CN113269879B

CN113269879B - 一种地质体三维模型自动构建方法及装置

Info

Publication number: CN113269879B
Application number: CN202110583138.9A
Authority: CN
Inventors: 陈小芳; 马国玺; 潘声勇; 黄飞; 戚洪飞
Original assignee: WUHAN ZONDY CYBER TECHNOLOGY CO LTD; GUANGDONG PROVINCE SEISMOLOGY BUREAU
Current assignee: WUHAN ZONDY CYBER TECHNOLOGY CO LTD; GUANGDONG PROVINCE SEISMOLOGY BUREAU
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-05-27
Also published as: CN113269879A

Abstract

本发明公开了一种地质体三维模型自动构建方法及装置。通过该方法及装置，获取成图区内所有孔的钻孔信息,通过钻孔点位及钻孔分层信息对钻孔进行分类，并采用薄板样条函数法插值方式构建厚度DEM，及地层底面DEM，从而得到了准确的地层分界，并基于地层厚度DEM，获得目标层顶、底面，目标层顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到目标层地质体。其它地层都通过上述方法构建地质体，从而完成全区域地质体三维模型构建。

Description

一种地质体三维模型自动构建方法及装置

技术领域

本发明属于场地工程地质分析评价领域，具体涉及一种地质体三维模型自动构建方法及装置。

背景技术

近年来，地下空间的开发形态已从过去简单的地下街、过街通道和地下停车场等单项功能而逐渐发展成为承载城市综合功能并已具有相当规模和特色的城市地下公共空间，并呈现出地下和地上空间立体化协同发展、规模化、综合化和深层化趋势。如何利用地下空间，搞清地下结构非常重要。

地质体三维模型构建是搞清地下结构的有效方法。现有的自动建模技术没有准确考虑缺失某地层的钻孔对该地层形态的影响，只是简单地把缺失该地层的厚度视为0，则建模结果会明显扩大该地层的分布范围；也没考虑地质图对该地层形态的约束，导致建模质量不高。

三维地质建模需要基于插值算法，定量分析地层形态，而地层缺失现象是一种定性的信息，无法直接参与建模。地层厚度DEM运用地层厚度及地形数据，构建地层厚度DEM，其中DEM中地层厚度为0的位置即为地层边界，其准确性是构建地质体三维模型的关键环节。准确的地层边界范围用于层状地质体三维模型构建时的建模范围约束，可以更好的表达地层尖灭现象。而地层厚度对地层尖灭位置的划分有直接影响。准确构建地层分界范围的前提条件是建模的地层是正确的地层顺序，即所有钻孔中不存在地层重复或地层顺序颠倒的情况，即只考虑地质年代划分地层的地层级别。

现有的自动建模技术在划分地层边界时，完全没有考虑地层厚度对尖灭位置的影响，也无法考虑地质图对尖灭位置的影响，致使模型精度降低。而地质图数据直接指示了出露地表地层的尖灭位置，地层尖灭位置即为地层分界线(即地层厚度为0的位置)。出露地表的分层界线是经过野外实际调查得出的较为客观的数据，准确性较高。现有的人机交互建模技术即使考虑缺失地层孔和地质图对该地层形态的影响，可以构建出精度较高的地质体模型，但建模是依赖人工操作，费时费力，效率远低于自动建模。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供地质体三维模型自动构建方法及装置，旨在提供一种精度更高的地质体三维模型自动构建方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种地质体三维模型自动构建方法，包括步骤：

获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息,所述钻孔信息包括点位信息、分层信息；其中，所述目标层为当前需构建地质体在建模区内的地层；

计算目标层厚度T_目+，并计算目标层平均厚度，记为“T₁”；

以所有有目标层孔的点位信息和其对应的目标层厚度值T_目+作为点位数据，将点位数据作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T_目+；

无目标层孔的点位从DEM_T_目+上取对应的厚度值的绝对值，记为T_目2；取T₁和T_目2的平均值，再乘以负系数n，得到最终的无目标层孔的目标层负值厚度，记为T_目-；所有无目标层孔都通过本步骤，计算出其对应的T_目-；

