CN117372643A - 一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，属于三维地质模拟技术领域，包括：对整个建模区域进行三维格点剖分，使用断裂平面投影进行分块。统计各分块的钻孔数据，整理形成各分块钻孔数据集。构建当前高程数据表，使用钻孔最高段计算直接相邻矩阵，使用广度优先搜索构建相邻点集和不相邻点集，将它们带入SVM计算得到联通区域。对联通区域下表面插值，将当前高程数据和下表面之间的格点赋上地层并更新高程数据表。去除相邻点集最高段，形成新的钻孔数据集。重复上述步骤，直到所有地层建立完毕。本发明采用上述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，可快速准确的建立三维地层模型，且提高了模型的精度。
Description
技术领域
本发明涉及三维地质模拟技术领域，尤其是涉及一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法。
背景技术
三维地层模型可以为相关工作者提供一种可视化的工具，可以给相关工作者展现一种清晰直观的地层结构。同时三维地层建模也为三维矿体预测提供数据支持。
传统的地层建模是在钻孔、断裂等数据的基础上绘制地层线和断裂线，然后依靠大量的人工去手动的绘制地层分界面，最后使用分界面对矿体进行切割得到地层。这种方法依赖大量的人工，且不同的人做出来的结果无法保证一致。
近年来，自动化建模技术有了一定的发展，目前的主流方式有两种，一种是通过经典的插值方法或改进的插值方法对体元直接插值，这种方法的问题是算法的复杂度较大，难以在大范围建模时得到精细的模型。并且这种方法会导致一些地层过于破碎。另一种是通过插值方法获取地层分界面，在地层分界面的基础上对体元进行地层赋值。这种方式需要解决钻孔层序不一致的问题。目前多数处理方法是建立一个统一的钻孔拓扑结构，这种方法通常较为使用小范围的三维地层建模。在大范围且地层结构复杂的区域会导致统一的拓扑结构过于复杂，难以应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，可快速准确的建立三维地层模型，且提高了模型的精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，包括以下步骤：
S1、使用地表高程数据结合建模范围得到整个体的三维格点剖分，使用断裂平面投影分区得到各块的三维格点；对钻孔数据进行预处理，结合分块统计各个分块的钻孔数据，整理形成各分块钻孔数据集；
S2、构建当前高程数据表，选取最高段形成平面钻孔数据集，计算直接相邻矩阵，通过直接相邻矩阵使用广度优先搜索构建高程值最大钻孔点的相邻点集和不相邻点集，将相邻点集和不相邻点集带入SVM计算得到联通区域；
S3、将相邻点集带入三种插值方法交叉验证，选出最优插值方法，对联通区域的下表面插值，将当前高程数据和下表面之间的格点赋上地层并更新高程数据表；
S4、将相邻点集最高段去除，形成新的钻孔数据集；
重复步骤S2~步骤S4，直到所有地层建立完毕。
优选的，步骤S1中，使用断平面投影分区包括：
将空间中的断裂点投影到平面，使用平面上的断裂投影点做断裂曲线的拟合，拟合之后使用通过公式（1）求解各个点对应的分区数字，若两点的分区数字相同代表它们在一个分区内：
（1）
其中，（x，y）为点的坐标；n为断裂曲线的总条数；为第k条断裂曲线；u为一个阶跃函数，其在x大于0的位置为1，小于等于0的位置为0，则/>使得第k条断裂曲线两边的点分别求解出0和1；c为该点的分区号，分区号保证在相同区域的点求解出的分区号相同；
因此，c的二进制表达形式的每一位的0和1对应其在对应的断裂曲线某一侧，如果两个点求解出的c值相同，则这两个点在每一条断裂曲线的同一侧，即为同一个区域中的点。
优选的，步骤S2中，直接相邻矩阵的定义如下：对于n个钻孔点，有一个的相邻矩阵与其对应，若钻孔点i与j直接相邻，则矩阵（i，j）处对应的值为1，否则值为0；
其中，两个钻孔点直接相邻的定义如下：这两个钻孔点的地层相同并且以这两个钻孔点相连的直线为直径的圆内不含有其他地层的点。
优选的，步骤S2中，使用广度优先搜索，具体操作为：将高程值最高的点加入一个点集，然后将与点集中相邻的点加入到点集中，重复上述步骤直到点集中没有新的点加入。
优选的，步骤S2中，在得到相邻点集和不相邻点集之后，使用SVM训练得出联通区域的方法如下：为相邻点集添加标签1，为不相邻点集添加标签0；将点集中的点以及它们的标签加入SVM训练得到一个分类器，将水平面剖分后的每个点带入分类器，求解结果为1的点的集合区域即为联通区域。
优选的，步骤S3中，三种插值方法分别为反距离插值、普通克里金插值和三次样条插值；
交叉验证的主要方式如下：将样本点均匀的分成10份，每次取其中一份为验证点，其余为训练点；使用训练点求解出插值曲面后带入求解出计算值与实际值的平均相对误差。
