CN112419500B - 三维地质模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地质建模技术领域，具体涉及一种三维地质模型建模方法。三维地质模型建模方法，包括以下步骤：获取多个勘探孔的勘探数据，提取钻孔数据，根据钻孔数据进行数据插值得到插值数据，将插值数据和钻孔数据整合成建模数据；通过建模数据生成点云数据，由点云数据生成地层曲面；采用凸包算法搜索凸包络线，根据凸包络线对地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面；通过地层曲面生成地层实体，从勘探数据中提取土层数据，将土层数据作为地层实体的项目参数，通过地层实体生成三维地质模型。本发明生成的地层曲面更为光滑，且完全由参数控制，对地层的模拟有较好的效果。
Description
技术领域
本发明属于地质建模技术领域，具体涉及一种三维地质模型建模方法。
背景技术
目前，市场上用于三维地质建模的软件有很多，其中有些软件发展较为成熟且应用广泛，如法国Nancy大学研发的GOCAD，加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建模与分析软件Micr，斯伦贝谢公司开发的三维可视化建模软件Petrel，法国达索公司开发的CATIA，以及国内开发的理正三维地质建模***、基于Bentley Micro Station v8i平台开发的Geo Station系列、库伦GEO5、3DA(地质工程师三维助手)、Geo I3d(智岩)等。这些软件在建模能力上已经比较成熟，能保证模型的细度，但是这些软件高昂的价格、技术高门槛及高配计算机，让许多勘察单位望而却步，而且其建立的三维地质模型一般不能直接导入主流BIM设计软件，建立三维地质模型所需的时间也比较长。另外，目前工程尺度的地质建模技术大多属于“人机交互”的建模方式，普遍是以静态模型构建为主，缺少参数化驱动及数据的动态更新对模型的重构作用，由于地质结构的复杂和隐蔽性，如尖灭、夹层、透镜体等地层分布情况，导致这些建模方法存在交互繁琐、模型修改更新困难等局限。
发明内容
本发明针对现有的三维地质模型价格昂贵，且无法直接导入主流设计软件，建模时间较长，需要人机交互完成建模的技术问题，目的在于提供一种三维地质模型建模方法。
三维地质模型建模方法，包括以下步骤：
获取多个勘探孔的勘探数据，从所述勘探数据中提取钻孔数据，根据所述钻孔数据进行数据插值得到插值数据，将所述插值数据和所述钻孔数据整合成建模数据；
通过所述建模数据生成点云数据，由所述点云数据生成地层曲面；
采用预设的凸包算法根据所述点云数据搜索凸包络线，根据所述凸包络线对所述地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面；
通过所述地层曲面生成地层实体，从所述勘探数据中提取土层数据，将所述土层数据作为所述地层实体的项目参数，通过所述地层实体生成三维地质模型。
所述获取多个勘探孔的勘探数据，从所述勘探数据中提取钻孔数据后，包括：
将多个所述勘探孔对应的所述钻孔数据的地层按沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小；
判断所述钻孔数据中的任一单孔的地层是否存在地层缺失、倒转或重复，将不存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为典型分层单孔，将存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为异型分层单孔；
对所述异型分层单孔在保留原分层的基础上，进行地层的补缺；
对每个单孔与其他单孔分别进行比较，若两个单孔中任一单孔缺少任一地层的地层编号，则新增厚度为0的虚拟地层，致使所有单孔具有统一的地层及地层编号。
所述对所述异型分层单孔在保留原分层的基础上，进行地层的补缺包括：
若所述异型分层单孔存在第i层地层缺失，则在第i层添加一个厚度为0的地层；
若所述异型分层单孔存在第i层的地层编号ni比上一层或下一层的地层编号都大或小的倒转，则将第i层的地层编号记为该层的负数，并在地层缺失处添加一个厚度为0的地层；
若所述异型分层单孔存在第i层的地层编号与第j层的地层编号相同，则将其中较小的地层编号记为正常层，另一层按照地层倒转情况处理。
所述判断所述钻孔数据中的任一单孔的地层是否存在地层缺失、倒转或重复，包括：
若imax＝n，且ni+1＝ni+1，则认为单孔为典型分层单孔；
若imax＜n，且存在ni+1＜ni+1，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层缺失；
若存在|ni|＞|ni-1|∩|ni|＞|ni+1|或存在|ni|＜|ni-1|∩|ni|＜|ni+1|，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层倒转；
若imax＞n，且存在ni＝nj(j＞i+1)，则认为单孔异型分层单孔，且存在重复；