以T_目-、T_目+所对应的点位信息和厚度值作为点位数据，将点位数据和地质图边界线作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T₀，其中，所述地质图边界线赋值厚度为0；

以目标层所有上层底面埋深及其对应的点位信息作为点位数据，将所有上层点位数据作为离散数据，对该些离散数据插值构建上层底面高程DEM,即目标层顶面高程DEM，用其减去厚度DEM_T₀中厚度大于0的部分，得到目标层底面高程DEM；

将目标层顶、底面高程DEM分别转为目标层顶、底面；

目标层顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到目标层地质体三维模型；

其它地层都通过上述步骤构建地质体，从而完成全区域地质体三维模型构建。

作为本发明的进一步改进，获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息前，需获取成图区内的所有钻孔信息，将钻孔分为三类型，包括有目标层孔、无目标层孔、未知孔，从而获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息，且将未知孔剔除掉，不参与后续步骤中的计算。

作为本发明的进一步改进，所述插值所采用的方法为薄板样条函数法。

作为本发明的进一步改进，所述负系数n为-1。

第二方面，本发明提供了一种地质体三维模型自动构建装置，包括：

信息获取模块，用于获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息,所述钻孔信息包括点位信息、分层信息；其中，所述目标层为当前需构建地质体在建模区内的地层；

第一计算模块，用于计算目标层厚度T_目+，并计算目标层平均厚度，记为“T₁”；

第一厚度DEM构建模块，用于以所有有目标层孔的点位信息和其对应的目标层厚度值T_目+作为点位数据，将点位数据作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T_目+；

第二计算模块，用于对无目标层孔的点位从DEM_T_目+上取对应的厚度值的绝对值，记为T_目2；取T₁和T_目2的平均值，再乘以负系数n，得到最终的无目标层孔的目标层负值厚度，记为T_目-；所有无目标层孔都通过本步骤，计算出其对应的T_目-；

第二厚度DEM构建模块，用于以T_目-、T_目+所对应的点位信息和厚度值作为点位数据，将点位数据和地质图边界线作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T₀，其中，所述地质图边界线赋值厚度为0；

目标层底面高程DEM构建模块，用于以目标层所有上层底面埋深及其对应的点位信息作为点位数据，将所有上层点位数据作为离散数据，对该些离散数据插值构建上层底面高程DEM,即目标层顶面高程DEM，用其减去厚度DEM_T₀中厚度大于0的部分，得到目标层底面高程DEM；

转换模块，用于将目标层顶、底面高程DEM分别转为目标层顶、底面；

三维模型构建模块，用于对目标层顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到目标层地质体三维模型。

第三方面，本发明提供了一种终端装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述的地质体三维模型自动构建方法。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：在地质体三维模型自动构建方法中，通过钻孔点位及钻孔的分层信息，对钻孔进行分类，并结合厚度插值的方式得到地质体三维模型，本发明不但考虑了钻孔点是否有目标地层，也充分利用了地层厚度信息对地层尖灭距离的影响，实现了依据定性地层信息到依据定量地层信息生成地层厚度DEM的升级转化，同时加入地质图数据约束，达到了基于地层厚度的定量的精确合理生成地层厚度DEM的目标，从而构建的地质体三维模型更加精准；实现了快速自动构建地质体三维模型的目标，不再使用人机交互方法，提高了建模效率与质量，降低了建设成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例1中的地质体三维模型自动构建方法流程图；

图2是本实施例1中“二分之一尖灭”规则的厚度插值方法得到尖灭位置示意图；

图3是本实施例1中多钻孔时，“二分之一尖灭”规则的现有技术不考虑地层厚度的插值方法得到尖灭位置示意图；

图4是实施例1中多钻孔时，“二分之一尖灭”规则的实施例1所述的考虑地层厚度与现有技术不考虑地层厚度的插值方法得到尖灭位置的对比示意图；

图5是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动构建软土地质体三维模型流程图；

图6是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动生成的研究区软土厚度DEM图(不加地质图约束)；

图7是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动生成的研究区软土厚度DEM图(加了地质图约束)；

图8是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动生成的研究区软土厚度DEM图(孔位不变，无地质图约束，只修改钻孔中的地层厚度)；