优选的，步骤S4中，将相邻点集最高段去除，形成新的钻孔数据集；当某一钻孔的最后一段被去除之后，需要将其高程设置为当前建模范围的最低点高程值减1，避免其被选中为高程最高点，且要将其地层值设为-1，代表一个不存在的地层，避免其被加入相邻点集合。
因此，本发明采用上述一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其技术效果如下：
（1）本发明设计了一种自动建立三维地层建模的方法，通过该方法仅需设置少量的参数即可实现高效的三维地层建模。该方法具有较广泛的适用性，并能够以快速的计算速度完成建模过程。
（2）本发明明确了钻孔点直接相邻和相邻的定义，相邻的定义可以准确的反映出一个连通地层内多个钻孔段之间的关系。且在这种相邻的定义下，判断两个钻孔段相邻的方法非常简单。
（3）本发明在得到相邻点集和不相邻点集之后训练了一个SVM的分类器，使用SVM分类器求解得出待插值区域。这种方法相较于传统的拟合边界曲线的方法拥有更好的普适性，能够适应多种情况。且训练出的边界会更加准确。
（4）本发明使用了断裂进行分块处理，并且在构建地层时自上而下逐层构建，每次只关注最高层。大大降低了问题的复杂程度，使得本发明可以适用于大范围的地层建模。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例一
如图1所示，为本发明一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法的流程示意图，具体步骤如下：
S1、用户输入建模范围（一般是一个立方体的范围，便于后续处理）和各个方向的剖分精度。使用用户给定的数值进行剖分，得到一些未赋属性的格点。
接着，将与地表高程相比水平位置较高的点进行删除，从而得到建模区域中的有效点集合。最终，这个有效点集合即为建模区域的点集合。
S2、将断裂面经过的点投影到平面，使用这些点经行三次多项式拟合，得到平面上的断裂曲线。然后使用如下公式求解各个点对应的分区号：
（1）
其中，（x，y）为点的坐标；n为断裂曲线的总条数；为第k条断裂曲线；u为一个阶跃函数，其在x大于0的位置为1，小于等于0的位置为0，则/>使得第k条断裂曲线两边的点分别求解出0和1；c为该点的分区号，分区号保证在相同区域的点求解出的分区号相同。
c的二进制表达形式的每一位的0和1对应其在对应的断裂曲线某一侧，如果两个点求解出的c值相同，则这两个点在每一条断裂曲线的同一侧，即为同一个区域中的点。
将分区号相同的点放入同一个集合中，就构成了各个分区的钻孔点集。
S3、原始的钻孔数据是多张表构成的，且记录的信息非常多，需要的数据仅为其中很小的一部分。在得到初始数据之后，对数据进行预处理，预处理的步骤大致如下：
（1）如果钻孔的相邻段的地层相同，则将这两段归并为同一段。
（2）通过原始文件中的钻孔初始坐标（），钻孔方位角（A），钻孔倾角（I），分层终止处孔深（D）计算每个段的分层终止点的坐标（/>）。其计算方式如下：
（2）
（3）
（4）
（3）将数据整理后入库，钻孔表包括钻孔编号，钻孔段编号，起点坐标，终点坐标，地层编号。钻孔表数据格式如下：
表1 钻孔数据表
；
S4、对钻孔数据同样使用步骤S2中的公式求解钻孔对应的分区号，将钻孔的分区号加入到钻孔数据表中。
S5、建立当前高程表，即开辟一个二维数组，其大小是取决于水平面上剖分的格点数，然后用DEM数据填充对应位置的高程值即可得到当前高程表。
S6、遍历每个钻孔，提取每个钻孔的最高段数据（仅保留坐标值x，y和地层值l）。将提取出的数据组合成为一个新的数据集，即当前平面钻孔数据集。
S7、根据步骤S6中的整理的平面钻孔数据集求解直接相邻矩阵，
直接相邻矩阵的定义如下：对于n个钻孔点，有一个的相邻矩阵与其对应，若钻孔点i与j直接相邻，则矩阵（i，j）处对应的值为1，否则值为0；
其中，任意两点直接相邻的定义如下：这两个钻孔点的地层相同并且以这两个钻孔点相连的直线为直径的圆内不含有其他地层的点。
S8、遍历所有钻孔点，找到当前高程值最大的钻孔点p。然后需要寻找与p相邻的所有点。两个点相邻的定义如下：如果两个点之间存在（）这样的一个序列，序列内相邻的两个点都直接相邻，则称/>和/>直接相邻。要找到与p相邻的点，可以使用以下方法：
（1）将p放入一个集合中，记为相邻点集，其余点放入另一个集合中，记为不相邻点集。
（2）遍历不相邻点集中的每个点如果其与相邻点集中的一个点直接相邻，则将这个点由不相邻点集移入相邻点集中。
（3）重复步骤（2），直到相邻点集未发生变化，则结束循环。
S9、通过步骤S8，将所有的点分为两个不同的点集。对于相邻的点集，给它们加上标签1；对于不相邻的点集，给它们加上标签0。然后，将这些数据用于训练一个支持向量机（SVM）分类器。
S10、使用在步骤S9中训练的分类器，对水平面上的所有点进行分类。所有被分类为1的点将形成待插值区域。
S11、在步骤S8中，将点集分为10份，每次取其中一份作为验证集，剩下的作为训练集。使用训练集的点来进行反距离插值、普通克里金插值和三次样条插值，在验证集的位置上求解插值结果。然后计算插值结果与实际值之间的平均相对误差。通过比较不同插值方法的相对误差，寻找相对误差最小的插值方法。
