CN115187739B - 一种gtp体元重构下的地质断层三维建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，采用整体法构建三维地层模型，建立断层面的数学拟合方程，分析断层切割GTP体元的形态，研究GTP体元被切割后的重构方法，构建适用于断层三维建模的数据模型，设计断层建模算法构建断层三维模型。该技术方案主要包括：断层面数学拟合、断层切割GTP体元形态分析、断层切割GTP体元后的重构算法。本发明根据自然界中断层构造的基本特征、类型、几何形态及其描述其结构的几何要素，概化与抽象出了满足断层地质构造三维建模的基本要素，从断层构造平面地质图上的表现形式与表达内容，将断层地质构造空间几何形态要素抽象为点、线、面、体四种类型。

Description

一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法
技术领域
本发明涉及三维建模方法，具体涉及一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法。
背景技术
随着城市规模的不断扩大与城市现代化程度的提高，地面空间资源的匮乏已成为提高城市现代化程度的重要瓶颈。合理开发地下空间资源是城市发展的必由之路，是解决城市发展面临的人口、环境、资源危机的重要措施。自20世纪90年代“玻璃地球”的概念提出以来，世界各国都在各自的“玻璃地球”计划中开展了诸多工作。“玻璃地球”是一项基础性的地质信息系统工程，能提供地质、地理信息以开展地质、资源和环境决策分析。“玻璃地球”建设的核心技术是信息技术，其中包括能满足大数据一体化储存与管理的三维地质信息系统技术，能实现地质结构和地质过程快速、动态、精细和全息构建的三维地质建模技术，能支持地质时空大数据分析与挖掘的三维地质信息处理技术等。但目前已经建立的三维地质框架模型所承载的信息仍然有限，在复杂地质构造(如：断层等)的三维建模理论与技术等方面尚显不足，在资源、环境和灾害预测的实际应用中所体现的价值与所期盼的目标还存在一定距离。
目前融入断层及其组合地质构造复杂地质体三维建模面临三大难题：①三维空间数据获取的艰难性。三维复杂地质对象建模与可视化主要依赖于原始输入数据，然而采样数据的缺乏降低了建模精度，也无法准确地表达地质体的空间属性变化特征。②地质体空间关系表达的复杂性。断层将地质层切割成不连续的块体，使地质体及其空间关系变得异常复杂。由于地质体中包含如逆断层、倒转等多值面的地质现象，增加了数据结构、拓扑关系以及相应算法的复杂程度，至今仍然缺乏成熟的解决方案。另外，长期的地质信息研究工作积累了包含许多工程地质对象的庞大而复杂的空间模型，模型的普适性弱，难以确定地质对象之间在空间、时间和结构上的相互关系，并保持它们的一致性。③空间分析能力的局限性。地质现象中存在的复杂性、不连续性及不确定性等客观因素以及三维地质建模的应用目的各异等主观因素，导致了各种地质模型的共享程度低、数据操作复杂，使三维地质信息系统缺乏空间分析能力
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，包括如下步骤：
一、断层面数学拟合
(1)断层错切关系处理
断层之间的关系包括主辅关系、辅主关系、十字型关系、未知及无相交关系。当老断层被新断层错切后，可能会出现平移错动。断层错切判断的算法如下：第一，针对每条断层线Li，(i＝1,...,m)，m为图上断层线的数量，遍历其它所有断层线，找到与断层线Li相交的所有断层线Lk，(k≠i)。第二，给定距离容差d及斜率容差T，判断相交的断层中是否有被断层线Li错切的子断层。第三，如果有被错切的子断层，则记录彼此相关的断层ID号。第四，继续判断下一条断层线，直到所有断层线判断完毕。
