CN116721227A - 一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，包括以下步骤：获取地质勘探钻孔数据；基于所述地质勘探钻孔数据，采用地层层序表排列算法生成区域内地层层序表；基于所述地层层序表，识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位；基于所述区域内复杂地质体的形式及尖灭部位，并结合所述地层层序表对复杂地质体进行优先建模，逐渐向周边扩展模型范围，直至生成完整的地质模型。与现有技术相比，本发明具有通过自动化的建模方法提高复杂地质体建模精准度和建模效率等优点。

Description

一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法

技术领域

本发明涉及地质建模技术领域，尤其是涉及一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法。

背景技术

在基于钻孔数据进行三维地层建模方法中，钻孔样本间地层层序不一致导致建模时难以确定各地层的拓扑关系，快速准确地确定各地层层序和充分利用钻孔数据是建模的关键难点之一。传统三维地质建模方法常采用人工判别和手动输入地层层序表控制建模过程。目前，三维地质建模主要流程如下：(1)钻孔数据的获取与处理。编写相应的数据读取程序获取不同格式的地质勘探数据，提取建模需要的关键数据。(2)建立区域地层层序排列。手动输入基于地质学家经验或勘探数据的地层层续表或编写判定程序自动排序生成地层层续表。(3)地层层面模型建立。根据钻孔数据，在地层层续表控制的基础上，进行Delaunay三角剖分，形成地层层面模型。(4)构建三维地质体。以地质体表面模型为约束条件，对地质体内部进行限定网格剖分，形成体内部网格，而后对网格进行密度简化和调整，最终形成三维地质体。

从三维地层建模形态划分，主要有两类：表面建模和实体建模。表面建模是以各地层为研究对象，依据地层的层面拓扑关系逐层构建三维地质模型，其运行效率高，已被不少商业建模系统所采用。确定所建模型的地层层序是依据钻孔数据的表面建模方法的重要一环。工程地质中地层的分布通常是通过地层属性来划分，钻孔数据能提供地层在竖直方向的分布。在实际工程中，钻孔数量可能成百上千，单孔深度可达数百米深，各钻孔的层面并不一定是上下严格一致的拓扑关系，多数关系错综复杂，还可能存在交叉分布、地层缺失等特殊情况，对于建模精度和准确性都有不利影响。如何根据已有钻孔数据，自动梳理出地层层序表，是采用钻孔数据建立三维地质模型的关键难点。目前存在的方法在一定程度上解决了了地层时序确定的问题，但对构造复杂(如褶皱、断层等)、地层互层等情况仍然存在缺陷，并且多数对钻孔数据有限定条件，而这些限定条件在实际工程中难以避免。

另一方面，在复杂地质体建模方面，多种商业软件均提出了不同的地质建模方法用于解决复杂地质体的生成和准确建模，但其建模耗费时间长，效率普遍较低，难以精确的表达包含复杂地质构造的地质体，在建模过程中通常需要人工进行干预，极大地限制了三维地质建模在工程中的应用。目前对于复杂地质体的处理，多采用人工干预的方法，利用地质工作者的经验纠正模型自动生成过程中的错误。该种方法建立模型准确度较高，但对于数据量大的模型，工作量很大。

根据专利申请CN110176070A、专利CN112434360B以及专利CN111583407B可知，目前存在一些精细化三维地质建模专利，但是现有建模方法的建模过程比较复杂繁琐，对钻孔数据有要求(如要求钻孔各层层面具有上下严格一致的拓扑关系等)，难以处理钻孔地层缺失等复杂地质构造。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种提高复杂地质体建模精准度和建模效率的复杂地质体三维地质模型自动化建模方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，包括以下步骤：

获取地质勘探钻孔数据；

基于所述地质勘探钻孔数据，采用地层层序表排列算法生成区域内地层层序表；

基于所述地层层序表，识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位；

基于所述区域内复杂地质体的形式及尖灭部位，并结合所述地层层序表对复杂地质体进行优先建模，逐渐向周边扩展模型范围，直至生成完整的地质模型。

进一步地，所述的地质勘探钻孔数据包括钻孔空间坐标及地层地质参数，所述的地层地质参数包括地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力和土体内摩擦角。