图9是现有技术生成的研究区软土厚度DEM图(无法加入地质图约束)；

图10是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动生成的研究区软土厚度的坡度分析图；

图11是现有技术生成的研究区软土厚度的坡度分析图；

图12是现有技术生成的研究区软土地质体三维模型。

图13是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法自动生成的研究区软土地质体三维模型；

图14是实施例1所述的地质体三维模型自动构建方法程序界面。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

实施例1

本实施例中，按照地层新老顺序从1到n，共n个地层，其中1号地层最新，n号最老，目标地层用X表示，所述目标层为当前需构建地质体在建模区内的地层。本实施例提供了基于构建地层厚度DEM的某地层(目标地层X)的地质体三维模型自动构建方法。

参阅图1所示，本实施例所述地质体三维模型自动构建方法，包括以下步骤：

S10、获取成图区内所有孔的钻孔信息,钻孔信息包括点位信息、分层信息，其中，点位信息为钻孔的空间坐标，分层信息包括地层年代、岩性、埋深等。

具体的，根据钻孔的分层信息，把所有钻孔分为：有目标地层孔、无目标地层孔、未知孔三类；有目标地层孔表示此钻孔的分层信息表中出现了目标地层X；无目标地层孔表示钻孔分层表中没有出现目标地层X，且当前钻孔最深处的地层已经比目标地层X的地层年代更老，所以根据标准地层顺序(在没有特殊构造活动的情况下，新地层永远在老地层的上方)，确定此钻孔点位处没有目标地层X；未知孔表示此孔当前孔深内没有目标地层X，且当前钻孔最深处的地层比目标地层X的地层年代更新，所以无法确定此孔点位处是否有X地层，若继续钻探可能会遇到目标地层X，也可能不会，所以称为“未知孔”。后续步骤中，未知孔不参与任何计算。

S20、计算目标层厚度T_目+，并计算目标层平均厚度，记为“T₁”；

S30、以所有有目标层孔的点位信息和其对应的目标层厚度值T_目+作为点位数据，将所有有目标层孔的点位数据作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T目+。

具体的，根据预设的插值法构建厚度DEM，插值法可以是但不限制于薄板样条函数法(Wahba,1990)。该插值方法采用迭代有限差分插值技术，经过优化，具有局部插值方法的快速计算效率，又不会牺牲全局插值方法的表面连续性。

S40、无目标层孔的点位从DEM_T_目+上取对应的厚度值的绝对值，记为T_目2；取T₁和T_目2的平均值，再乘以负系数n，得到最终的无目标层孔的目标层负值厚度，记为T_目-；所有无目标层孔都通过本步骤，计算出其对应的T_目-。

其中，T₁和T_目2均为正数；乘以取负系数n。负系数n的值域是(-∞,0)。按照二分之一尖灭的思想原则，这里的n取负系数默认为“-1”，从而得到最终的无目标层孔的目标层负值厚度。

具体的，T_目2侧重于表达局部钻孔信息对无X层厚度取值的影响，T₁侧重于表达整个成图区内钻孔信息对无X层厚度取值的影响，两种方式各有利弊。本实施例中，给两种方法的负值厚度再取算术平均数，从而平衡局部信息和全局信息对负值厚度取值的影响。

S50、以T_目-、T_目+所对应的点位信息和厚度值作为点位数据，将点位数据和地质图边界线作为离散数据，对该些离散数据进行插值，构建厚度DEM，记为DEM_T₀，其中，所述地质图边界线赋值厚度为0，厚度DEM_T₀为0的位置即为地层边界，大于0的部分为有目标地层的区域。

S60、以目标层所有上层底面埋深及其对应的点位信息作为点位数据，将所有上层点位数据作为离散数据，对该些离散数据插值构建上层底面高程DEM,即目标层顶面高程DEM，用其减去所述厚度DEM_T₀中厚度大于0的部分，得到目标层底面高程DEM。