(2)断层线的离散采样与离散采样点的插值计算
将断层线离散，得到离散采样点，其x、y坐标可以通过断层线的坐标及采样步长计算得到，其高程信息z值可以通过读取DEM数据获得。根据离散采样的x、y、z坐标即可实现空间上断层线的曲线拟合，但要拟合出断层面，还应获取这些离散采样点的产状信息(走向、倾向和倾角)以确定断层在地下延伸的方向。因此采用断层线上原有的观察点作为原始数据，插值计算出所有离散采样点的倾向、倾角信息。
针对每个离散采样点，找到其所在断层线上的所有观察点，进行距离比较，在其左右两边各找到一个最近点，如Pi与Pi+1，用这两个点的倾角数据进行线性插值。若只在左边或右边有观察点，即只有Pi或只有Pi+1，Qi的倾角值就取Pi或Pi+1的倾角值；若该断层上没有观察点(该断层可能是被另一个断层或多个断层切割所得到的子断层之一)，可以通过断层线错切关系查找到被切断的另一条子断层线或多条子断层线，在其上搜索与待插离散点Qi最近的观察点，将该点的倾角值赋给Qi。
(3)离散点在倾斜线上的相应延伸点计算
断层线上所有离散采样点的坐标为Pi(Xi,Yi,Zi)、倾向αi、倾角βi,i＝1,...,n,在离散采样点的倾向方向上延伸长度L，找到点Si，而Sxi，Syi可以从图上读出，Szi可以根据DEM数据获取。根据倾角βi，得到断层面倾斜线上一点Qi，Qi的坐标为：
Figure GDA0003996750860000031
需要强调的是由于平面地质图反映的是二维信息，不能精确给出各地层的深度，因此L值是凭专家经验与工程建设需求给出的延伸长度。
(4)多平面拟合断层面
断面模拟的基本思想是利用断层线(断层与地层交线，对应一个断面上有上、下盘两条交线)与同一地层的两个交点坐标、两点连线与水平方向的倾角θ以及断面的倾向α确定一个平面方程，对于曲面形态的断面采用多个平面组合的方式进行拟合。
二、断层建模的单元位移方法
(1)断层切割GTP体元
按照整体法建模，首先基于广义三棱柱单元构建不模拟断层构造的三维地质模型，在此基础上加入断层结构。在不考虑断层面平曲程度和实际延伸范围的情况下(即将断层结构面视为无限延伸的平面)分析断层切割三棱柱体元的类型。
(2)GTP体元位移
被断层切割后的GTP体元内会产生形态复杂的多面体，如图7和图8中(c)。考虑到体元之间的拓扑关系，加入人工交互的方式进行调整，根据地质平面图和相应的工程勘察报告指定因断层产生的相对运动的影响范围，如图10所示，圆圈为钻孔位置，红色线段表示断层位置，蓝色箭头代表方向。再按照断层面与GTP体元的相交线构建交点个数和位置，依据断层厚度确定位移的数值和方向，对断层线上的节点作裂变处理，对于产状复杂的断层可通过增加交点的方法控制其形状。
(3)GTP体元重构
首先将发生位移的体元及切割后两个多面体上对应的交点及其裂变的位移数据重新编码、单独存储，用于模型的局部调整与更新。
对于GTP体元被断面切割后产生的形状复杂的多面体，因本发明中的建模方法及算法设计都是基于GTP体元模型，为使切割后的体元能够用于分析计算，在切割后的体元内增加辅助线和节点，将其划分为子三棱柱、四棱锥或四面体的结构。
三、断层模型构建
以平面地质图为主要的数据源，以地质钻孔与地质剖面数据为辅助数据源，构造褶皱与断层地质构造的三维模型。具体建模思路如图13所示，即首先对平面地质图上反映区域内地层信息及地质构造信息的相关点、线、面数据进行整理和分析，提取相关的几何信息与属性信息，构建断层地质构造三维建模的概念模型；基于构建的概念模型，以曲面技术拟合相应的断层面与地层面，并对相交的地质界面进行求交处理，生成封闭的且拓扑一致的地质块体；采用多源数据融合的思想，应用钻孔数据和地质剖面图数据，对已构建的断层地质构造的三维模型进行优化。
