性；

步骤S12：构造数字高程模型；

通过步骤S11获取的地形等高线矢量文件，结合用户给定的网格参数，进行网格化处理，生成数字高程模型，并保存为geotiff格式；

步骤S13：提取岩层属性和产状；

根据地形地质图给定的地质信息，将每一个独立的地质单元进行矢量化，并赋予地层属性，并保存为mapgis的wp或者shapefile的面文件；

对地形地质图中给定的产状位置进行矢量化，并保存为mapgis的wt或者shapefile的点文件，赋予对应的产状和岩层属性；

步骤S14：提取地质界线；

根据地形地质图给定的地质信息，将岩层接线进行矢量化，并赋予界线属性。

3.根据权利要求2所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，网格参数为像元地面分辨率；

界线属性为界线两侧的岩层属性。

4.根据权利要求1所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，所述背斜褶皱的智能判定过程具体如下：

步骤S21：空间要素的初始化；

建模范围：Bbox＝{‘west’：west，’east’：east，’south’：south，’north’：north}；

数字高程模型：Dem.tif；

地质单元：units＝{u_1：{‘name’：name_1，’era’：era，’points’：points_1}，……}；

地质界线：boundaries＝{b_1：{‘name’：name_1，’points’：points_1，’left’：u_m，’right’：u_n}，……}；

地质产状：occurence＝{u_1：[[x，y，dip，angle]，……]，……}；

步骤S22：背斜关键标志；

步骤S23：核部与两翼确定；

根据背斜构造的定义，根据获得的地质界线可作为背斜褶皱的基本界线要素，位于集合bdy3的首位的界线为背斜两翼的最外侧界线ly＝[b01，b10]，位于bdy3中心的地质界线为背斜核部c＝[b0n，bn0]。

5.根据权利要求4所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，所述步骤S22的分析过程具体如下：

步骤S221：地质界线走向一致性；

遍历步骤S21获得的地质界线结果，计算所有的地质界线的走向，并筛选走向一致的地质界线；

bdy1＝[b1，b2，b3……，bn]；

步骤S222：地质单元时代-新-老-新排列唯一性；

遍历步骤S21获得的走向一致性地质界线bdy1，检测界线两侧地质单元时代，确定地质单元时代排列遵循新-老-新的变化规则，去除不符合约束的地质界线，获得结果；

bdy2＝[b01，b02，b03，……b0n]；

步骤S223：地质单元排列对称性；

遍历步骤S222获取的结果bdy2，检测地质界线两侧的地质单元在空间上是否呈现排列对称性，去除不符合约束条件的地质界线后得到构造背斜的界线要素；

bdy3＝[b01，b02，b03，……b0n，bn0……，b30，b20，b10]。

6.根据权利要求5所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，b01右侧和b10左侧的岩层倾向呈近似轴对称，且属于同一岩层单位，b01和b10位背斜褶皱建模的边界约束。

7.根据权利要求1所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，所述实体空间剖分与建模的工作过程具体如下：

步骤S31：背斜约束边界计算；

根据两翼的地质界线ly，读取b01和b10边界约束地层的产状，分别读取b01和b10地质界线的K01、L01和K10、L10两点的坐标；

并根据b01.left和b10.right的地层产状构造平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1，K10L10Q1P1平面与地质界线b01左侧的岩层B倾向、倾角一致，K01L01Q1P1平面与地质界线b02右侧的岩层B倾向、倾角一致；

平面K01L01Q1P1和平面K10L10Q1P1相交于直线P1Q1，计算Q1P1点的坐标Q1(Q1x，Q1y，Q1z)和P1(P1x，P1y，P1z)，比较Q1点和P1点高程，取较高值得点作为模型顶点；

面K01L01Q1P1和面K10L10Q1P1构成背斜的外围约束边界；

步骤S32：岩层约束界面构造；

按照步骤S31获取背斜外围约束边界的方法，读取地质界线b02和b20的K2、L2和M2、N2坐标，读取b02右侧和b20左侧的岩层产状；

分别根据倾向和倾角构造面K02L02Q2P2、K20L20Q2P2，两个面相交于直线P2Q2，分别计算岩层C的约束界面控制点坐标Q2(Q2x，Q2y，Q2z)和P2(P2x，P2y，P2z)；

运用同样的方法，根据bdy3中剩余地质界线的参数和空间属性，直至完成岩层N约束界面控制点坐标Qn(Qnx，Qny，Qnz)和Pn(Pnx，Pny，Pnz)；

步骤S33：立方体剖分与剥蚀地层三维重建；

根据设定的最小剖分单元立方体边长，以地质界线b01的L01作为起点，依据数字高程模型dem.tif及地层单元units和地质界线bdy3分别进行水平方向和垂直方向搜索，并以b01右侧的B地层约束边界为条件；

满足当前最小单元中心店坐标(x，y，z)位于由约束界面K01L01Q1P1L10K10与K02L02Q2P2L20K20围限的空间内，则将该单元的属性赋值为B地层；

同理，直至搜索完所有的属于地层N的立方体单元，根据不同的地层属性，为不同的立方体剖分单元赋予不同的颜色，即直观呈现被剥蚀部分的背斜褶皱的空间形态。

8.根据权利要求1所述的一种基于平面地质图的背斜构造三维建模方法，其特征在于，所述剥蚀量计算的工作过程具体如下：

通过搜过不同地层属性的立方体剖分单元，统计其数量，并根据最小立方体剖分单元的体积，获得恢复后的被剥蚀地层的近似体积。

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