所述单孔的地层从上至下地层编号从1开始依次增加，直至勘探孔进入最深的地层编号n结束，ni为第i层的地层编号，其中i为层序。
所述对多个勘探孔中的两个单孔进行比较，若两个单孔中任一单孔缺少任一地层的地层编号，则新增厚度为0的虚拟地层，致使所有单孔具有统一的地层及地层编号，包括：
遍历所有勘探孔，根据揭露的地层对勘探孔进行分为p类，揭露的地层包含同一种层序的勘探点数量为z个，则集合为
其中最大的值为
令第q类的勘探孔所揭露的地层为第一版母版地层分层，记为S1；
再次遍历所有勘探孔，每个勘探孔揭露的地层分层数值列表记为Rr，将S1中的元素与Rr中的元素进行比较，若Rr中存在S1中不存在的元素，则将Rr中存在S1中不存在的元素按顺序加入S1中，当所有勘探孔均迭代完毕，从第一版母版地层分层生成第二版母版地层分层，记为S2；
遍历异型分层单孔中的异常勘探孔，将异常勘探孔的地层数值列表为R，当异常地层在列表中的序号为i，将列表中的第i-1、i、i+1项切片，然后查找S2列表中是否有切片列表相同的数值排列，若有，则保持S2不变；若没有，则根据切片数值修改S2列表的数值排列，生成最终版母版地层层序，记为S；
根据S统一所有勘探孔的地层序列，在缺失层添加一个厚度为0的地层。
所述根据所述钻孔数据进行数据插值得到插值数据，包括：
利用克里金插值模型对所述钻孔数据的每层地层的层面作为插值对象分别进行克里金插值，插值顺序从顶到底进行；
在进行插值过程中，选取第n面为约束面，判断n面上的点Mn的Zn值是否大于点Mn+1的Z(n+1)值，若Zn<Z(n+1)，则令Z(n+1)＝Zn，其中Mn为第n面上的任一点的三维坐标，Zn为点Mn中的Z向坐标(高程值)；
在插值过程中所用的约束面即为前一次插值出来的地层面，在首次插值时不考虑约束面。
在进行克里金插值时，采用基于Matlab的dace工具箱进行克里金插值，在调用工具箱内拟合函数和预测函数时，选用克里金插值模型中的高斯模型的参数。
在进行克里金插值前，对克里金插值模型预设权重边界条件t；
通过所述克里金插值模型得到的任一插值点P，将所述钻孔数据中的实际钻孔点对插值点P的权重系数记为λ，若所述实际钻孔点在当前地层的厚度为0，则将权重系数λ与所述权重边界条件t进行比较，若λ大于t，则令插值点P在当前地层的厚度为0。
所述将所述插值数据和所述钻孔数据整合成建模数据，包括：
对所有的插值数据和钻孔数据都进行查找和排序，排序时以勘探孔的Y轴坐标最小值开始排列，若Y轴坐标相同，则从X轴坐标开始排列，若X轴坐标相同，则从标高开始排列。
所述通过所述建模数据生成点云数据，由所述点云数据生成地层曲面，包括：
采用预设的非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)模型将所述建模数据拟合生成地层曲面，在拟合时，采用反算法求出控制顶点来拟合曲线曲面，且限定过曲面上每个顶点的权重系数为1。
所述采用预设的凸包算法根据所述点云数据搜索凸包络线，根据所述凸包络线对所述地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面，包括：
将所述点云数据中任一地层中的三维空间的点pi(x,y,z)的z为0，致使转为二维的点pi(x,y,0)，通过预设的凸包算法，找出当前地层的点云数据中最外层的凸包点，通过对最外层的凸包点进行连线生成多条线段进而生成凸包络线，通过投影放样，将所述凸包络线沿Z轴方向拉伸，生成一个闭合曲线，用所述闭合曲线对所述地层曲面进行切割的布尔运算，中间留下的部分则为符合真实地层的地层曲面。
所述通过所述地层曲面生成地层实体，从所述勘探数据中提取土层数据，将所述土层数据作为所述地层实体的项目参数，通过所述地层实体生成三维地质模型，包括：
根据钻孔数据直接生成钻孔实体，将所述钻孔实体和所述地层实体输入Revit软件生成三维地质模型。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用三维地质模型建模方法，具有如下显著优点：
1、对钻孔数据中包括地层缺失、地层倒转、地层重复的不同地质情况进行了合理的处理，使得所有钻孔具有统一的层序，使钻孔间的地层一一对应，避免在生成地层曲面时存在跨地质单元的错误连线；
2、选用高斯模型的半差函数作为拟合函数，并改变了相关参数、拟合模型、边界条件，提高建模精度，使得模拟成果更符合真实地层；
3、采用凸包算法搜索凸包点，使用凸包络线对原有模型进行切割处理，使得建立的三维地质体模型更符合勘探孔控制范围；
4、在生成地层曲面的过程中，采用非均匀有理B样条模型，生成的地层曲面更为光滑，且完全由参数控制，对地层的模拟有较好的效果。
附图说明
图1为本发明的一种整体流程图；
图2为本发明一种工程地质剖面图；
图3为对图2对应的地层缺失进行补缺时的一种柱状图；
图4为本发明地层倒转进行补缺时的一种柱状图；
图5为本发明地层重复进行补缺时的一种柱状图；
图6为本发明补缺前的一种柱状图；
图7为图6补缺后的一种柱状图；
图8为本发明根据最终版母版地层层序统一所有勘探孔地层层序的一种柱状图；
