CN109752759B - 一种余震断层结构可视化的实现方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种余震断层结构可视化的实现方法及***，通过将获取的余震点云数据转换成三维视图点云，将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到三维断层的可视化图像。本发明所提供的方法及***，将余震点云数据转换成可视化的图像，不仅仅可以准确的呈现出地震的断层结构，而且还可以重现余震发生的时空过程，为研究人员对地震机理认识和地震风险评估提供了技术支持。

Description

一种余震断层结构可视化的实现方法及***

技术领域

本发明涉及大地测量技术领域，尤其涉及的是一种余震断层结构可视化的实现方法及***。

背景技术

在所有的地震断层类型(走滑、正常和反向)中，断层的复杂性都是普遍存在的。通常，断层沿着走向被分割成几何不连续的长度约为10-25km的若干个近似平行的断片，有时也会看到断层的深度分割(Elliot)，其中级联地震沿着上倾或下倾连续发生，这样的断层结构使地震的危险性评估变得复杂。研究发现简化假设的理论模型(例如单动态破裂，barbot等)已经不再适用于自然断层，在2004年帕克菲尔德地震发生的时间就比地震周期预期的晚十年。由于断层分割引起的级联断层破裂的时间间隔从几秒到几年不等，而控制因素仍未明确显示，所以探索余震的复杂断层几何结构是非常必要的。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种余震断层结构可视化的实现方法及***，克服现有技术中由于断层结构的复杂性导致对余震地区的危险性评估的结果误差较大，无法准确推测出余震危险性程度的缺陷。

本发明提供的第一实施例为一种余震断层结构可视化的实现方法，其中，包括：

获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云；

将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；

从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；

将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云数据所对应三维断层结构的可视化图像。

可选的，所述方法还包括：

当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

可选的，所述方法还包括：

基于不同的调节参数调节余震点的着色；所述调节参数包括：深度参数、局部异常因子、时间参数和幅度参数。

可选的，将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的二维平面投影图动画。

可选的，将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云的可视化图像的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的余震点云的迁移动画。

可选的，利用如下公式计算所述余震点云数据的局部异常因子：

其中，N_k(p)为距离点p的第k邻域的点集；lrd_k(p)是点p的局部可达性密度；lrd_k(o)是点o的局部可达性密度；点p和o为余震点云数据上任意两个点；

所述局部可达性密度的计算公式为：

其中，reach-dist_k(p,o)为点p和o之间的可达性距离。

可选的，所述在二维平面投影图中选择出多个具有线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤包括：

使用具有线性特征的多个点拟合出初始断层平面；

计算各个点到所述初始断层平面之间的距离；

计算全部点与所述初始断层平面之间的距离的均方根误差；

判断多个点中是否含有距离值大于所述均方根误差预设倍数的异常点；若有，则将异常点删除；

通过拟合平面的法向量得到断层平面的走向和倾角，得到断层平面。

可选的，所述在三维视图点云中选择出多个具有线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤包括：

基于奇异值分解的算法将多个具有线性特征的点拟合到平面。

本发明提供的第二实施例为一种余震断层结构可视化的实现***，其中，包括：

三维视图建立模块，用于获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云；

二维投影模块，用于将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；

断层结构定位模块，用于从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；

三维成像模块，用于将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云数据所对应三维断层结构的可视化图像。

可选的，所述余震断层结构可视化的实现***还包括：

去噪处理模块，用于当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

有益效果，本发明提供了一种余震断层结构可视化的实现方法及***，通过将获取的余震点云数据转换成点云，将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到三维断层的可视化图像。本发明所提供的方法及***，将余震点云数据转换成可视化的图像，不仅仅可以准确的呈现出地震的断层结构，而且还可以重现余震发生的时空过程，为研究人员对地震机理认识和地震风险评估提供了技术支持。