S70、将目标层顶、面高程DEM分别转为目标层顶、底面。

S80、目标层顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到目标层地质体三维模型。

S90、其它地层都通过上述步骤构建地质体，从而完成全区域地质体三维模型构建。

基于“二分之一尖灭”规则，通过将本实施例所述的考虑地层厚度的插值方法与现有技术不考虑厚度的插值方法划分的地层尖位置进行比对，可见：

当成图范围内只有两个钻孔，第一个钻孔目标层厚度为3，第二个钻孔目标层缺失时，现有方法划分的地层尖灭的位置取两个钻孔的中间，即最朴素的“二分之一尖灭”规则；参阅图2所示，而本实施例的“二分之一尖灭”规则的本实施例所述的考虑厚度插值方法计算尖灭位置时，首先要给第二个孔取一个“负值厚度”，即“-3米”，然后用厚度插值方式模拟出尖灭的位置，这时尖灭的位置也是两孔的中间。

但当有多个钻孔，各个钻孔的厚度不均匀，对比现有不考虑地层厚度的强制二分之一尖灭方式和本实施例方法以厚度插值方式计算尖灭位置的效果：参阅图3所示，左右两个孔的厚度差别很明显，但在现有不考虑厚度的“二分之一尖灭”规则下，左右两孔的尖灭距离是一样的，都是二分之一孔距。不符合最简单的“地层厚度越大，距离该孔的尖灭距离越远”的地质规律。这会导致地层起伏的变化幅度异常偏大(左侧地层的坡度很大，但右侧地层的坡度很小)，建模的合理性有明显的问题。参阅图4所示，本实施例所述的划分地层尖灭位置的方法，考虑了地层厚度，地层起伏的一致性、均匀性有了明显的改善，完全符合“地层厚度越大，距离该孔的尖灭距离越远”的地质规律，地层分界和地层厚度变化趋势都更加合理。

并且，无目标层孔“厚度”系数取“-1”时，建模区整体上是保证了地层覆盖范围占整个建模范围的一半，符合“二分之一尖灭”规则。

比对本实施例的基于地层厚度DEM的自动建模方法与普通的强制二分之一尖灭方式建模方法，二者的区别在于：强制二分之一尖灭是定性的划分，即只基于目标地层的有和无这个定性的信息划分地层分界，而本实施例的基于厚度的地层分界不仅考虑了地层的有无，也充分利用了地层厚度信息，使生成的地层厚度DEM更加准确，从而构建的地质体三维模型更加精准。实现了基于地层厚度的定量的精确合理生成地层厚度DEM和自动构建地质体模型的目标。

作为更具体的实施方式，以广州某地5km²为研究区，利用8个钻孔地层信息，自动生成软土地质体三维模型自动构建方法为实施例具体说明该方法，方法流程图参考图5。

1、获取八个钻孔的点位信息和分层信息。

2、根据钻孔分层信息，把所有钻孔分为：有软土孔、无软土孔、未知孔。具体分类方法：由地表往下查询，有软土孔表示此钻孔的地层信息中出现了软土；

无软土表示钻孔地层表中没有出现软土，且目前钻孔最深处的地层已经比软土的地层年代更老，所以正常情况下，新地层永远在老地层的上方，因此，确定此钻孔没有软土。

未知孔表示按目前孔深看，此孔没有软土，且当前钻孔最深处的地层比软土地层年代更新，若继续钻探可能会出现软土，也可能不会，所以无法确定该孔是否有软土，所以称为“未知孔”。在本实施例方法后续步骤中，未知孔不参与任何计算。

3、计算各孔软土厚度T_软土+，并计算有软土孔的软土平均厚度，记为“T₁”。

4、以有软土孔的点位信息和其对应的软土厚度值T_软土+作为点位数据，将所有点位数据作为离散数据，对该些离散数据采用迭代有限差分插值的离散化的薄板样条函数法插值生成厚度DEM，记为“DEM_T_软土+”。

5、无软土孔的点位从DEM_T_软土+上取其对应的厚度值的绝对值，记为T_软土2。

6、取厚度T₁和T_软土2平均厚度(T₁和T_软土2均为正数)，再乘以负系数n(n＝-1)，得到最终的无软土孔的软土负值厚度，记为T_软土-。所有无软土孔都通过本步骤，计算出其对应的T_软土-；

