一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法与流程

1.本发明涉及一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法，该技术方法适用于工民建、地铁、市政、海洋等各类工程地质和岩土勘察领域。


背景技术：

2.三维地层建模是三维地质信息系统的核心技术，也是实现地下工程数字化的关键步骤。通过数字化的手段，可清晰直观地展示研究区地质构造形态、地质体内部属性变化规律，辅助用户科学决策和风险规避。
3.目前基于不同的地质建模数据源有不同的地质建模方法，主要包括以钻孔数据为主的建模方法、以地质剖面数据为主的建模方法、以多源数据控制为主的建模方法。从总体上看，各种建模方法大致流程基本都是按由点成线、由线成面、由面成体构建三维地层实体。但是常规地质建模在面成体的过程中经常用到两种技术：面剪切体技术、面剪切面再围合成体技术。这两种技术在处理薄地层剪切时经常出现剪切失败的问题，严重影响建模效率和质量。


技术实现要素：

4.为了克服现有三维地层建模技术的不足，提高三维地质建模的建模速度、自动化程度以及建模质量。本发明提供了一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法，它采用以下技术方案：
5.一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法，其特征在于：包括步骤：
6.s1：创建初始的虚拟地形面，收集整理地层建模范围内的真实地形数据，按照范围拟合生成地形面，作为初始的虚拟地形面；
7.s2：批量创建连续地层界面，提取建模范围内所有地层界面的空间数据及其对应上覆地层的地质属性，在初始的虚拟地形面水平范围内，逐个拟合生成虚拟扩展到全范围的连续地层界面；
8.s3：充填生成单层地层实体，查找待建模中最新层序地层，在虚拟地形面以下和最新层序地层对应的连续地层界面以上的封闭空间内，充填形成一个或多个几何实体，赋予最新层序地层的地质属性；
9.s4：投影生成更新的虚拟地形面，将虚拟地形面竖直向下投影到最新层序地层对应的连续地层界面上，使虚拟地形面不高于最新层序地层对应的连续地层界面；
10.循环步骤s3和s4，直至全部地层实体自动建模完成。
11.优选的，所述步骤s1中，所述建模范围是根据工程设计和勘查精度要求，确定要进行三维地层建模的区域，x方向建模范围为minx～maxx，y方向建模范围为miny～maxy。所述地形数据包括但是不限于参与构建初始的虚拟地形面的元素，主要有勘察前的测量数据和勘察后的勘探孔洞口、地质测绘点、实测断面节点、观测试验点坐标数据。将这些元素加入到虚拟地形面构建元素中目的是保证构建的地层实体能够与地形面完全贴合，符合地质规
律，构建的地层实体质量更高。按照地层建模范围插值拟合生成地形面，作为初始的虚拟地形面。这里插值拟合算法采用常用的克里金算法。
12.优选的，所述步骤s2，所述批量创建连续地层界面，指的是首先提取建模范围内所有地层界面的空间数据及其对应上覆地层的地质属性，其中地层界面的空间数据包括以表结构存储现场采集数据和以图形存储地质解译数据，现场采集数据主要包括孔洞揭露点、地质测绘点，地质解译数据包括地质解译点、平立剖面线。地层界面的空间数据在自动建模环境中同时被提取。上覆地层的地质属性数据包括地层编号、地层名称、成因时代，其中地层编号和地层名称可以唯一标识建模范围内的某一地层，成因时代可以作为新老地层判别的重要依据。然后根据提取的数据，在初始的虚拟地形面水平范围内，逐个拟合生成虚拟扩展到全范围的连续地层界面。这里插值拟合算法采用常用的克里金算法。
13.优选的，所述步骤s3，充填生成单层地层实体，指的是首先查询待建模中最新层序地层，所述最新层序地层，是按照地层从新到老和从上到下的规则对所有的地层进行排序，按照地层未建模且排序最前进行确定；其次充填虚拟地形面以下和最新层序地层对应的连续地层界面以上的封闭空间，形成一个或者多个几何实体。充填过程可能会遇见两种情况：
①
虚拟地形面与最新层序连续地层对应的地层界面在建模范围内没有相交，则充填的空间为虚拟地形面、最新层序地层对应的连续地层界面、建模范围的竖向边界面共同组成的封闭空间，形成一个几何实体；
②
虚拟地形面与最新层序连续地层对应的连续地层界面出现相交，则充填的空间为虚拟地形面、虚拟地形面下方的最新层序地层对应的连续地层界面、建模范围的竖向边界面共同组成的封闭空间，这种情况下可能会形成一个或者多个几何实体。最后给几何实体赋上最新层序的连续地层界面对应的地质属性，得到单层地层实体。
14.优选的，所述步骤s4，投影生成更新的虚拟地形面，指的是将虚拟地形面竖直向下投影到最新层序地层对应的连续地层界面上，根据虚拟地形面上所有网格节点的水平坐标，计算最新层序地层对应的连续地层界面上的投影高程，若网格节点的高程大于投影高程，则重置网格节点高程等于投影高程，得到更新的虚拟地形面。更新的虚拟地形面作为下一次充填生成单层地层实体的虚拟地形面。
15.循环s3和s4，直至全部单层地层实体自动建模完成。
16.本发明在由面成体过程中，绕开了剪切，且能基于不同的地质建模数据源完成自动建模，对原有地质建模方法补充完善，与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法，实现了快速、高效、高质量地构建任意复杂度的地层实体。本发明一方面解决地层实体创建时传统剪切建模算法不稳定的问题，提高建模质量和效率；另一方面解决复杂地层模型网格面的质量问题，便于后续的地层实体网格剖分。