断层构造三维建模的过程是把真三维的地质空间反映在二维平面(屏幕，纸张等)上，为了得到真实感图形图像，需要一系列计算机图形学技术处理，其主要过程如图14所示。其中：世界坐标系是指大地坐标系，也称用户坐标系，是右手坐标系；屏幕坐标系是用户观察坐标系，也称视点坐标系，视平面坐标系，该坐标系一般由观察视点与物体参考点的连线(作Z轴)以及垂直该直线的一定旋转角度的观察平面上二条相互垂直的直线(x轴与y轴)决定，为左手坐标系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)断层模拟准确
根据自然界中断层构造的基本特征、类型、几何形态及其描述其结构的几何要素，概化与抽象出了满足断层地质构造三维建模的基本要素，从断层构造平面地质图上的表现形式与表达内容，将断层地质构造空间几何形态要素抽象为点、线、面、体四种类型。
(2)数据结构的一致性
对于连续排列的GTP体元，限定了体元节点编号和体元剖分方法，保证了体元剖分方法的有效计算。对断层切割GTP体元的形式进行了分析，提出GTP体元重构方法，统一了数据结构和数据存储方式。
(3)三维地质模型稳定性
断层地质构造三维建模过程中地层面、断层面与地质体之间拓扑关系一致性的算法。根据断层面与地层界面的空间几何形态及其空间结构，本发明采用体元剖分与位移来拟合断层面及地层面，采用网格离散法，实现三角网格求交，从而较好地保证断层面、地层面及地质体的拓扑一致性。
(4)三维地质模型的可操作性
依据断层数据，采用人工交互方法可实现任意断层构造的三维建模及其可视化。
附图说明
图1为错切处理前的断层线判断示意图；
图2为错切处理后的断层线判断示意图；
图3为断层上的采样点示意图；
图4为离散点倾斜方向延伸示意图；
图5为多平面拟合断层面示意图；
图6为断面切割GTP体元示意图a；
图7为断面切割GTP体元示意图b；
图8为断面切割GTP体元示意图c；
图9为断面切割GTP体元示意图d；
图10为断层建模人工交互示意图；
图11为断面切割GTP体元位移示意图；
图12为切割后的GTP体元重构示意图；
图13为断层面构建流程图；
图14为三维可视化基本流程；
图15为钻孔三维模型；
图16为地层三维模型；
图17为断层三维模型；
图18为融入断层构造的三维地质建模流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
本发明GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，基于GTP体元模型采用整体法构建三维地层模型，建立断层面的数学拟合方程，分析断层切割GTP体元的形态，研究GTP体元被切割后的重构方法，构建适用于断层三维建模的数据模型，设计断层建模算法构建断层三维模型。该技术方案主要包括：断层面数学拟合、断层切割GTP体元形态分析、断层切割GTP体元后的重构算法。
1、断层面数学拟合
(1)断层错切关系处理
断层之间的关系包括主辅关系、辅主关系、十字型关系、未知及无相交关系。当老断层被新断层错切后，可能会出现平移错动。断层错切判断的算法如下：第一，针对每条断层线Li，(i＝1,...,m)，m为图上断层线的数量，遍历其它所有断层线，找到与断层线Li相交的所有断层线Lk，(k≠i)。第二，给定距离容差d及斜率容差T，判断相交的断层中是否有被断层线Li错切的子断层。第三，如果有被错切的子断层，则记录彼此相关的断层ID号。第四，继续判断下一条断层线，直到所有断层线判断完毕。