图9为本发明设置克里金插值法的约束面的矫正过程示意图；
图10为本发明对权重设置边界条件的一种原理示意图；
图11为一种理想的地层曲面网格；
图12为经本发明凸包算法进行修剪后的地层曲面；
图13为本发明的一种主要建模流程图；
图14为本发明实施例1中进行插值后的一种拟合效果示意图；
图15为本发明实施例1中进行插值后的均方差示意图；
图16为本发明实施例1生成的部分地层曲面；
图17为本发明实施例1生成的三维地质模型。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1，三维地质模型建模方法，包括以下步骤：
S1，获取多个勘探孔的勘探数据，从勘探数据中提取钻孔数据，根据钻孔数据进行数据插值得到插值数据，将插值数据和钻孔数据整合成建模数据。
在勘察工作时，通常进行勘探钻孔，得到勘探数据，包括钻孔数据、地层特性和土层物理力学性质等参数。提取钻孔数据作为建模数据可以生成三维地质模型。但是土层往往会有缺失、乱序和重复，这给三维地质建模造成很大影响，传统的地层连线方法容易出现不同地质单位间的错误连线。因此在进行插值计算前，可先对钻孔数据进行处理，将进行典型分层的钻孔和异型分层的钻孔分开再进行处理，使得所有钻孔具有统一的层序，使钻孔间的分层一一对应，避免在生成地层曲面时存在跨地址单元的错误连线。
在一个实施例中，获取多个勘探孔的勘探数据，从勘探数据中提取钻孔数据后，包括：
S101，将多个勘探孔对应的钻孔数据的地层按沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小。
在理想情况下，土体从上至下的地层分层编号从1开始依次增加，直至钻孔进入最深的地层的编号记为n结束，中间没有缺失、颠倒和重复。但实际情况中，受各种地质运动影响，某些钻孔反映的地层会出现各种异型分层，则需要通过一定的条件判断该钻孔的分层属于哪种类型。
S102，判断钻孔数据中的任一单孔的地层是否存在地层缺失、倒转或重复，将不存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为典型分层单孔，将存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为异型分层单孔。
在一个实施例中，判断时，采用如下方式：
若imax＝n，且ni+1＝ni+1，则认为单孔为典型分层单孔；
若imax＜n，且存在ni+1＜ni+1，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层缺失；
若存在|ni|＞|ni-1|∩|ni|＞|ni+1|或存在|ni|＜|ni-1|∩|ni|＜|ni+1|，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层倒转；
若imax＞n，且存在ni＝nj(j＞i+1)，则认为单孔异型分层单孔，且存在重复；
其中，ni为第i层的地层编号，其中i为层序。
S103，对异型分层单孔在保留原分层的基础上，进行地层的补缺。
在一个实施例中，进行地层补缺的方式如下：
(1)若异型分层单孔存在第i层地层缺失，则在第i层添加一个厚度为0的地层。
地层缺失是指某地层在部分钻孔中不存在，但是在其他钻孔中存在，这种地质现象往往表现为透镜体和尖灭。
参照图2，是某地的勘探报告中工程地质剖面图，图中B3钻孔共钻到4个土层①1、①2、②、③t，C3钻孔共钻到5个土层①1、①2、②、③、③t。B3孔相对C3孔缺失了③号土层，也就是分层编号为4号的地层。
采用本步骤中，地层缺失情况下，在第4层添加一个厚度为0的地层，则参照图3，C3的右侧4③为虚拟添加的地层，则可建立统一地层层序为{1，2，3，4，5}，B3、C3孔形成统一地层层序，在进行钻孔地层连线时，地层缺失处会被看作0厚度层，与周围真实存在的地层相连接。
(2)若异型分层单孔存在第i层的地层编号ni比上一层或下一层的地层编号都大或小的倒转，则将第i层的地层编号记为该层的负数，并在地层缺失处添加一个厚度为0的地层。
地层倒转是指钻孔中某些形成时期较早的地层出现在较晚地层的上方，而一般情况下较早的地层应该在较晚地层的下方。地层倒转的地层会被看作异常层，与周围钻孔的相应异常层相连接，如果周围钻孔原本不存在该相应的异常层，在经过统一地层序列方法处理后该异常层厚度为0。
例如，有钻孔B1和B2，其中B1钻孔共钻到6个土层①1、①2、②、③、③t、⑤，B2钻孔共钻到6个土层①1、①2、②、③t、③、⑤，通过统一层序的条件判断，其中第5地层(即第③t层)为异常层，参照图4，将B2孔中第5层的序号改为-5，可建立统一地层层序为{1、2、3、-5、4、5、6}，再将缺失地层以0厚度层加入钻孔分层中。在进行钻孔地层连线时，地层缺失处会被看作0厚度层，与周围真实存在的地层相连接。
(3)若异型分层单孔存在第i层的地层编号与第j层的地层编号相同，则将其中较小的地层编号记为正常层，另一层按照地层倒转情况处理。