S12、对步骤S10中的待插值区域使用步骤S11中的最优插值方法求解下表面值，将当前高程数据表中的值和下表面之间的格点地层赋值为对应的地层。然后更新高程数据表中对应位置的值。
S13、将相邻点集中所有钻孔的最高段去除，得到新的钻孔数据集。需要特别指出，当某一钻孔的最后一段被去除之后，需要将其高程设置为一个非常小的值，避免其被选中为高程最高点。且要将其地层值设为-1，代表一个不存在的地层。避免其被加入相邻点集合。
S14、重复步骤S6~步骤S13中的操作，直到所有的钻孔的所有段都被去除。构建出完整的三维地层模型。
因此，本发明采用上述一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，以实现自动化的建模过程。该方法在建模过程中引入了断裂分块，从而降低了问题的复杂度，并引入了钻孔点相邻的概念。通过使用相邻点集和支持向量机（SVM）方法构建地层连通区，并结合多种插值方法进行交叉验证，最终选取最优的插值方法，从而提高了建模的精度。该方法的创新之处在于对地层建模过程进行了优化和改进，使得建模结果更加准确可靠。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用地表高程数据结合建模范围得到整个体的三维格点剖分，使用断裂平面投影分区得到各块的三维格点；对钻孔数据进行预处理，结合分块统计各个分块的钻孔数据，整理形成各分块钻孔数据集；
S2、构建当前高程数据表，选取最高段形成平面钻孔数据集，计算直接相邻矩阵，通过直接相邻矩阵使用广度优先搜索构建高程值最大钻孔点的相邻点集和不相邻点集，将相邻点集和不相邻点集带入SVM计算得到联通区域；
S3、将相邻点集带入三种插值方法交叉验证，选出最优插值方法，对联通区域的下表面插值，将当前高程数据和下表面之间的格点赋上地层并更新高程数据表；
S4、将相邻点集最高段去除，形成新的钻孔数据集；
重复步骤S2~步骤S4，直到所有地层建立完毕。
2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S1中，使用断平面投影分区包括：
将空间中的断裂点投影到平面，使用平面上的断裂投影点做断裂曲线的拟合，拟合之后通过公式（1）求解各个点对应的分区数字，若两点的分区数字相同代表它们在一个分区内：
（1）
其中，（x，y）为点的坐标；n为断裂曲线的总条数；为第k条断裂曲线；u为一个阶跃函数，其在x大于0的位置为1，小于等于0的位置为0，则/>使得第k条断裂曲线两边的点分别求解出0和1；c为该点的分区号，分区号保证在相同区域的点求解出的分区号相同；
因此，c的二进制表达形式的每一位的0和1对应其在对应的断裂曲线某一侧，如果两个点求解出的c值相同，则这两个点在每一条断裂曲线的同一侧，即为同一个区域中的点。
3.根据权利要求2所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S2中，直接相邻矩阵的定义如下：对于n个钻孔点，有一个的相邻矩阵与其对应，若钻孔点i与j直接相邻，则矩阵（i，j）处对应的值为1，否则值为0；
其中，两个钻孔点直接相邻的定义如下：这两个钻孔点的地层相同并且以这两个钻孔点相连的直线为直径的圆内不含有其他地层的点。
4.根据权利要求3所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S2中，使用广度优先搜索，具体操作为：将高程值最高的点加入一个点集，然后将与点集中相邻的点加入到点集中，重复上述步骤直到点集中没有新的点加入。
5.根据权利要求4所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S2中，在得到相邻点集和不相邻点集之后，使用SVM训练得出联通区域的方法如下：为相邻点集添加标签1，为不相邻点集添加标签0；将点集中的点以及它们的标签加入SVM训练得到一个分类器，将水平面剖分后的每个点带入分类器，求解结果为1的点的集合区域即为联通区域。
6.根据权利要求5所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S3中，三种插值方法分别为反距离插值、普通克里金插值和三次样条插值；
交叉验证的主要方式如下：将样本点均匀的分成10份，每次取其中一份为验证点，其余为训练点；使用训练点求解出插值曲面后带入求解出计算值与实际值的平均相对误差。
7.根据权利要求6所述的一种基于钻孔数据自顶向下逐层构建三维地层模型的方法，其特征在于，步骤S4中，将相邻点集最高段去除，形成新的钻孔数据集；当某一钻孔的最后一段被去除之后，需要将其高程设置为当前建模范围的最低点高程值减1，避免其被选中为高程最高点，且要将其地层值设为-1，代表一个不存在的地层，避免其被加入相邻点集合。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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