地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法与流程

本发明涉及地质建模技术领域，尤其是一种地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法。

背景技术：

地质分区图是一种常用的表示区域岩石地层分布及构造特征的重要图件，也是一个区域最容易获取且包含地质信息和专家经验的基础数据。它包含地层的层序与厚度、地质构造的走向与倾向等地质要素的空间几何信息，而且能综合反映地层面及构造的接触关系和空间展布规律。

多源数据包括：钻孔数据、剖面数据、地质图、地形图、地貌图等数据。其中，钻孔是具有狭小地表面积和一定深度的柱状三维体，工程钻探法是获取地下岩土层分布状况、构造、含水量等三维空间信息的重要方法。钻孔信息直观、准确、详细的特性也使其在三维地层模拟中具有至关重要的意义；剖面图包括钻孔信息和专家经验知识，是整个建模数据源中比较复杂的一类，引入交叉剖面数据能够确定建模区域内的地层骨架；地质图能够反映地下地层以及各种地质构造之间的分布和交错情况。

层状地质体建模技术目前普遍应用于各专业的三维地质建模中，工程地质、水文地质、第四纪地质、煤/岩层三维结构的模拟，都可划归为层状地质体结构建模。

目前的层状地质体建模方法主要包括基于控制性钻孔全自动建模和基于交叉剖面的半自动交互式建模。大多采用以控制性钻孔为主的多源数据自动建模和基于交叉剖面的半自动交互式建模方法，其中全自动建模的优点是速度快，但是算法时空复杂度大，有严重的数据冗余，求交次数可指数级化简，数据量的支持有限，钻孔数据量较大；且不可支持用户指定分区，自动模拟结果有时会与实际相差较远。基于交叉剖面的半自动交互式建模，优点是可以解决复杂的地层结构例如断层等问题。缺点是建模过程较繁琐，耗时长，投入大，效率低，不易于模型的修改，要求建模人员不但具有基础地学知识和gis拓扑方面的知识，还要求建模人员有较好的三维空间想象能力，且需要大量的专业人员的交互。

目前的层状地质体建模工具和结果已经不能满足部分用户的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法，不会出现数据冗余现象，提高建模效率和建模成果准确度。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法，其不同之处在于：所述方法采用自顶向下的方式进行建模，其包括如下步骤：

a）对多源地质数据进行一致性处理，然后采用空间插值算法对地层参数进行内插和外推形成虚拟钻孔，并获取虚拟钻孔的高程信息；

b）根据地表地质分区图、步骤a）所得的一致性处理后的数据及虚拟钻孔的高程信息，构建第一层地层的顶板面及第一层地层底板面，并记录第一层地层的顶板面及第一层地层底板面的属性，再根据标准地层表的标准层序剥离第一层地层，出露地表面为第一层地层的顶板面；

c）根据标准地层表的标准层序得到下一个需剥离的地层l，地层l的上覆地层剥离后，形成新的地表出露区，根据l地层的地质分区图、步骤a）所得的一致性处理后的数据及虚拟钻孔的高程信息，构建地层l的新的地表出露区及地层l底板面，并记录地层l的顶板面及底板面的属性，新的地表出露区和上覆地层的底板面共同组成地层l的顶板面；

d）将地层l与上覆地层求交，更新上覆地层的地质体的子面集合；

e）记录所有地层的子面信息，将以层面拓扑关系组织的地质界面根据其相交而形成的拓扑关系转变为封闭的、以块体拓扑形式组织的集合，从而生成封闭的、法向一致的地质块体模型；