图1表示一个区域内现有的断层线，用不同颜色表示，图2表示经算法判断后查找到的未被切割前是同一断层的各子断层，用同一颜色表示。
通过断层错切关系的判断，不仅可以分析出相交断层的新老关系，同时针对没有标出产状信息的子断层线，其采样点数据的倾角计算可以通过查找该子断层线所属断层线上临近的一条子断层线上的观察点数据进行插值计算。
(2)断层线的离散采样与离散采样点的插值计算
将断层线离散，得到离散采样点，其x、y坐标可以通过断层线的坐标及采样步长计算得到，其高程信息z值可以通过读取DEM数据获得。根据离散采样的x、y、z坐标即可实现空间上断层线的曲线拟合，但要拟合出断层面，还应获取这些离散采样点的产状信息(走向、倾向和倾角)以确定断层在地下延伸的方向。因此采用断层线上原有的观察点作为原始数据，插值计算出所有离散采样点的倾向、倾角信息。
图3所示，Pi、Pi+1是断层线上的观察点，其产状信息已知，Qi是断层线上的离散采样点，其倾向、倾角信息可以通过Pi、Pi+1的产状信息插值得到。相应的插值算法思想如下：针对每个离散采样点，找到其所在断层线上的所有观察点，进行距离比较，在其左右两边各找到一个最近点，如Pi与Pi+1，用这两个点的倾角数据进行线性插值。若只在左边或右边有观察点，即只有Pi或只有Pi+1，Qi的倾角值就取Pi或Pi+1的倾角值；若该断层上没有观察点(该断层可能是被另一个断层或多个断层切割所得到的子断层之一)，可以通过断层线错切关系查找到被切断的另一条子断层线或多条子断层线，在其上搜索与待插离散点Qi最近的观察点，将该点的倾角值赋给Qi。
(3)离散点在倾斜线上的相应延伸点计算
如图4，断层线上所有离散采样点的坐标为Pi(Xi,Yi,Zi)、倾向αi、倾角βi,i＝1,...,n,在离散采样点的倾向方向上延伸长度L，找到点Si，而Sxi，Syi可以从图上读出，Szi可以根据DEM数据获取。根据倾角βi，得到断层面倾斜线上一点Qi，Qi的坐标为：
Figure GDA0003996750860000081
需要强调的是由于平面地质图反映的是二维信息，不能精确给出各地层的深度，因此L值是凭专家经验与工程建设需求给出的延伸长度。
(4)多平面拟合断层面
断面模拟的基本思想是利用断层线(断层与地层交线，对应一个断面上有上、下盘两条交线)与同一地层的两个交点坐标、两点连线与水平方向的倾角θ以及断面的倾向α确定一个平面方程，对于曲面形态的断面采用多个平面组合的方式进行拟合(见图5)。
2、断层建模的单元位移方法
(1)断层切割GTP体元
按照整体法建模，首先基于广义三棱柱单元构建不模拟断层构造的三维地质模型，在此基础上加入断层结构。在不考虑断层面平曲程度和实际延伸范围的情况下(即将断层结构面视为无限延伸的平面)分析断层切割三棱柱体元的类型，可分为4种情况，见图6、图7、图8和图9。
(2)GTP体元位移
被断层切割后的GTP体元内会产生形态复杂的多面体，如图7和图8。考虑到体元之间的拓扑关系，加入人工交互的方式进行调整，根据地质平面图和相应的工程勘察报告指定因断层产生的相对运动的影响范围，如图10所示，圆圈为钻孔位置，红色线段表示断层位置，蓝色箭头代表方向。再按照断层面与GTP体元的相交线构建交点个数和位置，依据断层厚度确定位移的数值和方向，对断层线上的节点作裂变处理，对于产状复杂的断层可通过增加交点的方法控制其形状，见图11。
(3)GTP体元重构
首先将发生位移的体元及切割后两个多面体上对应的交点及其裂变的位移数据重新编码、单独存储，用于模型的局部调整与更新。