附图说明

图1是本发明所提供的余震断层结构可视化的实现方法的步骤流程图；

图2是本发明所述方法中余震点云数据录入到EXCEL中的表格示意图；

图3是本发明所述方法中将余震点云数据投影到二维平面的示意图；

图4是本发明所述方法中将余震点云数据的三维视图的示意图；

图5是本发明所述方法中局部异常因子的分值示例图；

图6是本发明所述方法中二维投影平面的走向图；

图7是本发明所述方法中二维投影平面的倾角图；

图8是本发明所述方法中断层结构的三维视图；

图9是本发明所提供的所述余震断层结构可视化的实现***的原理结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的第一实施例为一种余震断层结构可视化的实现方法，如图1所示，包括：

步骤S1、获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云。

本步骤中首先获取余震点云数据，然后将获取到的余震点云数据转换成点云。在具体实施例时，可以从地震目录或文献中直接获取。如图2所示，获取到的余震点云数据录入到EXCEL中并进行整理，数据属性包括经度、纬度和震级等，本步骤中首先根据数据的经度和纬度属性建立三维视图点云，形成数据的3D视图。余震点云数据呈现在3D视图窗口中，可以自由旋转、平移和缩放来观察点云结构。

步骤S2、将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图。

为了便于对余震点云数据进行分析，本步骤中将步骤S1中得到的三维视图点云投影到预设的某一个投影面上，便于分析三维视图点云上各个点之间的属性，从而挑选出符合要求的点。本步骤中将三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图，如图3所示，对投影到平面上的点进行分析，便于更好的了解各个点之间的关联。

具体的，由于嘈杂或无关的数据会对余震点云数据的分析有很大影响，因此当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

可选的，利用如下公式计算所述余震点云数据的局部异常因子：

其中，N_k(p)为距离点p的第k邻域的点集；lrd_k(p)是点p的局部可达性密度；lrd_k(o)是点o的局部可达性密度；点p和o为余震点云数据上任意两个点；

所述局部可达性密度的计算公式为：

其中，reach-dist_k(p,o)为点p和o之间的可达性距离。

为了便于观察点云的分布，所述方法还包括：

基于不同的调节参数调节余震点的着色；所述调节参数包括：深度参数、局部异常因子、时间参数和幅度参数。

步骤S3、从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位。

当上述步骤S2中选择出多个具有线性特征的点后，将各个所述处于同一线性上的点拟合成平面，得到的多个平面形成断层平面，从而对断层结构进行定位。

具体的，所述在三维视图点云中选择出多个具有线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤中基于奇异值分解的算法将多个具有线性特征的点拟合到选定平面。

步骤S4、将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云数据所对应三维断层结构的可视化图像。

将上述步骤S3中拟合出的断层平面输入到三维视图中，便可以得到断层结构的三维视图，如图4所示。

为了得到更好的可视化效果，便于预测人员对点数据有更进一步的了解，将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的二维平面投影图动画。较佳的，选择具有线性特征的各个聚类点之后，将通过稳健估计自动拟合平面来揭示潜在的断层结构，这将有助于探索断层几何。

为了更直观的观测到余震点云数据所对应的断层结构的形成情况，将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到三维断层的可视化图像的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的余震点云的迁移动画。具体的，观察沿着选定传播方向的余震迁移，在指定方向后，将绘制随时间变化的沿该方向的余震距离，将有助于揭示余震的时间迁移，得到所述迁移动画。

具体的，所述在二维平面投影图中选择出多个具有线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤包括：

使用具有线性特征的多个点拟合出初始断层平面；

计算各个点到所述初始断层平面之间的距离；

计算全部点与所述初始断层平面之间的距离的均方根误差；

判断多个点中是否含有距离值大于所述均方根误差预设倍数的异常点；若有，则将异常点删除；

通过拟合平面的法向量得到断层平面的走向和倾角，得到断层平面。

下面以本发明具体应用实施例为例，对本发明所述方法做更为详细的解释。

1)3D视图：余震点云数据可以在3D视图控件中显示，一些典型的3D交互包括：缩放、平移、旋转、数据提示和数据刷都可操作，还允许交互式浏览和编辑绘图数据以改善视觉显示。

