CN115035258A - 一种高效的基于cad钻孔柱状图的城市三维地质建模方法 - Google Patents

一种高效的基于cad钻孔柱状图的城市三维地质建模方法 Download PDF

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CN115035258A CN202210533329.9A CN202210533329A CN115035258A CN 115035258 A CN115035258 A CN 115035258A CN 202210533329 A CN202210533329 A CN 202210533329A CN 115035258 A CN115035258 A CN 115035258A
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Abstract

本发明公开了一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，包括以下步骤：一、获取钻孔柱状图外框；二、获取边框内所需对象；三、获取边框内所需对象的内容；四、导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取；五、钻孔数据预处理；六、地层标准化；七、结合剖面图；八、提取分层数据并生成层面模型；九、生成三维地质模型，所述获取钻孔柱状图外框：首先，通过实体对象分类Entitysort，获得对象objectId集合，整个过程改善了传统传统地质模型错误率高、效率低的缺点，使整个三维地质模型的创建更加智能化和自动化，减少了人工处理带来的错误，提高了建模过程的效率和准确性，便于研究人员采取相应的措施，做出科学合理的决策。

Description

一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法
技术领域
本发明涉及地址模型建立技术领域，尤其是涉及一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法。
背景技术
发明专利202010162320.2提供了冲积平原城市区域的三维地质模型构建方法：包括包括：针对不同的三维地质模型构建区域，利用获取的钻孔点数据构建初始的地层界面；利用几何自适应方法对构建的地层界面进行光滑处理，生成构建完成的地层界面；利用构建完成的地层界面构建三维地层实体；利用生成的三维地质实体和构建完成的地质界面整合生成三维地质模型。该发明能够建立三维地层界面，并且对于钻孔点数据稀疏的区域采用数据插值的方法增加点密度，并结合离散光滑插值修正插值过程种产生的几何畸形，生成平滑且符合实际的三维地质模型。发明专利2019101105546.6提供了一种基于BIM技术的精细化三维地质建模方法，包括以下步骤：收集建模对象的钻孔单孔分层数据，找出其中包含不良地质体数据后的钻孔单孔分层数据建立初始三维地质模型，利用剔除不良地质体三维地质模型嵌入所述三维地质模型中并完成模型整合，得到模型的精细化地质模型。该发明的优点是：可有效提高并建立包括不良地质体在内的建模对象的三维地质模型，有利于降低施工风险。
尽管以上发明在一定程度上提高了三维地质建模的效率，但若应用到从钻孔数据信息提取到最终模型生成，仍存在错误率高、效率低的弊端。
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高效的基于CAD钻孔数据的城市三维地质建模方法。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，能够快速、智能地识别和处理CAD格式钻孔数据，以提高效率，同时，将剖面知识集成到建模过程中，减少由于数据错误引起的尖灭和透镜体，提高三维地质模型的合理性。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，包括以下步骤：
一、获取钻孔柱状图外框；
二、获取边框内所需对象；
三、获取边框内所需对象的内容；
四、导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取；
五、钻孔数据预处理；
六、地层标准化；
七、结合剖面图；
八、提取分层数据并生成层面模型；
九、生成三维地质模型。
所述获取钻孔柱状图外框：首先，通过实体对象分类Entitysort，获得对象objectId集合，即长为1014mm，面积为62370mm2的多段线边框，然后，定义边框ID，边框点集合，边框内的对象ID，文字集合，线集合，纵向线集合，横线线集合和图案填充集合。