进一步地，所述的生成区域内地层层序表的具体过程包括：

对所述地质勘探钻孔数据进行统计并遍历，获得地层种类数；

基于所述地层种类数，构建二维数组以存储所有钻孔数据得出的各地层之间的相对位置关系值C_ij；

基于所述钻孔数据和地层种类数对各地层进行层序判断，获得各个钻孔中地层之间的位置关系值以及所有钻孔数据得出的各地层之间的位置关系值C_ij，并更新所述二维数组，获得地层关系表；

基于所述地层关系表，以相同地层层序出现频率高的原则，获得区域内地层层序表。

进一步地，所述的所有钻孔数据得出的各地层之间的相对位置关系值C_ij的表达式为：

式中，C_ij表示所有钻孔数据得出的地层i和地层j的位置关系值；n表示钻孔个数；表示第k个钻孔地层i和地层j的位置关系值，值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，表示第k个钻孔中没有地层i或地层j或二者均没有。

进一步地，所述的钻孔中地层之间的位置关系值的表达式为：

式中，表示第k号钻孔中第a次遇到某一组地层时的位置关系判断值；/>值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，取/>

进一步地，所述的基于所述地层关系表，以相同地层层序出现频率高的原则，获得区域内地层层序表的具体过程包括：

基于所述地层关系表，对所述相对位置关系值C_ij取绝对值为|C_ij|；

依次取出|C_ij|的较大值存入地层层序容器中，判断欲加入的层序C_ij与/>中已有层序是否存在矛盾，若是，则将C_ij舍弃，若否，则将C_ij加入/>中，并将C_ij置为0，重复该步骤，获得更新后的地层关系表；

任意初始化地层层序；

基于所述更新后的地层关系表，对所述初始化后的地层层序进行调整获得区域内地层层序表。

进一步地，所述的识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位的具体过程包括：

基于所述位置关系判断值寻找钻孔中的对称序列，以确定复杂地质体形式；

基于所述位置关系判断值寻找地层尖灭部位。

进一步地，所述对称序列是指位置关系判断值为相反数。

进一步地，所述的生成完整的地质模型的具体过程包括：

以所述地层尖灭部位为中心，向周边扩展，根据所述复杂地质体形式和地层层序表进行建模，生成复杂地质体；

基于所述复杂地质体向四周依次建立各地层的三维模型，并集成地层的属性参数，将各地层模型组合为完整的地质模型。

进一步地，采用克里金插值方法进行建模。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将钻孔数据通过地层层序排序算法自动生成地层层序表，自动分析数据特征，识别复杂地质体形式和尖灭部位，并以复杂地质体为核心优先建立模型，再逐渐向周边扩展模型范围，从而实现自动化生成包含复杂地质体的三维地质模型，也确保钻孔数据不丢失且准确地应用于地层建模中，从而提升包含复杂地质体的三维地质模型的建模精度。

(2)本发明计算各个钻孔中的各层之间的位置关系，通过引入子钻孔递归思想，利用表面建模方法，以复杂地质体为核心优先建模，逐渐创建三维地质模型，使得本发明能够适应地层尖灭、地层超覆、透镜体等复杂地质构造。

(3)本发明的整个建模流程全自动化，无需人工干预，可操作性强，能够有效提高建模效率，较传统的人机交互式建模本发明具有明显的优势。

(4)本发明全自动识别判定复杂地质体形式、尖灭部位及地层层序，以复杂地质体为核心优先生成，保障复杂地质体部分的建模精度，在工程应用方面更具有实用意义。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程示意图；

图2为本发明实施例地质钻孔图；

图3为本发明实施例地层之间中心对称标注图；

图4为本发明实施例地质钻孔真实地层图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提高一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、获取地质勘探钻孔数据。

该地质勘探钻孔数据包括钻孔空间坐标及地层地质参数，主要包括：地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力、土体内摩擦角等。