2)交互式平面投影图：由于横截面图是探索复杂断层几何的主要可视化方法，当余震投射到垂直于断层的平面上时，断层通常由线性特征表示，这里提供了一个界面可以输入投影平面的走向和倾角以快速绘制所需的平面投影轮廓。

将3D余震点云投影到2D平面可以明显增强断层几何的特征，这里提供了一种在分配平面时快速计算投影的交互方式。为了使交互操作易于地质学家使用，我们使用地质术语即走向和倾角来定义投影平面的方向，如图6和图7所示。投影可以通过两个坐标轴旋转来实现，这里z轴旋转角度为-90°，x轴旋转角度为-dip。

旋转矩阵((R_z和R_x)由下式给出：

来自余震点(u)的投影坐标(P)由满足公式:P＝R_xR_zu；其中x和y坐标对应于投影平面中的坐标，z坐标表示到平面的距离。

3)滤波或去噪：嘈杂或无关的数据会对余震点云数据的分析有很大影响，过滤或者去噪是消除嘈杂或不相关的余震点云且同时保留断层几何细节的重要步骤。过滤是基于余震的四个特征，包括深度，局部异常因子(LOF)，时间和幅度。其中局部异常因子(LOF)是查找异常数据点的索引，这里使用基于局部异常因子(LOF)的过滤方法对数据进行去噪。

局部异常因子(LOF)值的概念：一个样本点周围的样本点所处位置的平均密度比上该样本点所在位置的密度。比值越大于1，则该点所在位置的密度越小于其周围样本所在位置的密度。

所述局部异常因子(LOF)的计算如下：

定义k-distance为p的第k距离，也就是距离p第k远的点的距离，点p和o之间的可达性距离由下式给出：

reach-distance_k(p,o)＝max{k-distance(o),d(p,o)}

其中，d(p，o)是p和o之间的实际距离。

然后定义点p的局部可达性密度，如下式所示：

其中N_k(p)定义为距离点p的第k邻域的点集。

最后获得点p的局部异常因子(LOF)，如下式所示：

如图5所示，给出了显示了计算局部异常因子(LOF)值的示例，其中可以明显看出大于1的局部异常因子(LOF)值表示稀疏区域。

4)着色：可以在深度、局部异常因子(LOF)、时间和幅度之间快速切换余震点着色功能，使用户可以有效地识别不同维度的数据。

5)断层平面拟合：为了测试识别断层的概率，用户首先在截面图中挑选出形成线性特征的点，然后基于稳健的估计断层平面将自动适应这些点来定量地定位潜在的断层结构。

具体的，本步骤中平面拟合的计算步骤如下：

使用基于奇异值分解的算法来将给定的3D余震点拟合到选定平面。其中基于奇异值分解的平面参数(ax+by+cz＝d)的计算如下：

给出一组点(x_i，y_i，z_i，i＝1...n)和它们的中心点

我们形成一个矩阵A，如下式所示:

再将SVD应用于矩阵中得到：A＝UDV^T

参数向量[a，b，c]是对应于最小奇异值的最小奇异向量，最后一个参数d可以通过以下方式获得：

为了避免噪声点的干扰，提供一个迭代步骤来识别异常值并将它们从平面拟合中排除，算法如下：

1)使用可用点拟合一个平面；

2)计算点到平面的距离(D)；

3)计算所有距离(D)的均方根误差(σ)；

4)找到距离大于3倍的点，并将它们定义为异常值；

5)删除这些点然后返回步骤1；

6)找不到异常值时停止，并返回平面参数。

通过拟合平面(a，b，c)的法向量，得到断层面的走向和倾角，如下式所示：

6)断层可视化：如图8所示，用户可以将断层导入到3D视图中，通过3D视图呈现余震断层结构，可以取得更好的对余震点云的可视化分析。

7)动画：可以逐渐进行余震的绘制，在3D视图和2D横截面图中形成动画，动画的可视化具有独特的优势，可以帮助人们理解和预测余震的时空变化。

8)传播距离-时间图：为了进一步量化余震的迁移过程，用户可以定义传播方向，并根据时间来绘制沿该方向的距离。

本发明所提出的余震断层结构可视化的实现方法与传统余震解释方法之间的明显差异在于使用了交互操作。传统的静态显示器不能让分析人员直接和快速的探索余震点数据。然而，交互式显示器可以更深入和更容易的了解3D余震点数据，并可以发现新的断层结构或时空演变模式，并且受地震反演数据分辨率的限制，余震位置存在一定的不确定性，导致一些地震点偏离断层面。所以在这项研究中，我们使用(局部异常因子(LOF))，以检测明显偏离断层平面的异常点；以及将3D余震点云投影到2D平面可以明显增强断层几何的特征，当研究人员从横截面图中识别出潜在的线性特征时，平面拟合可以快速评估可能性并定量给出几何参数。

本发明提供的第二实施例为一种余震断层结构可视化的实现***，如图9所示，包括：

三维视图建立模块910，用于获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云；其功能如步骤S1所述；

二维投影模块920，用于将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；其功能如步骤S2所述；

断层结构定位模块930，用于从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；其功能如步骤S3所述；

三维成像模块940，用于将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云的三维断层结构的可视化图像，其功能如步骤S4所述。

较佳的，所述余震断层结构可视化的实现***还包括：

去噪处理模块，用于当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

本发明提供了一种余震断层结构可视化的实现方法及***，通过将获取的余震点云数据转换成点云，建立余震的三维视图点云；将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到三维断层的可视化图像。本发明所提供的方法及***，将余震点云数据转换成可视化的图像，不仅仅可以准确的呈现出地震的断层结构，而且还可以重现余震发生的时空过程，为研究人员对地震机理认识和地震风险评估提供了技术支持。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，包括：

获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云；

将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；

从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；

将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云数据所对应断层结构的可视化图像。

2.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

3.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于不同的调节参数调节余震点的着色；所述调节参数包括：深度参数、局部异常因子、时间参数和幅度参数。

4.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的二维平面投影图动画。

5.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云的可视化图像的步骤还包括：

基于余震点云数据中各个数据点所对应的时间值，得到余震点云数据对应时间范围内的余震点云的迁移动画。

6.根据权利要求2所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，利用如下公式计算所述余震点云数据的局部异常因子：

其中，N_k(p)为距离点p的第k邻域的点集；lrd_k(p)是点p的局部可达性密度；lrd_k(o)是点o的局部可达性密度；点p和o为余震点云数据上任意两个点；

所述局部可达性密度的计算公式为：

其中，reach-dist_k(p,o)为点p和o之间的可达性距离。

7.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，所述从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤包括：

使用具有线性特征的多个点拟合出初始断层平面；

计算各个点到所述初始断层平面之间的距离；

计算全部点与所述初始断层平面之间的距离的均方根误差；

判断多个点中是否含有距离值大于所述均方根误差预设倍数的异常点；若有，则将异常点删除；

通过拟合平面的法向量得到断层平面的走向和倾角，得到断层平面。

8.根据权利要求1所述的余震断层结构可视化的实现方法，其特征在于，所述从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面的步骤包括：

基于奇异值分解的算法将多个具有线性特征的点拟合到平面。

9.一种余震断层结构可视化的实现***，其特征在于，包括：

三维视图建立模块，用于获取余震点云数据，并根据获取的余震点云数据建立三维视图点云；

二维投影模块，用于将所述三维视图点云投影到垂直于断层的平面得到二维平面投影图；

断层结构定位模块，用于从三维视图点云中选择出多个在所述二维平面投影图内呈现线性特征的点，根据选择出的具有线性特征的点拟合出断层平面，以及根据拟合出的断层平面对断层结构进行定位；

三维成像模块，用于将定位出的断层结构输入到三维视图中，得到余震点云数据所对应断层结构的可视化图像。

10.根据权利要求9所述的余震断层结构可视化的实现***，其特征在于，还包括：

去噪处理模块，用于当得到二维平面投影图后，计算所述余震点云数据的局部异常因子，并根据所述局部异常因子对所述余震点云数据进行去噪处理。

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