f）判断是否构建完所有地质块体，若构建完，则地质块体组合成三维结构模型，若未构建完，则重复步骤c）至步骤f），直至将地质块体组合成三维结构模型。

按以上技术方案，所述多源地质数据包括钻孔数据、剖面图、地质图、地形图、及地貌图。

按以上技术方案，在所述步骤c）中，若地层l达到了建模边界，则需构建地层l的侧面模型，地层l的侧面模型构建方法为：将地层l的顶板面及底板面上下近似垂直连接。

按以上技术方案，在所述步骤c）中，若所述地层l为大层，则根据地质分区图将地层l划分为若干个亚层地层x。

按以上技术方案，所述具有亚层地层x的地层l的构建方法具体包括：

s1）获取地层l的出露地表的数字高程信息，地层l的顶板面即为出露地表的数字高程模型；

s2）进行地质分区，构建亚层地质体；

s3）构建亚层地层x的顶板面模型；

s4）构建亚层地层x的底板面模型。

按以上技术方案，所述亚层地层x顶板面模型的具体构建方法为：地层x的上覆地层剥离后，形成新的地表出露区，根据x地层的地质分区图、步骤a）所得的一致性处理后的数据及虚拟钻孔的高程信息，构建地层x的新的地表出露区，新的地表出露区和上覆地层的底板面共同组成地层x的顶板面。

按以上技术方案，所述亚层地层x底板面模型的具体构建方法为：根据亚层地层x的地层分区和钻孔数据构建地层x底板面。

按以上技术方案，构建出露地表面及新的地表出露区的具体方法为：根据地貌数据将出露地表面及新的地表出露区划为河流地层子面及其他出露地层子面分别进行建模，并记录各地层子面的属性；其中，构建河流地层子面时，根据河流的分布图及地形数据，构建河流地层子面的顶界面；构建其他出露地层子面时，在每个地貌单元内，获取地形数据和钻孔出露地层顶界点数据，构建其他出露地层子面的顶界面。

对比现有技术，本发明的有益特点为：该地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法，直接约束地表分区数据，最终模型与地表完全吻合，可信度高很；逐层构建模型，不会出现数据冗余现象，提高了建模效率；可将每一层的等值线约束数据、等厚图数据约束进来，生成高精度模型；约束用户提供的地层分区图，更符合实际，提高了建模成果准确度。

附图说明

图1为本发明实施例中地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模流程示意图；

图2为本发明实施例中亚层地层面建模的基本流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明针对特殊地区地貌单元小而且复杂多变，陆相沉积、海相沉积交错发育以及地层分布不均匀且变化较大等因素，本发明提供了地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法，即基于多方法集成和数据耦合，构建反映基础地质、第四纪沉积结构、基岩构造、工程地质结构的专业三维地质模型。本发明采用“自顶向下”的思想，逐层建立每一个地层的顶板面。将最顶层面看作是一个完整的地质面，用这个完整的地质面为基础，根据每一个层面的地质分区图，向下逐层建立地质面。按由粗到精的建模思想进行建模，分别按系、统、组、段和岩性进行划分，依次建立一级、二级、三级和四级地质模型。先建立地层三维模型，孤石、脉岩、断层模型单独构建，再与地层进行相交处理，嵌入到整体模型中。

请参考图1和图2，本发明实施例地质分区图约束下的多源地质数据耦合建模方法，其不同之处在于：所述方法采用自顶向下的方式进行建模，其包括如下步骤：

步骤a）采用相应插件提取研究区域内的钻孔数据、地质图、地形图、及地貌图等多源数据，并对这些数据进行一致性处理，然后采用空间插值算法对地层参数进行内插和外推形成虚拟钻孔，并获取虚拟钻孔的高程信息。

步骤b）根据地表地质分区图、钻孔数据、剖面图及地形等高线作为数据源构建第一层地层，构建第一层地层的顶板面及第一层地层底板面，并记录第一层地层的顶板面及第一层地层底板面的属性，再根据标准地层表的标准层序剥离第一层地层，河流地层为第一个需要剥离的地层。第一层地层的顶板面的具体构建方法：将出露地表面作为第一层地层的顶板面，将第一层地层的顶板面划分为河流地层子面和其他出露地层子面，并记录各子面所属地质体属性；构建河流地层子面时，将其作为标准地层的最上面一层，根据河流的分布图和地形数据，构建河流的顶界面；构建其他地层子面时，根据地貌分区，在每个地貌单元内，找出其中的地形数据和钻孔出露地层顶界点数据，构建出露地层子面。