附图说明
17.为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单说明。
18.图1为本发明的流程示意图；
19.图2为本发明的建模参数设置界面；
20.图3为本发明的初始的虚拟地形面模型；
21.图4为本发明的连续地层界面展开模型；
22.图5为本发明的剖面视图下几种典型搜索围合示意图；
23.图6为本发明的单层地层实体；
24.图7为本发明的单层地层实体局部放大图；
25.图8为本发明的获取更新后的虚拟地形面过程示意图；
26.图9为本发明的全部单层地层实体；
27.图10为本发明的全部单层地层实体展开图；
28.图11为本发明的勘探线剖切位置；
29.图12为本发明的勘探剖面图；
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出。
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本实施例以某科技产业园三维地质建模为例，采用bentley公司的产品microstation作为地形面以及地层界面创建、充填封闭块体创建地层实体的三维操作平台，所有的钻孔数据存储在sql server数据库中。
32.本实施例按照本发明的流程示意图，如图1所示，一种基于虚拟地形面的地层实体自动建模方法，包括：
33.s1：创建初始的虚拟地形面，收集整理地层建模范围内的真实地形数据，按照范围拟合生成地形面，作为初始的虚拟地形面。创建地形面之前首先需要设置勘察阶段、工程区，选择要参与建模的钻孔编号，然后设置建模范围，一般默认是工程区范围，并设定合理的网格间距。某科技产业园的建模区域大小为x方向390m，y方向370m，近乎正方形，网格间距设置成x方向和y方向均为10m，本实施例参数设置如图2所示。本实施例中收集到可用于插值生成地形面的元素为钻孔孔口高程点，然后采用成熟的kriging插值方法，按照建模范围进行tin三角网拟合生成地形面如图3所示。
34.s2：批量创建连续地层界面，提取建模范围内所有地层界面的空间数据及其对应上覆地层的地质属性，在初始的虚拟地形面水平范围内，逐个拟合生成虚拟扩展到全范围的连续地层界面。
35.本实施例中建模范围内所有地层界面的空间数据及其对应上覆地层的地质属性主要是从钻孔数据中提取，即首先从数据库中获取钻孔数据，钻孔数据包括标准地层中所有地层的总层序和经筛选的钻孔地层数据，总层序是钻孔中所有揭露地层的总的地层年代新老顺序，钻孔地层数据主要是每个钻孔的地层分界数据。从数据库中读取的标准地层有12层之多，筛选出钻孔数据有201个，每个钻孔揭露的地层有8层左右。
36.依据钻孔数据中读取的钻孔地层数据，定义数据结构进行存储。单个钻孔是由若干按顺序排列的钻孔段组成，其中钻孔段由钻孔段序号、起点坐标、终点坐标、地层编号、地层序号、地层颜色(r、g、b)描述，钻孔段的起点即为上一地层分界点，终点为当前层的地层分界点；而单个钻孔由钻孔编号、当前钻孔段地层序号、累计虚拟厚度、钻孔段集合描述。钻孔段集合由多个钻孔段构成，每个钻孔段包括钻孔段序号、起点和终点坐标、揭露的地层编号及其唯一的地层序号，还有用以区别不同地层岩性的颜色属性。设置地层界面的建模范
围大小为x方向390m，y方向370m，插值网格间距设置成x方向和y方向均为10m，利用地层数据，采用kriging插值方法，逐个拟合生成虚拟扩展到全范围的连续地层界面。建模区域的连续地层界面展开模型如图4所示。
37.s3：充填生成单层地层实体，查找待建模中最新层序地层，在虚拟地形面以下和最新层序地层对应的连续地层界面以上的封闭空间内，形成一个或多个几何实体，赋予最新层序地层的地质属性。在竖直方向上，充填由虚拟地形面和最新层序地层对应的连续地层界面组成的并在虚拟地形面高程以下的封闭空间，形成几何实体，并赋予最新层序地层的地质属性，得到单层地层实体。在剖面视图下，虚拟地形面与最新层序的连续地层界面的几种典型相交情况示意图如图5所示。充填虚拟地形面和最新层序地层对应的连续地层界面得到的单层地层实体如图6所示，为更清晰展示模型细节，图7展示了充填虚拟地形面和最新层序地层对应的连续地层界面得到的单层地层实体局部放大图。
38.s4：投影生成更新的虚拟地形面，将虚拟地形面竖直向下投影到最新层序地层对应的连续地层界面上，根据虚拟地形面上所有网格节点的水平坐标，计算最新层序地层对应的连续地层界面上的投影高程，若网格节点的高程大于投影高程，则重置网格节点高程等于投影高程，得到更新的虚拟地形面。更新的虚拟地形面作为下一次充填生成单层地层实体的虚拟地形面。图8比较清晰地展示获取虚拟地形面的过程。循环s3和s4，直至全部地层实体创建完成。最终完成建模范围内的地层实体如图9所示，图10展示了全部单层地层实体展开图，清晰直观展现了建模范围地层的三维分布情况。
39.若想了解任意剖面的地层分布情况，可以对上述生成的地层实体任意位置(图11)剖切生成二维地质剖面图，如图12所示，进而清晰地、直观地查看此剖面下的地层分布情况，帮助用户快速了解地下情况。
40.应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或者润饰，而这些改进和润饰都应属于本发明所附权利要求的保护范围。