所述获取边框内所需对象：通过GetEveryArea获取边框内所需对象集合，包括外框集合，对象object集合及对象明细集合（单行文字、多行文字；直线；图案填充）。
所述获取边框内所需对象的内容：本次获取的内容主要为三维地质建模服务，主要包括钻孔编号，坐标X，坐标Y，孔口高程，层底深度，分层编号，岩性，通过GetDataFormObject获取对象的内容，其中钻孔编号、孔口高程、坐标X，坐标Y，根据相对文字的位置信息获取；层底深度、分层编号、岩性根据文字内容获得该列范围，然后根据单行文字Y小于文字内容的最小Y坐标、判断X在边框范围内，获得其具体值，判断点在边框范围内的算法采用的是射线法，即射线穿过多边形边界的次数为奇数时点在多边形内。
所述导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取：通过引用Microsoft Excel类型库的方式来实现C#程序对Excel表格的读写操作。
所述钻孔数据预处理：由于钻孔数据来自不同的工程勘察单位，钻孔柱状图的坐标***、高程***并不一致，有些工程勘察只是为了满足某一工程的需要，采用假定的坐标***和高程***。因此在三维地质建模前需要将所有钻孔数据的坐标***归算到开封城市独立坐标系，本次采用ARCGIS软件进行坐标系和投影变换，对于假定坐标***采用重新测量的方法。
所述地层标准化：由于不同工程勘察单位及不同精度的工程勘察，各区域地层划分标准并不一致，不同区域数据只能形成独立的局部地质模型，而在城市区域上，数据难以统一，因此，在城市三维地质建模前需要对预处理后的钻孔数据进行地层标准化。目前的研究对岩性复杂、地层交叉重复等需要归并和概化的情况仍然存在缺陷，本次地层标准化在收集整理工程地质钻孔数据的基础上，根据物理力学性质，做了进一步的归并，划分工程地质层。
所述结合剖面图：地层在钻孔间的地层状态变化复杂，依靠单一钻孔数据应用一定的插值算法很难构建出满足工程需求的三维地质模型，本次利用辅助剖面将地质知识整合到三维地质建模中，使模型更加真实，根据已有的研究成果建模过程中地质剖面主要加入三个细节中: ①依据勘探剖面图以及专家知识经验进行确定每个地层尖灭点在两个钻孔轨迹之间的相对位置，生成符合地质事实的尖灭线；②对于透镜体分两种情况，一种是透镜体与上下层面连接或穿层的情况，在连接剖面地层线时，要将剖面线中透镜体的上下边界线长度延伸为整个地层线的统一长度，类似地，地层的尖灭也可以按这种方法进行处理，另一种情况是透镜体在上下两层中间，根据勘探剖面图确定透镜体上下面，通过插值的方式构建体模型；③地层面建模完成后，对比剖面图地层线数据，调整地层分界线，将新增点加入地层插值计算中，以更好地调整地质模型的空间形态。
所述提取分层数据并生成层面模型：通过增加0厚度层的方法来统一地层层序，让所有钻孔具有完全相同分层序列。经过标准化处理后的钻孔数据在Excel中通过简单的排序获得每一层的数据集，对每一层数据集进行空间插值，生成层面模型。
所述生成三维地质模型：在层面模型的基础上，生成三维地质模型。对于局部透镜体，本次工作选择手动创建，即根据标准化地层剖面，由地质专业人员对照已搭建的主要地层，结合钻孔中透镜体的分层信息（层顶与层底数据等），创建单独透镜体模型，最终将透镜体合并到相应主层内，形成完整的三维地质结构模型。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，整个过程改善了传统传统地质模型错误率高、效率低的缺点，使整个三维地质模型的创建更加智能化和自动化，减少了人工处理带来的错误，提高了建模过程的效率和准确性，便于研究人员采取相应的措施，做出科学合理的决策。
附图说明
图1为本发明的基于钻孔数据的城市三维地质建模流程；
图2为本发明的研究区域示意图；
图3为本发明的钻孔数据图；
图4为本发明的钻孔信息图；
图5为本发明的每层的层面图；
图6为本发明的3D显示区可以查看模型图；
图7为本发明的对模型任意位置进行切割图；
图8为本发明的创建单独透镜体模型图；
图9为本发明的一处钻孔验证实例图。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
结合附图1~3所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，包括以下步骤：
一、获取钻孔柱状图外框；
二、获取边框内所需对象；