对于GTP体元被断面切割后产生的形状复杂的多面体，因本发明中的建模方法及算法设计都是基于GTP体元模型，为使切割后的体元能够用于分析计算，在切割后的体元内增加辅助线和节点，将其划分为子三棱柱、四棱锥或四面体的结构。
图12为GTP体元被切割的4种情况下各自的单元重组形态，图中(a)类情形可总结为断面与GTP体元顶面及一条棱边相交共3个交点，以棱边上的交点向不经过该点的侧面的四个结点做辅助线，再连接顶面上的任一交点与其不共线的原有结点，可将三棱柱体元划分为4个四面体和一个四棱锥；图中(b)类情形可总结为断面与GTP体元上下顶面相交共4个交点，分别在上下面内对应的选择任一交点连接与其不共线的原有结点，可将三棱柱体元划分为3个子三棱柱；图中(c)类情形可总结为断面与GTP体元顶面及两条棱边相交共4个交点，经过底面结点1作线BC的平行线交线23于E点，分别做辅助线的D1、DE、DB、DC、6A、6B、CE、B1，将三棱柱体元划分为3个四面体、2个四棱锥和1个子三棱柱；图中(d)类情形可总结为断面与GTP体元三条棱边相交共3个交点，直接将三棱柱体元划分为2个子三棱柱。
3、断层模型构建
以平面地质图为主要的数据源，以地质钻孔与地质剖面数据为辅助数据源，构造褶皱与断层地质构造的三维模型。具体建模思路如图13所示，即首先对平面地质图上反映区域内地层信息及地质构造信息的相关点、线、面数据进行整理和分析，提取相关的几何信息与属性信息，构建断层地质构造三维建模的概念模型；基于构建的概念模型，以曲面技术拟合相应的断层面与地层面，并对相交的地质界面进行求交处理，生成封闭的且拓扑一致的地质块体；采用多源数据融合的思想，应用钻孔数据和地质剖面图数据，对已构建的断层地质构造的三维模型进行优化。
断层构造三维建模的过程是把真三维的地质空间反映在二维平面(屏幕，纸张等)上，为了得到真实感图形图像，需要一系列计算机图形学技术处理，其主要过程如图14所示。其中：世界坐标系是指大地坐标系，也称用户坐标系，是右手坐标系；屏幕坐标系是用户观察坐标系，也称视点坐标系，视平面坐标系，该坐标系一般由观察视点与物体参考点的连线(作Z轴)以及垂直该直线的一定旋转角度的观察平面上二条相互垂直的直线(x轴与y轴)决定，为左手坐标系。
图15显示了地质钻孔三维建模效果，每个工程地质钻孔数据的分层信息是对地层上下界面的描述，能够揭示出该钻孔所包含的地层竖向分布情况。首先对研究区域整体地层进行编号，根据所有钻孔数据所揭示的全部地层按照沉积顺序进行，得到该研究区的“区域地层层序表”。其次对钻孔地层编号，按照构建的“区域地层层序表”对比钻孔中的各个地层，确定每个钻孔各自的地层层面序号。
图16显示了地层模型三维建模效果，工程地质层包含上下两个地层界面，地层三维建模的原理是首先构建两个地层界面的三角格网模型，再通过体元对象填充两个界面所包含的区域进而构成实体模型。
图17显示了融入断层模型的三维地质建模效果，遍历所有的地质界线，若该地质界线是自闭合的(如某地层面)，则记录该地质界线相邻的地质界线或边界线信息，确保得到封闭区域，并记录该封闭区域所标属的地质年代(为后期的地质块体构建服务)；若该地质界线非闭合，则判断该地质界线与其它地质界线或区域边界线的相交情况，确保最后得到的是一个封闭区域。
本系统的详细实施如图18所示，首先对平面地质图进行信息提取与数据的组织管理，然后根据建模区域内揭示断层构造空间分布特征的数据进行空间的插值，对断层面、地层面进行拟合，并处理错切断层。构成断层的网络骨架后，根据地层面的构造信息，插值并拟合生成地层面。采用区域内钻孔数据构建DEM数据拟合地表面，并根据钻孔信息得到每个地层的底板面。由于断层面、地层面、地表面、研究区域边界面以及地层底板面之间有相交情况，因此对相交的曲面进行切割处理，调整交线上的点并将其约束到相应的曲面上。最后根据地表面、地层面、断层面、研究区域边界面及地层底板面之间的拓扑关系形成完整的实体模型。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (3)