7、将T_软土-、T_软土+所对应的点位信息和厚度值作点位数据，将点位数据与地质图边界线(赋值厚度为0)作为离散数据，将该些离散数据一起进行插值生成厚度DEM，记为DEM_T₀。

8、以软土的所有上层底面埋深及其对应的点位信息作为点位数据，将所有上层点位数据作为离散数据，对该些离散数据插值构建上层底面高程DEM,即软土顶面高程DEM，用其减去厚度DEM_T₀中厚度大于0的部分，得到软土底面高程DEM。

9、将软土顶、底面高程DEM分别转为软土顶、底面。

10.软土顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到软土地质体三维模型。

将上述步骤编程集成，即构成自动构建地质体三维模型功能模块。建模时选取参与建模的钻孔，点击***中的“自动构建地层面”，进入“自动构建地层面”程序界面(如图14所示)，选择相关数据，调整各项参数，点击“创建”菜单，即可自动生成软土地质体三维模型。

图6、图7、图8示出了实施例1中本实施例方法自动生成的研究区软土厚度DEM图，其中图6不加地质图约束，图7加了地质图约束，图8孔位不变，无地质图约束，只修改钻孔中的地层厚度。图9示出了实施例1中现有技术的“强制二分之一尖灭”规则,无法加入地质图约束生成的研究区软土厚度DEM图。对比两种方法获得的结果，图6、图7、图8生成的软土DEM图中地层界线均符合“地层厚度越大，距离该孔的尖灭距离越远”的地质规律，图9生成的软土厚度DEM图中地层界线与地质图明显冲突，不符合地质规律。

图10示出了实施例1中本实施例方法生成的研究区软土厚度的坡度分析，平均坡度0.89度，坡度标准差0.38，图11示出了实施例1中现有技术生成的研究区软土厚度的坡度分析，平均坡度0.82度，坡度标准差0.517。对比两种方法，本实施例方法生成的软土厚度，充分考虑了地层厚度的影响，坡度差明显小于现有方法，地层起伏的一致性、均匀性明显改善，更符合地质规律。图12示出了实施例1中现有技术自动生成的研究区软土地质体三维模型，图13示出了实施例1中本发明方法自动生成的研究区软土地质体三维模型。从这两张模型中可看出，本实施例方法自动生成的软土地质体三维模型充分考虑了地层厚度的影响，生成的软土分区界线与地质图高度吻合，软土地质体三维模型更为精准。同时，本发明方法构建模型过程中生成的地层厚度DEM可以直接用于高精度的地层自动建模。

实施例2

本发明实施例提供一种地质体三维模型自动构建装置，包括：

信息获取模块，用于获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息,钻孔信息包括点位信息、分层信息；其中，目标层为当前需构建地质体在建模区内的地层；

三维模型构建模块，用于对目标层顶、底面与整个模型的边界侧面进行自动构体，得到目标层地质体三维模型，其他地层均通过三维模型构建模块进行地质体的构建，从而完成全区域地质体三维模型构建。

本实施例的具体实施过程请参见实施例1，在此不再一一赘述。

实施例3

本发明实施例提供一种终端装置，包括处理器与存储器，存储器用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序并在执行计算机程序时实现本发明实施例1提供的地质体三维模型自动构建方法。

应当理解的是，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种地质体三维模型自动构建方法，其特征在于，包括步骤：

将目标层顶、底面高程DEM分别转为目标层顶、底面；

2.根据权利要求1所述的地质体三维模型自动构建方法，其特征在于，获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息前，需获取成图区内的所有钻孔信息，将钻孔分为三类型，包括有目标层孔、无目标层孔、未知孔，从而获取成图区内有目标层孔及无目标层孔的钻孔信息，且将未知孔剔除掉，不参与后续步骤中的计算。

3.根据权利要求1所述的地质体三维模型自动构建方法，其特征在于，所述插值所采用的方法为薄板样条函数法。

4.根据权利要求1所述的地质体三维模型自动构建方法，其特征在于，所述负系数n为-1。

5.一种地质体三维模型自动构建装置，其特征在于，包括：

6.一种终端装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4中任意一项所述的地质体三维模型自动构建方法。