地层重复是指某些钻孔中不同的位置存在同样岩性的地层，在一些传统的连线方法中计算机无法分辨具体哪层与其他钻孔进行连线。重复的地层会根据情况被分为不同的地层，分别与周围钻孔的对应地层相连。
例如，C2钻孔共钻到6个土层①1、①2、②、③、③t、③，B3钻孔共钻到5个土层①1、①2、②、③t、③，C3钻孔共钻到6个土层①1、①2、②、③、③t、③。通过统一层序的条件判断，C2、C3孔中存在两个第③层，参照图5，将C2、C3孔中第一个第③层视为正常层，记为第4层，第二个第③层视为异常层，记为第-4层，可建立统一地层层序为{1、2、3、4、5、-4}，再将缺失地层以0厚度层加入钻孔分层中。在进行钻孔地层连线时，地层缺失处会被看作0厚度层，与周围真实存在的地层相连接。
(4)对每个单孔与其他单孔分别进行比较，若两个单孔中任一单孔缺少任一地层的地层编号，则新增厚度为0的虚拟地层，致使所有单孔具有统一的地层及地层编号。
参照图3至图5，每个单孔均与其他单孔进行了比较并添加了单孔缺失的地层，添加时缺失地层以0厚度层加入钻孔分层中，最终建立统一地层层序。例如图5中所示，B3缺失第4层，则在第4层添加厚度为0的地层，最终C2、B3和C3进行地层相连接。
参照图6，分别包括了正常层序的A钻孔、地层缺失型的B钻孔、地层倒转型的C钻孔和地层重复型的D钻孔。
通过本发明进行地层补缺，最终得到图7所示，每个钻孔的柱状图中左侧为其真实土层，右侧为新增的厚度为0的虚拟土层。所有钻孔的土层层序的总数和顺序就与统一层序相统一，各钻孔土层层序与统一层序的关联就建立起来了。
可见，提前对土层的地质情况进行预处理，针对各种不同的地层做一个判断，然后增加或减少地层，从而达到统一层序的效果，则可以减少人工干预的工作量和连线错误。且统一所有钻孔分层后，在模型插值计算时，对于每一层地层和每个钻孔中都能找到相对应的位置进行插值。
为了减少程序冗余，提高模型算法的效率，在对勘探孔进行统一地层编号时，采用如下更优的母版地层层序比较的方式：
在一个实施例中，获取多个勘探孔的勘探数据，从勘探数据中提取钻孔数据后，包括：
S111，将多个勘探孔对应的钻孔数据的地层按沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小。
具体在进行编号时，可以首先将地层序号以数值表示，将地层名字主要地层记为同样数字，其中的亚层则在小数点后进行增加数值，如②1的数值表达记为2.1，③t的数值表达记为3.5，⑤1-2的数值表达记为5.12。则单个勘探孔所揭露土层[①，②1，②3，③，③t，③，④，⑤1-1，⑤1-2，⑤3，⑥]则可记为列表[1，2.1，2.3，3，3.5，3，4，5.11，5.12，5.3，6]。列表按照土层沉积顺序进行排序，沉积年代越晚的土层的序号越小，土体从上至下的土层在列表中的序号从0开始依次增加，最深的土层在列表序号为n-1，n为该列表的长度。
编号的方式可以为多种形式，原则是按照土层沉积顺序进行排序，沉积年代越晚的土层的序号越小。
S112，遍历所有的勘探孔，若任一勘探孔r揭露的地层分层数值列表R中存在重复值，则勘探孔r揭露的地层为重复型地层；若任一勘探孔r揭露的地层分层数值列表R中存在第i项同时小于第i-1项和第i+1项且列表中无重复值，则勘探孔r揭露的地层为倒转型地层；将重复型地层和倒转型地层对应的勘探孔认为是异常勘探孔，将异常勘探孔对应的地层分层认为是异常地层，异常地层的合集记为Y。
在一个实施例中，判断是否为异常勘探孔时，采用如下方式：
若
则认为R[i]为倒转型地层；
若R[i]＝R[j]，r≠j，则认为R[i]为重复型地层。
S113，遍历所有勘探孔，根据揭露的地层对勘探孔进行分为p类，揭露的地层包含同一种层序的勘探点数量为z个，则集合为
其中最大的值为
令第q类的勘探孔所揭露的地层为第一版母版地层分层，记为S1。
此时的第一版母版地层分层为典型分层单孔的典型地层。
S114，再次遍历所有勘探孔，每个勘探孔揭露的地层分层数值列表记为Rr，将S1中的元素与Rr中的元素进行比较，若Rr中存在S1中不存在的元素，则将Rr中存在S1中不存在的元素按顺序加入S1中，当与所有勘探孔均对比完毕，第一版母版地层分层不断迭代生成第二版母版地层分层，记为S2。
此时的第二版母版地层分层已包含勘探孔所有范围内的所有地层。
S115，遍历异型分层单孔中的异常勘探孔，将异常勘探孔的地层数值列表为R，当异常地层在列表中的序号为i，将列表中的第i-1、i、i+1项切片，然后查找S2列表中是否有切片列表相同的数值排列，若有，则保持S2不变；若没有，则根据切片数值修改S2列表的数值排列，生成最终版母版地层层序，记为S。
S116，根据S统一所有勘探孔的地层序列，在缺失层添加一个厚度为0的地层。
参照图8，左侧(a)为最终版母版地层层序S，根据S统一一般地层层序(b)、重复性地层层序(c)和到转型地层层序(d)，通过采用母版地层层序比较的方式，最终得到如图8中所示的统一的地层层序。
最终版母版地层层序包含了所有地层及排列顺序，其他勘探孔的地层层序按照最终版母版地层层序进行修改即可实现所有勘探孔的地层层序的统一，使得勘探孔中每一地层层面一一对应，避免在建模过程中地质界面错连和插值过程数据不匹配。