1.一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、断层面数学拟合
(1)断层错切关系处理
断层错切判断的算法如下：第一，针对每条断层线Li，(i＝1,...,m)，m为图上断层线的数量，遍历其它所有断层线，找到与断层线Li相交的所有断层线Lk，(k≠i)；第二，给定距离容差d及斜率容差T，判断相交的断层中是否有被断层线Li错切的子断层；第三，如果有被错切的子断层，则记录彼此相关的断层ID号；第四，继续判断下一条断层线，直到所有断层线判断完毕；
(2)断层线的离散采样与离散采样点的插值计算
将断层线离散，得到离散采样点，其x、y坐标通过断层线的坐标及采样步长计算得到，其高程信息z值通过读取DEM数据获得；根据离散采样的x、y、z坐标实现空间上断层线的曲线拟合，获取离散采样点的产状信息以确定断层在地下延伸的方向，以拟合出断层面，采用断层线上原有的观察点作为原始数据，插值计算出所有离散采样点的倾向、倾角信息；
(3)离散点在倾斜线上的相应延伸点计算
断层线上所有离散采样点的坐标为Pi(Xi,Yi,Zi)、倾向αi、倾角βi,,在离散采样点的倾向方向上延伸长度L，找到点Si，根据倾角βi，得到断层面倾斜线上一点Qi，Qi的坐标为：
Figure FDA0003996750850000021
(4)多平面拟合断层面
断面模拟是利用断层线与同一地层的两个交点坐标、两点连线与水平方向的倾角θ以及断面的倾向α确定一个平面方程，对于曲面形态的断面采用多个平面组合的方式进行拟合；
二、断层建模的单元位移方法
(1)断层切割GTP体元
按照整体法建模，首先基于广义三棱柱单元构建不模拟断层构造的三维地质模型，在此基础上加入断层结构，在不考虑断层面平曲程度和实际延伸范围的情况下分析断层切割三棱柱体元的类型；
(2)GTP体元位移
被断层切割后的GTP体元内会产生形态复杂的多面体，考虑到体元之间的拓扑关系，加入人工交互的方式进行调整，根据地质平面图和相应的工程勘察报告指定因断层产生的相对运动的影响范围，再按照断层面与GTP体元的相交线构建交点个数和位置，依据断层厚度确定位移的数值和方向，对断层线上的节点作裂变处理；
(3)GTP体元重构
将发生位移的体元及切割后两个多面体上对应的交点及其裂变的位移数据重新编码、单独存储，用于模型的局部调整与更新；
三、断层模型构建
以平面地质图为主要的数据源，以地质钻孔与地质剖面数据为辅助数据源，构造褶皱与断层地质构造的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，其特征在于，所述离散采样点的产状信息包括走向、倾向和倾角。
3.根据权利要求1或2所述的一种GTP体元重构下的地质断层三维建模方法，其特征在于，所述插值计算的步骤为：针对每个离散采样点，找到其所在断层线上的所有观察点，进行距离比较，在其左右两边各找到一个最近点Pi与Pi+1，用这两个点的倾角数据进行线性插值；若只在左边或右边有观察点，即只有Pi或只有Pi+1，Qi的倾角值就取Pi或Pi+1的倾角值；若该断层上没有观察点，则通过断层线错切关系查找到被切断的另一条子断层线或多条子断层线，在其上搜索与待插离散点Qi最近的观察点，将该点的倾角值赋给Qi。
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