三、获取边框内所需对象的内容；
四、导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取；
五、钻孔数据预处理；
六、地层标准化；
七、结合剖面图；
八、提取分层数据并生成层面模型；
九、生成三维地质模型。
所述获取钻孔柱状图外框：首先，通过实体对象分类Entitysort，获得对象objectId集合，即长为1014mm，面积为62370mm2的多段线边框，然后，定义边框ID，边框点集合，边框内的对象ID，文字集合，线集合，纵向线集合，横线线集合和图案填充集合。
所述获取边框内所需对象：通过GetEveryArea获取边框内所需对象集合，包括外框集合，对象object集合及对象明细集合（单行文字、多行文字；直线；图案填充）。
所述获取边框内所需对象的内容：本次获取的内容主要为三维地质建模服务，主要包括钻孔编号，坐标X，坐标Y，孔口高程，层底深度，分层编号，岩性，通过GetDataFormObject获取对象的内容，其中钻孔编号、孔口高程、坐标X，坐标Y，根据相对文字的位置信息获取；层底深度、分层编号、岩性根据文字内容获得该列范围，然后根据单行文字Y小于文字内容的最小Y坐标、判断X在边框范围内，获得其具体值，判断点在边框范围内的算法采用的是射线法，即射线穿过多边形边界的次数为奇数时点在多边形内。
所述导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取：通过引用Microsoft Excel类型库的方式来实现C#程序对Excel表格的读写操作。
所述钻孔数据预处理：由于钻孔数据来自不同的工程勘察单位，钻孔柱状图的坐标***、高程***并不一致，有些工程勘察只是为了满足某一工程的需要，采用假定的坐标***和高程***。因此在三维地质建模前需要将所有钻孔数据的坐标***归算到开封城市独立坐标系，本次采用ARCGIS软件进行坐标系和投影变换，对于假定坐标***采用重新测量的方法。
所述地层标准化：由于不同工程勘察单位及不同精度的工程勘察，各区域地层划分标准并不一致，不同区域数据只能形成独立的局部地质模型，而在城市区域上，数据难以统一，因此，在城市三维地质建模前需要对预处理后的钻孔数据进行地层标准化。目前的研究对岩性复杂、地层交叉重复等需要归并和概化的情况仍然存在缺陷，本次地层标准化在收集整理工程地质钻孔数据的基础上，根据物理力学性质，做了进一步的归并，划分工程地质层。
所述结合剖面图：地层在钻孔间的地层状态变化复杂，依靠单一钻孔数据应用一定的插值算法很难构建出满足工程需求的三维地质模型，本次利用辅助剖面将地质知识整合到三维地质建模中，使模型更加真实，根据已有的研究成果建模过程中地质剖面主要加入三个细节中: ①依据勘探剖面图以及专家知识经验进行确定每个地层尖灭点在两个钻孔轨迹之间的相对位置，生成符合地质事实的尖灭线；②对于透镜体分两种情况，一种是透镜体与上下层面连接或穿层的情况，在连接剖面地层线时，要将剖面线中透镜体的上下边界线长度延伸为整个地层线的统一长度，类似地，地层的尖灭也可以按这种方法进行处理，另一种情况是透镜体在上下两层中间，根据勘探剖面图确定透镜体上下面，通过插值的方式构建体模型；③地层面建模完成后，对比剖面图地层线数据，调整地层分界线，将新增点加入地层插值计算中，以更好地调整地质模型的空间形态。
所述提取分层数据并生成层面模型：通过增加0厚度层的方法来统一地层层序，让所有钻孔具有完全相同分层序列。经过标准化处理后的钻孔数据在Excel中通过简单的排序获得每一层的数据集，对每一层数据集进行空间插值，生成层面模型。
所述生成三维地质模型：在层面模型的基础上，生成三维地质模型。对于局部透镜体，本次工作选择手动创建，即根据标准化地层剖面，由地质专业人员对照已搭建的主要地层，结合钻孔中透镜体的分层信息（层顶与层底数据等），创建单独透镜体模型，最终将透镜体合并到相应主层内，形成完整的三维地质结构模型。
实施例1，所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，在使用的时候，以开封西区钻孔数据为依据，实施了该建模方法。最终在三维地质可视化软件平台Skua-GOCAD中建立了城市三维地质模型，并在项目的实践中取得了良好的效果，具体操作如下：4.1 SKUA-GOCAD
Paradigm 公司SKUA-GOCAD是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，实现了高水平的半智能化建模，被广泛应用于工程地质、矿业开发、石油工程、水利工程。