在一个实施例中，根据钻孔数据进行数据插值得到插值数据，包括：
利用克里金插值模型对钻孔数据的每层地层的层面作为插值对象分别进行克里金插值，插值顺序从顶到底进行。
克里金方法(Kriging)，是以南非矿业工程师D.G.Krige名字命名的一项实用空间估计技术，目前在地质统计领域已得到广泛应用。Kriging方法通过引进以距离为自变量的变异函数来计算加权值，由于变异函数既可以反映变量的空间结构特性，又可以反映变量的计算分布特性，所以利用Kriging方法进行空间数据插值往往可以取得理想的效果。本发明通过Kriging方法实现局部加权插值，克服了一般距离加权差值方法差值结果的不稳定性。
在一个实施例中，在进行插值过程中，选取第n面为约束面，判断n面上的点Mn的Zn值是否大于点Mn+1的Z(n+1)值，若Zn<Z(n+1)，则令Z(n+1)＝Zn，其中Mn为第n面上的任一点的三维坐标，Zn为点Mn中的Z向坐标(高程值)；在插值过程中所用的约束面即为前一次插值出来的地层面，在首次插值时不考虑约束面。
参照图9，在插值过程中，为了防止第n面和第n+1面出现相交的情况，需选取第n面为约束面。通过判断n面上的点Mn的Zn值是否大于点Mn+1的Z(n+1)值，来确定拟生成的地层曲面是否相互穿插，若如图9中所示，具有相互穿插现象，则进行数据矫正。
在一个实施例中，在进行克里金插值时，采用基于Matlab的dace工具箱进行克里金插值，在调用工具箱内拟合函数和预测函数时，选用克里金插值模型中的高斯模型的参数。
本发明设置合适的变异函数，是优化该插值方法精度的关键。对于本发明地质模型场景，选用高斯模型更为合适，因此采用了高斯模型的参数。
在一个实施例中，在进行克里金插值前，对克里金插值模型预设权重边界条件t；通过克里金插值模型得到的任一插值点P，将钻孔数据中的实际钻孔点对插值点P的权重系数记为λ，若实际钻孔点在当前地层的厚度为0，则将权重系数λ与权重边界条件t进行比较，若λ大于t，则令插值点P在当前地层的厚度为0。
在实际地层中，往往存在尖灭、透镜体等特殊地质现象，在利用克里金插值法进行插值计算后，由真实勘探点生产的插值点在尖灭处的均方误差较大。本发明为了解决地层尖灭、透镜体问题，在算法中对估计值权重系数设置边界条件来减小插值误差。
参照图10，3个实际钻孔点(勘探孔)A、B、C对插值点P的权重系数分别记为λPA、λPB、λPC，若钻孔点A在某地层的厚度为0，则当λPA大于某一阈值t时，即A点与P的空间相关程度到一定高度时，令插值点P在该地层的厚度为0，曲线MN上A点权重系数刚好等于阈值t，此线即为尖灭线，AMN区域的地层厚度为0。通过上述方法，三维建模中的地层尖灭就出现在钻孔间，而不在钻孔处，且阈值可根据不同场地的地形地貌进行调整，可灵活控制建模效果。
在一个实施例中，将插值数据和钻孔数据整合成建模数据，包括：对所有的插值数据和钻孔数据都进行查找和排序，排序时以勘探孔的Y轴坐标最小值开始排列，若Y轴坐标相同，则从X轴坐标开始排列，若X轴坐标相同，则从标高开始排列。
S2，通过建模数据生成点云数据，由点云数据生成地层曲面。
在一个实施例中，通过建模数据生成点云数据，由点云数据生成地层曲面，包括：采用预设的非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)模型将建模数据拟合生成地层曲面，在拟合时，采用反算法求出控制顶点来拟合曲线曲面，且限定过曲面上每个顶点的权重系数为1。
地质结构面是地质发展历史时期在地质体中形成的具有一定产状、一定规模、一定空间形态和工程特性的地质分界面，其形状并不是多边形曲面。因此，要提高所建立三维地质体模型的精度，其关键是地质结构面的模拟。NURBS是一种特殊的样条函数，样条函数只要确定点的位置和互相的距离，就可以表现出一条完整和平滑的曲线，本发明使用NURBS曲面能很好的达到这种效果。
NURBS曲线和曲面本质上是一个或者两个参数的控制函数。这些参数通过控制点和权因子描述形状。在三维地质建模中，表达复杂的NURBS地层曲面、曲线是建模关键。在数学表达应用中，NURBS曲线曲面的处理可分为2种方法：一种是给出控制顶点数据求解过曲线曲面上的点信息，称为正算法；另一种是给出曲线上的型值点数据，反算曲线曲面控制顶点信息，再由顶点构造出通过型值点的NURBS曲线曲面，称为反算法。在实际工程地质中，不管是钻孔点数据还是剖面线数据都是各个地质结构面上实际的数据点集，不能直接构造NURBS曲线曲面，因此本发明采用反算法求出控制顶点来拟合NURBS曲线曲面。
空间中的点云具有3个维度，且参数是曲线或曲面上点的唯一表示。曲面具有由曲线构成的2个内部维度，分别是U方向和V方向(长度和宽度)曲面上的每个点都有U和V两个参数，因此，过曲面上每一点顶p(u0,v0)，总有一条u曲线p(u,v0,ωij)和v曲线p(u0,v,ωij)，其中ωij为相应权重系数。