步骤c）根据标准地层表的标准层序和当前建模的级别，得到下一个需剥离的地层l，地层l的上覆地层剥离后，形成新的地表出露区，构建地层l的新的地表出露区，并根据地层l的地质分区图、钻孔数据和剖面图自动构建l层的底板面，同时记录地层l的顶板面及底板面的属性。其中，新的地表出露区和上覆地层的底板面共同组成地层l的顶板面。新的地表出露区的构建方法为：将新的地表出露区划分为河流地层子面和其他出露地层子面；构建河流地层子面时，根据河流的分布图和地形数据，构建河流的顶界面；构建其他地层子面时，根据地貌分区，在每个地貌单元内，找出其中的地形数据和钻孔出露地层顶界点数据，构建出露地层子面。

步骤d）将地层l与上覆地层求交，更新上覆地层的地质体的子面集合，建模过程中为保证模型拓扑关系的一致性以及为后期地质块体构建服务，必须处理曲面相交问题，曲面相交问题包括地质界面间的相交、地质界面与地表面的相交、研究区域边界面与底板面的相交。

步骤e）记录所有地层的子面信息，将以层面拓扑关系组织的地质界面根据其相交而形成的拓扑关系转变为封闭的、以块体拓扑形式组织的集合，根据其表面拓扑关系生成封闭实体拓扑关系，从而生成封闭的、法向一致的地质块体模型。

步骤f）判断是否构建完所有地质块体，若构建完，则地质块体组合成三维结构模型，若未构建完，则重复步骤c）至步骤f），直至将地质块体组合成三维结构模型。

在上述步骤中，如所述地层l到达了建模边界，需要构建侧面模型，构建方法是将顶板面和底板面上下近似垂直连接。

具体地，步骤a）中的空间插值算法为反距离加权插值法、克里金插值法、最小曲率、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归法、径向基函数法、线性插值三角网法、移动平均法、或局部多项式法。

优选地，在所述步骤c）中，若所述地层l为组织结构多的大层，则在其地质体内构建亚层地层面，以避免对其他地质体的干扰。

本发明实施例的构建亚层地层x的一个具体实施方式中，现有地层第一层地层、第二层地层、第三层地层……，分别为l1、l2、l3……。地层l1被划分为l1-1、l1-2、l1-3……，地层l1的构建方法为：

s1）找出出露地表的数字高程信息，地层l1的顶板面即为地表的数字高程模型。

s2）进行地表的地质分区，由用户提供当前级别的l1-1、l1-2、l1-3……的地质分区图。

s3）逐层构建各亚层顶板面，建立过程中保证拓扑一致。地层l1-1顶板面的构建方法跟步骤b）中第一层地层顶板面的构建方法相同，地层l1-2、l1-3……顶板面的构建方法跟步骤c）中地层l顶板面的构建方法相同。

s4）利用各亚层地层面的地层分区和钻孔底板点，构建各亚层地层面底板地质面模型。例如，地层l1-1是河流地层，将河流作为一类特殊的地层，则根据河流的顶面和河床深度自动模拟出其底面模型。

设地层l的下一层为地层m，本发明实施例中剥离地层l时，需要进行处理的有：

1）分割地层l的底板面，分割之后对地层l的地质体进行更新。根据地层l和地层m的切割关系，将地层l的底板面分为两种：一、既是地层l的底板面，同时又是地层m的顶板面；二，既是地层l的底板面，同时又是除地层m之外其他地层的顶板面。

2）确定新的地表出露子面。剥离地层l后，下一个地层m的出露地表的地貌分区单元会发生变化，地层m出露的范围会扩大，扩大部分用新的子分区表示，然后确定新的地表数字高程曲面模型，数字高程曲面模型由一系列的子面拼接而成，每个子面带有上下地层属性信息。

本发明开发了一系列的分区图构建、数据源检查、地质面构建、地质体构建、模型效果调整的工具，按照自上而下、由粗到精，先建大层，再建小层的思想进行模型构建，大大提高建模效率和建模成果准确度。该建模方法集钻孔、地质图、地形图、地貌图等多源数据于一体，充分利用一切已知的数据源，结合地质学的规律和数学算法，模拟未知区域的地质数据，从而建立整个区域的地质模型。该建模方法，还可以发现未知区域的地质情况，再与实际情况进行验证。通过进行三维立体全析建模，再切割得到剖面的方式，改变了原来从剖面到三维的建模过程。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明的保护范围。