研究区域如图2所示，研究区位于开封市西区，属于高新技术产业园区。重点研究区西起十二大街，东至开封西湖西岸，北起复兴大道，南至晋安路。过去这里都是耕地，研究区自1998批准为开发区后进行了大量的工程建设活动。本文利用该区已建成或正在建设的工程勘察资料对该区进行试验研究。收集的资料中，有大量不同勘察单位做的CAD格式钻孔数据。因此，对这些数据的快速提取、标准化和多源数据集成是当前数据处理的难点，这也是本文提出基于CAD格式钻孔数据的三维城市地质快速建模的初衷。
具体实施过程
CAD 格式钻孔柱状图信息提取流程（一、获取钻孔柱状图外框；二、获取边框内所需对象；三、获取边框内所需对象的内容；四、导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取。）
项目中有大量的CAD格式钻孔柱状图，有包含一个钻孔数据的（图3），也有包含多个钻孔数据的。对于这些不同模板的钻孔柱状图通过基于.NET API（C#）钻孔信息提取插件，实现快速提取信息。具体过程为：首先打开需要提取的CAD格式钻孔数据，在命令行输入netload加载插件，然后输入ZKE命令，弹出保存Excel对话框，保存即可提取钻孔信息如图4所示。
建模流程（五、钻孔数据预处理；六、地层标准化；七、结合剖面图；八、提取分层数据并生成层面模型；九、生成三维地质模型。）
从数据库中加载钻孔数据后，可以获得同一地层中不同钻孔不同位置的点集数据，对同一地层中的点集数据使用克里金插值技术进行空间插值，生成每层的层面（图5）。
利用SKUA-GOCAD工作流建模流程进行半智能化建模。具体流程如下，首先定义地层层序，并确定地层层序间接触关系；然后定义工区范围，建立层面模型；最后检查各层面之间的交叉关系，并利用地层层序创建中间层。在3D显示区可以查看模型（图6），为更好显示模型，对Z值放大10倍。
模型建立后，为清晰展示模型的内部，可通过两种方式对模型进行切割。一是Section法，可以平行于坐标轴对模型任意位置进行切割（图7），二是Slice法，可以沿任意方位进行切割，切割效果如图8。
地层的尖灭、透镜体与上下层面连接的情况，在连接剖面地层线时，通过增加0厚度层的方法将剖面线中的上下边界线长度延伸为整个地层线的统一长度，与层面一起建立地质模型，对于透镜体在上下两层中间或穿层的情况，本次工作选择手动创建，根据勘探剖面图中透镜体的分层信息（层顶与层底数据等），利用软件平台提供的人机交互工具，创建单独透镜体模型（图8）。最终将透镜体合并到相应主层内，形成完整的三维地质结构模型。
模型验证是将在建模过程张预留的15个钻孔与模型相同位置数据进行对比。图9列举了一处钻孔验证实例。模型验证表明所建三维结构模型符合地质规律，与实际地质情况基本吻合，能够直观展示开封西区地下45m深度范围内的地层分布与结构特征。但局部地层的高程仍与实际存有差异，主要原因可能为钻孔分布并不均匀，在采用离散光滑插值时，造成地层的差异。
本文提出了一种基于CAD格式钻孔数据城市三维地质建模方法，通过钻孔数据的智能提取，地层的标准化处理，结合剖面知识驱动，可应用于城市的快速三维地质建模。
本发明未详述部分为现有技术，尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，具体实现该技术方案方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、获取钻孔柱状图外框；
二、获取边框内所需对象；
三、获取边框内所需对象的内容；
四、导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取；
五、钻孔数据预处理；
六、地层标准化；
七、结合剖面图；
八、提取分层数据并生成层面模型；
九、生成三维地质模型。
2.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述获取钻孔柱状图外框：首先，通过实体对象分类Entitysort，获得对象objectId集合，即长为1014mm，面积为62370mm2的多段线边框，然后，定义边框ID，边框点集合，边框内的对象ID，文字集合，线集合，纵向线集合，横线线集合和图案填充集合。
3.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述获取边框内所需对象：通过GetEveryArea获取边框内所需对象集合，包括外框集合，对象object集合及对象明细集合（单行文字、多行文字；直线；图案填充）。