由于地质构造自身的不确定性、测量的不确定性、数据分析处理的不确定性以及认知的局限性等本来就不能精确确定形状的建模，且地质建模是通过改变型值点(地质点数据)的位置和疏密来条件模型的创建和精度，所以本发明令权重系数ωij＝1。
S3，采用预设的凸包算法根据点云数据搜索凸包络线，根据凸包络线对地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面。
三维地质模型的地层曲面一般是通过钻孔数据所构成的点数据进行内插、剖分、构网而成。生成地层曲面时，受插值算法和生成地层曲面的程序算法的制约，往往生成的地层曲面都是较为规则的，且由点构成的网格时，距离很远且空间相关程度很低的两点也会相连来构成网格，这种网格所生成的地层曲面中不存在实际钻孔，无法准确地模拟真实地层。如图11所示，是由部分钻孔模型生成的理想的地层曲面网格，实际的钻孔呈不规则的形状，但是由代码生成的地层曲面的却是规则的，且其内部分曲面是由计算机自行插值生成的，这种曲面并不准确，不能代表真实地形。所以需要在生成的地质体模型时，要剔除掉这部分不准确的地层曲面，使得模型能更符合真实地形。
在一个实施例中，采用预设的凸包算法根据点云数据搜索凸包络线，根据凸包络线对地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面，包括：
将点云数据中任一地层中的三维空间的点pi(x,y,z)的z为0，致使转为二维的点pi(x,y,0)，通过预设的凸包算法，找出当前地层的点云数据中最外层的凸包点，通过对最外层的凸包点进行连线生成多条线段进而生成凸包络线，通过投影放样，将凸包络线沿Z轴方向拉伸，生成一个闭合曲线，用闭合曲线对地层曲面进行切割的布尔运算，中间留下的部分则为符合真实地层的地层曲面。
凸包(Convex Hull)是一个计算几何(图形学)中的概念，一组平面上的点，求一个包含所有点的最小的凸多边形。在勘探孔信息所表达的点，是三维空间的点pi(x,y,z)，当我们某层土层的所有点pi(x,y,z)的z为0，将其转为二维的点pi(x,y,0)，再通过凸包算法，找出这片点云中最外层的点，通过这些点生成多段线，再用多段线对生成的地层曲面进行切割的布尔运算，将不准确的地层曲面剔除，留下的部分则为符合真实地形的地层曲面。如图12所示，经本发明凸包算法对代码生成的地层曲面进行修剪后，使得地层曲面更符合真实地形。
S4，通过地层曲面生成地层实体，从勘探数据中提取土层数据，将土层数据作为地层实体的项目参数，通过地层实体生成三维地质模型。
在一个实施例中，本步骤包括：
根据钻孔数据直接生成钻孔实体，将钻孔实体和地层实体输入Revit软件生成三维地质模型。
实施例1，本发明通过上述S1至S4能生成较为真实的三维地质模型。参照图13，本发明的主要建模具体流程为：
(1)提取钻孔数据，采用步骤S101至步骤S103的方式建立适用于所有勘探孔的层序，直至每个钻孔分层数和层序一致得到处理后的钻孔数据，该处理后的钻孔数据分别用于克里金插值时使用、由凸包算法找出凸包络线、提取每层土的物理力学性质数据、生成钻孔实体。其中，通过克里金插值方法实现大量插值后，还需要经过判断拟生成的地层曲面是否相互穿插，即采用步骤S1中考虑约束面进行数据矫正，避免相互穿插现象。最终插值数据和钻孔数据整合成建模数据。
(2)由建模数据生成点云数据，由点云数据生成NURBS曲面。
(3)由凸包算法找出凸包络线，由凸包络线拉伸成切割曲面对NURBS曲面进行切割，保留了勘探孔控制范围内的地层曲面，最终修剪成较为符合实际的地层曲面。
图13中虚框内生成地层的过程，采用Dynamo软件开发实现。
(4)通过地层曲面生成地层实体，将每层土的物理力学性质数据作为实例参数导入地层实体中，根据钻孔数据直接生成的钻孔实体和地层实体分别输入建筑BIM模型的Revit软件，生成Revit实例。
在一个实施例中，根据某110kV输变电工程的勘探资料，通过本发明建立三维地质模型，其过程如下：
1、处理勘探数据。
通过勘探数据提取钻孔数据，将土层层底深度转化为层底的高程后，进行处理且对所有数据保留两位小数，得到如下表1所示的部分勘探孔单孔分层数据。
表1部分勘探孔单孔分层
2、进行插值。
对钻孔数据进行克里金法插值处理，具体使用时，将表格导入Matlab，调用DACE-Kriging工具箱进行计算，并且将计算后的数据导出。插值计算是根据笛卡尔坐标系进行的，步骤如下：
(1)首先导入钻孔数据，将点云中的点的X，Y坐标赋值给S，将点的Z坐标(既各勘探点的孔口高程及层底高程)赋值给Y。
(2)设置变差函数及其参数，插值采用高斯模型。
(3)搜索所有导入点的X，Y坐标值，并创建2个最值点p0(xmin,ymin)、p1(xmax,ymax)，以这两点建立一个20*20的网格，并将网格赋值给X。格网范围从勘探孔坐标最小值到坐标最大值，网格交点所对应的点，就是克里金插值法所预测的点，共计400个。
(4)建立拟合模型。调用dacefit拟合函数，导入S，Y中数据和高斯模型及其参数，生成的模型赋值给dmodel。
(5)进行插值计算，本次要对所有孔口高程和层底高程进行插值，共进行13次，生成一组400行*13列的数据矩阵，赋值给Z。每次插值所得到的均方差赋值给MSE。