S2、基于所述地质勘探钻孔数据，采用地层层序表排列算法生成区域内地层层序表。

如图2所示的地质钻孔图，由图中可知共有4个钻孔，分别为Z1、Z2、Z3、Z4，其中A、B、C、D、E为不同属性的地层代号。

(1)遍历所有不同属性地层获得地层种类数，如本实施例中共有5种地层A、B、C、D、E；

(2)开辟一二维数组C，用于存储所有钻孔数据得出的各地层之间的相对位置关系值，如下式所示：

式中，C_ij表示基于所有钻孔数据得出的地层i和地层j的位置关系值，i<j，计算方法见步骤(3)；n表示钻孔个数；表示第k个钻孔地层i和地层j的位置关系值，值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，表示第k个钻孔中没有地层i或地层j或二者均没有。

对于复杂地层，如褶皱、互层、地层倒转等，为得到值，需进行多次地层相对关系的判断，而后求和：

式中，表示第k号钻孔中第a次遇到某一组地层时的判断值；/>值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，取/>例如地层为CDC，则/>求和后为0，此时应取/>

(3)综合所有钻孔数据和地层种类数对各地层逐一进行层序判断，获得各个钻孔中地层之间的位置关系值以及所有钻孔数据得出的各地层之间的位置关系值C_ij，并记录计算结果。例如地层A和地层B的位移关系值判断过程如下：

钻孔1中A位于B之上，则

钻孔2中A缺失，则

钻孔3中A缺失，则

钻孔4中A位于B之上，则

同理，依次可以计算其它各地层之间的位置关系值，至此，各元素C_ij值已确定，更新上述二维数组，获得地层关系表，该地层关系表如下表1所示。

表1地层关系表

CAB	CAC	CAD	CAE	CBC	CBD	CBE	CCD	CCE	CDE
										2	2	1	-1	3	3	1	1	0	2

更新后的二维数组为：

(4)经过上述比较可初步确定各地层的相对位置关系，但之间可能存在矛盾。例如C_AB＝4及C_CE＝4说明A→B→E，而C_AE＝4则E→A，与之前的A→B→E相互矛盾。此时以相同地层层序出现频率高的原则，依据C_ij绝对值进行如下处理：

(4.1)依次取|C_ij|较大值有条件地存入一个地层层序容器中，当欲新加入的层序C_ij与/>中已有层序存在矛盾，则该C_ij舍弃，否则加入，并将C_ij值置为0，重复本步骤，可以得到更新后的地层关系表，如表2所示，该表中排除了地层层序相互矛盾的情况。

表2更新后的地层关系表

CBC	CBD	CAB	CAC	CDE	CAD	CBE	CCD
								3	3	2	2	2	1	1	1

(4.2)任意初始化地层层序，如ECBAD；

(4.3)依据上述更新后的地层关系表，对ECBAD的层序进行调整，调整过程如下所示：

(4.4)最终更新后的获得区域内地层层序表，上述中地层层序确定为ABCDE，并结果是唯一的。

S3、基于所述地层层序表，识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位。

该步骤在生成的地层层序表基础上，进行复杂地质体的判断，并优先生成复杂地质体，保证三维模型的准确性。

如图3为例，钻孔Z1数据出现明显的CDC排列，即以D为中心上下两层地层相同；钻孔Z2数据出现CDCBC排列，即分别以D、B为中心，上下地层相同；钻孔Z3数据出现ABCBAB排列，即分别以C、A为中心，上下地层相同。图4为图3所对应的真实地层，该图中可以看出有典型的对称结构，如CDC、ABCBAB等。

(1)寻找钻孔中的对称序列，反映在数据形式上，以Z1为例，即为：数据互为相反数。

(2)寻找地层尖灭部位，以图3为例，Z1、Z2钻孔中均存在以D为中心的对称结构，上下地层均为C，Z3钻孔中不再出现，反映在数据形式上即为：即D地层尖灭与Z2与Z3钻孔之间。