4.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述获取边框内所需对象的内容：本次获取的内容主要为三维地质建模服务，主要包括钻孔编号，坐标X，坐标Y，孔口高程，层底深度，分层编号，岩性，通过GetDataFormObject获取对象的内容，其中钻孔编号、孔口高程、坐标X，坐标Y，根据相对文字的位置信息获取；层底深度、分层编号、岩性根据文字内容获得该列范围，然后根据单行文字Y小于文字内容的最小Y坐标、判断X在边框范围内，获得其具体值，判断点在边框范围内的算法采用的是射线法，即射线穿过多边形边界的次数为奇数时点在多边形内。
5.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述导出Excel，完成钻孔柱状图信息提取：通过引用Microsoft Excel类型库的方式来实现C#程序对Excel表格的读写操作。
6.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述钻孔数据预处理：由于钻孔数据来自不同的工程勘察单位，钻孔柱状图的坐标***、高程***并不一致，有些工程勘察只是为了满足某一工程的需要，采用假定的坐标***和高程***；此在三维地质建模前需要将所有钻孔数据的坐标***归算到开封城市独立坐标系，本次采用ARCGIS软件进行坐标系和投影变换，对于假定坐标***采用重新测量的方法。
7.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述地层标准化：由于不同工程勘察单位及不同精度的工程勘察，各区域地层划分标准并不一致，不同区域数据只能形成独立的局部地质模型，而在城市区域上，数据难以统一，因此，在城市三维地质建模前需要对预处理后的钻孔数据进行地层标准化，研究对岩性复杂、地层交叉重复等需要归并和概化的情况仍然存在缺陷，本次地层标准化在收集整理工程地质钻孔数据的基础上，根据物理力学性质，做了进一步的归并，划分工程地质层。
8.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述结合剖面图：地层在钻孔间的地层状态变化复杂，依靠单一钻孔数据应用一定的插值算法很难构建出满足工程需求的三维地质模型，本次利用辅助剖面将地质知识整合到三维地质建模中，使模型更加真实，根据已有的研究成果建模过程中地质剖面主要加入三个细节中: ①依据勘探剖面图以及专家知识经验进行确定每个地层尖灭点在两个钻孔轨迹之间的相对位置，生成符合地质事实的尖灭线；②对于透镜体分两种情况，一种是透镜体与上下层面连接或穿层的情况，在连接剖面地层线时，要将剖面线中透镜体的上下边界线长度延伸为整个地层线的统一长度，类似地，地层的尖灭也可以按这种方法进行处理，另一种情况是透镜体在上下两层中间，根据勘探剖面图确定透镜体上下面，通过插值的方式构建体模型；③地层面建模完成后，对比剖面图地层线数据，调整地层分界线，将新增点加入地层插值计算中，以更好地调整地质模型的空间形态。
9.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述提取分层数据并生成层面模型：通过增加0厚度层的方法来统一地层层序，让所有钻孔具有完全相同分层序列；过标准化处理后的钻孔数据在Excel中通过简单的排序获得每一层的数据集，对每一层数据集进行空间插值，生成层面模型。
10.根据权利要求1所述的一种高效的基于CAD钻孔柱状图的城市三维地质建模方法，其特征是：所述生成三维地质模型：在层面模型的基础上，生成三维地质模型；于局部透镜体，本次工作选择手动创建，即根据标准化地层剖面，由地质专业人员对照已搭建的主要地层，结合钻孔中透镜体的分层信息（层顶与层底数据等），创建单独透镜体模型，最终将透镜体合并到相应主层内，形成完整的三维地质结构模型。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115661393A (zh) * 2022-12-06 2023-01-31 武汉市测绘研究院 一种大尺度超薄地层的城市地质三维建模方法

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CN115661393A (zh) * 2022-12-06 2023-01-31 武汉市测绘研究院 一种大尺度超薄地层的城市地质三维建模方法

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