(6)插值数据作图，查看拟合效果。
(7)导出插值数据。
以表1中的第①2、②、③层为例，对该三层进行插值计算的，结果参照图14，图中黑色点代表原始数据点，即实际勘探孔对应的坐标。网格交点在Z轴方向的高度代表该点的预测值。同时，其均方差示意图如图15所示，网格交点为预测点，网格颜色由深到浅则表示均方误差的值由小到大，在原有勘察数据点附近的预测点，其预测值的均方误差均较小，MSE<0.5，而离勘察数据点较远的点则均方差较大。
3、整合数据。
把插值后得到的数据矩阵和原始点数据整合到一起，但是由于某些地层在钻孔处缺失，导致单孔数据中，相邻几层的高程是相同的。那么在插值过程中，相邻上下两层(n层和n+1层)的预测高程值，会出现n+1层的值比n层大的情况出现。考虑到根据本发明约束面的边界条件，若Zn<Z(n+1)，则令Z(n+1)＝Zn，此工作可直接通过excel中的公式进行实现，调整后的数据就是建模所需要的建模数据。
4、建立模型。
将整合后的建模数据导入Dynamo二次开发程序中，如图16所示生成地层曲面。生成的地形曲面比原勘探孔控制的范围要大许多，而且从图15中均方误差中可以看出，在勘探孔控制范围外的预测值的均方误差较大，所以这部分地形曲面需要剔除。
采用凸包算法，找到凸包络线，通过投影放样，将凸包络线沿Z轴方向拉伸，生成一个闭合曲面。用该闭合曲面对地形曲面进行切割，中间留下的部分则是较为符合真实地层的地层曲面。
利用地层曲面生成实体，再用每个实体生成Revit中的族，并对族进行赋值，将土层的物理力学性质录入地层族的项目参数中，即可生成如图17所示的三维地质模型。如图17所示，基于本发明建立的模型，模型精细，生成模型的形状更符合勘探点的平面布置。这是由于在对地形曲面进行建模时更改了程序代码，采用了NurbsSurface，而显得更为光滑。NURBS曲面完全由公式控制，曲面的曲率处处连续，这样生成的模型精度也就越高；而且由于用凸包线对原有模型进行切割，基于本发明方法建立的模型，只会建立勘探点控制范围内的模型。而范围外的地质模型因为构成其地层曲面的插值点的均方误差较大而被剔除，这样保证了模型对二维勘察数据的表达的准确性，使得模型精度更高。因此本法建立的三维地质模型更为符合勘察成果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种三维地质模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取多个勘探孔的勘探数据，从所述勘探数据中提取钻孔数据，根据所述钻孔数据进行数据插值得到插值数据，将所述插值数据和所述钻孔数据整合成建模数据；
通过所述建模数据生成点云数据，由所述点云数据生成地层曲面；
采用预设的凸包算法根据所述点云数据搜索凸包络线，根据所述凸包络线对所述地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面；
通过所述地层曲面生成地层实体，从所述勘探数据中提取土层数据，将所述土层数据作为所述地层实体的项目参数，通过所述地层实体生成三维地质模型；
所述根据所述钻孔数据进行数据插值得到插值数据，包括：
利用克里金插值模型对所述钻孔数据的每层地层的层面作为插值对象分别进行克里金插值，插值顺序从顶到底进行；
在进行插值过程中，选取第n面为约束面，判断n面上的点Mn的Zn值是否大于点Mn+1的Z(n+1)值，若Zn<Z(n+1)，则令Z(n+1)＝Zn，其中Mn为第n面上的任一点的三维坐标，Zn为点Mn中的Z向坐标；
在插值过程中所用的约束面即为前一次插值出来的地层面，在首次插值时不考虑约束面。
2.如权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述获取多个勘探孔的勘探数据，从所述勘探数据中提取钻孔数据后，包括：
将多个所述勘探孔对应的所述钻孔数据的地层按沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小；
判断所述钻孔数据中的任一单孔的地层是否存在地层缺失、倒转或重复，将不存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为典型分层单孔，将存在地层缺失、倒转或重复的单孔作为异型分层单孔；
对所述异型分层单孔在保留原分层的基础上，进行地层的补缺；
对每个单孔与其他单孔分别进行比较，若两个单孔中任一单孔缺少任一地层的地层编号，则新增厚度为0的虚拟地层，致使所有单孔具有统一的地层及地层编号。
3.如权利要求2所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述判断所述钻孔数据中的任一单孔的地层是否存在地层缺失、倒转或重复，包括：
若imax＝n，且ni+1＝ni+1，则认为单孔为典型分层单孔；
若imax＜n，且存在ni+1＜ni+1，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层缺失；