S4、基于所述区域内复杂地质体的形式及尖灭部位，并结合所述地层层序表对复杂地质体进行优先建模，逐渐向周边扩展模型范围，直至生成完整的地质模型。

(1)以尖灭处为中心，向周边扩展，根据所述复杂地质体形式和地层层序表，采用空间插值法建模，优先生成复杂地质体，本实施例中的空间插值法为克里金插值方法。

(2)从复杂地质体向四周依次建立各地层的三维模型，并集成地层名称、力学参数等属性参数，将各地层模型组合为完整的地质模型。

此外，地质建模时空间插值法也可选择三角剖分法、距离倒数加权法、最小曲率法、最近邻点法等。

上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取地质勘探钻孔数据；

基于所述地质勘探钻孔数据，采用地层层序表排列算法生成区域内地层层序表；

基于所述地层层序表，识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位；

基于所述区域内复杂地质体的形式及尖灭部位，并结合所述地层层序表对复杂地质体进行优先建模，逐渐向周边扩展模型范围，直至生成完整的地质模型。

2.根据权利要求1所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的地质勘探钻孔数据包括钻孔空间坐标及地层地质参数，所述的地层地质参数包括地下水位、各地层分布、高程、土体压缩模量、土体粘聚力和土体内摩擦角。

3.根据权利要求1所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的生成区域内地层层序表的具体过程包括：

对所述地质勘探钻孔数据进行统计并遍历，获得地层种类数；

基于所述地层种类数，构建二维数组以存储所有钻孔数据得出的各地层之间的相对位置关系值C_ij；

基于所述钻孔数据和地层种类数对各地层进行层序判断，获得各个钻孔中地层之间的位置关系值以及所有钻孔数据得出的各地层之间的位置关系值C_ij，并更新所述二维数组，获得地层关系表；

基于所述地层关系表，以相同地层层序出现频率高的原则，获得区域内地层层序表。

4.根据权利要求3所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的所有钻孔数据得出的各地层之间的相对位置关系值C_ij的表达式为：

式中，C_ij表示所有钻孔数据得出的地层i和地层j的位置关系值；n表示钻孔个数；表示第k个钻孔地层i和地层j的位置关系值，值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，表示第k个钻孔中没有地层i或地层j或二者均没有。

5.根据权利要求3所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的钻孔中地层之间的位置关系值的表达式为：

式中，表示第k号钻孔中第a次遇到某一组地层时的位置关系判断值；/>值为1时，表示地层i位于地层j之上；值为-1时，表示地层i位于地层j之下；值为0时，取/>

6.根据权利要求3所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的基于所述地层关系表，以相同地层层序出现频率高的原则，获得区域内地层层序表的具体过程包括：

基于所述地层关系表，对所述相对位置关系值C_ij取绝对值为|C_ij|；

依次取出|C_ij|的较大值存入地层层序容器中，判断欲加入的层序C_ij与/>中已有层序是否存在矛盾，若是，则将C_ij舍弃，若否，则将C_ij加入/>中，并将C_ij置为0，重复该步骤，获得更新后的地层关系表；

任意初始化地层层序；

基于所述更新后的地层关系表，对所述初始化后的地层层序进行调整获得区域内地层层序表。

7.根据权利要求5所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的识别区域内复杂地质体形式和尖灭部位的具体过程包括：

基于所述位置关系判断值寻找钻孔中的对称序列，以确定复杂地质体形式；

基于所述位置关系判断值寻找地层尖灭部位。

8.根据权利要求7所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述对称序列是指位置关系判断值为相反数。

9.根据权利要求1所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，所述的生成完整的地质模型的具体过程包括：

以所述地层尖灭部位为中心，向周边扩展，根据所述复杂地质体形式和地层层序表进行建模，生成复杂地质体；

基于所述复杂地质体向四周依次建立各地层的三维模型，并集成地层的属性参数，将各地层模型组合为完整的地质模型。

10.根据权利要求9所述的一种复杂地质体三维地质模型自动化建模方法，其特征在于，采用克里金插值方法进行建模。