若存在|ni|＞|ni-1|∩|ni|＞|ni+1|或存在|ni|＜|ni-1|∩|ni|＜|ni+1|，则认为单孔异型分层单孔，且存在地层倒转；
若imax＞n，且存在ni＝nj，j＞i+1，则认为单孔异型分层单孔，且存在重复；
所述单孔的地层从上至下地层编号从1开始依次增加，直至勘探孔进入最深的地层编号n结束，ni为第i层的地层编号，其中i为层序；
所述对所述异型分层单孔在保留原分层的基础上，进行地层的补缺包括：
若所述异型分层单孔存在第i层地层缺失，则在第i层添加一个厚度为0的地层；
若所述异型分层单孔存在第i层的地层编号ni比上一层或下一层的地层编号都大或小的倒转，则将第i层的地层编号记为该层的负数，并在地层缺失处添加一个厚度为0的地层；
若所述异型分层单孔存在第i层的地层编号与第j层的地层编号相同，则将其中较小的地层编号记为正常层，另一层按照地层倒转情况处理。
4.如权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述获取多个勘探孔的勘探数据，从所述勘探数据中提取钻孔数据后，包括：
将多个所述勘探孔对应的所述钻孔数据的地层按沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小；
遍历所有的勘探孔，若任一勘探孔r揭露的地层分层数值列表R中存在重复值，则勘探孔r揭露的地层为重复型地层；若任一勘探孔r揭露的地层分层数值列表R中存在第i项同时小于第i-1项和第i+1项且列表中无重复值，则勘探孔r揭露的地层为倒转型地层；将重复型地层和倒转型地层对应的勘探孔认为是异常勘探孔，将异常勘探孔对应的地层分层认为是异常地层，异常地层的合集记为Y；
遍历所有勘探孔，根据揭露的地层对勘探孔进行分为p类，揭露的地层包含同一种层序的勘探点数量为z个，则集合为
其中最大的值为
令第q类的勘探孔所揭露的地层为第一版母版地层分层，记为S1；
再次遍历所有勘探孔，每个勘探孔揭露的地层分层数值列表记为Rr，将S1中的元素与Rr中的元素进行比较，若Rr中存在S1中不存在的元素，则将Rr中存在S1中不存在的元素按顺序加入S1中，当对所有勘探孔均对比完毕，第一版母版地层分层不断迭代生成第二版母版地层分层，记为S2；
遍历Y中异常勘探孔，将异常勘探孔的地层数值列表为R，异常地层在列表中的序号为i，将列表中的第i-1、i、i+1项切片，然后查找S2列表中是否有切片列表相同的数值排列，若有，则保持S2不变；若没有，则根据切片数值修改S2列表的数值排列，生成最终版母版地层层序，记为S；
根据S统一所有勘探孔的地层序列，在缺失层添加一个厚度为0的地层。
5.如权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，在进行克里金插值时，采用工具箱进行克里金插值，在调用工具箱内拟合函数和预测函数时，选用克里金插值模型中的高斯模型的参数。
6.如权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，在进行克里金插值前，对克里金插值模型预设权重边界条件t；
通过所述克里金插值模型得到的任一插值点P，将所述钻孔数据中的实际钻孔点对插值点P的权重系数记为λ，若所述实际钻孔点在当前地层的厚度为0，则将权重系数λ与所述权重边界条件t进行比较，若λ大于t，则令插值点P在当前地层的厚度为0。
7.如权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述通过所述建模数据生成点云数据，由所述点云数据生成地层曲面，包括：
采用预设的非均匀有理B样条模型将所述建模数据拟合生成地层曲面，在拟合时，采用反算法求出控制顶点来拟合曲线曲面，且限定过曲面上每个顶点的权重系数为1。
8.如权利要求7所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述采用预设的凸包算法根据所述点云数据搜索凸包络线，根据所述凸包络线对所述地层曲面进行切割，得到切割后的地层曲面，包括：
将所述点云数据中任一地层中的三维空间的点pi(x,y,z)的z为0，致使转为二维的点pi(x,y,0)，通过预设的凸包算法，找出当前地层的点云数据中最外层的凸包点，通过对最外层的凸包点进行连线生成多条线段进而生成凸包络线，通过投影放样，将所述凸包络线沿Z轴方向拉伸，生成一个闭合曲线，用所述闭合曲线对所述地层曲面进行切割的布尔运算，中间留下的部分则为符合真实地层的地层曲面。
9.如权利要求8所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述通过所述地层曲面生成地层实体，从所述勘探数据中提取土层数据，将所述土层数据作为所述地层实体的项目参数，通过所述地层实体生成三维地质模型，包括：
根据钻孔数据直接生成钻孔实体，将所述钻孔实体和所述地层实体输入Revit软件生成三维地质模型。
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