一种覆盖区地层岩性三维建模的方法、装置及系统与流程

本发明涉及覆盖区岩相建模技术领域，特别涉及一种覆盖区地层岩性三维建模方法。

背景技术：

覆盖区一般指基岩被第四系物质(如风积物、冲积物、沼泽等)长期大面积连续覆盖的地区，基岩被第四系物质大面积不连续覆盖的地区,可称为半覆盖区。覆盖区的区域地质调查是一项基础地质工作，查明覆盖层及其以下地层、岩石、构造及其它地质体的基本特征，研究其属性、形成环境和演化历史等基础问题，对于国土规划、城市建设、矿产普查及水文、工程、环境、生态、农业地质勘查、地质科学研究等具有重要的意义。

地质填图是指在野外实地观察研究的基础上，按一定比例尺将各种地质体和地质现象填绘在地理底图上而构成地质图的工作过程。地质填图是指贯穿勘探的各个阶段，只是详细程度和精确度不同。除测量地形外，还对天然煤层露头进行测量和描述，把煤系地层、煤层产状和构造等绘制在地形图上。是地质工作中具有战略意义的综合性基础工作。

而随着覆盖区矿产资源调查、平原区及海岸带经济建设等需要，当前地质填图面临着由山区基岩出露区向覆盖区等特殊景观区推进，以往积累的填图经验和技术方法还不能完全适应新的填图需要。

而当前覆盖区填图遇到的问题有：

(1)精度低：在覆盖区地质填图工作中，常规填图方法由于基岩露头少而受到限制，隐伏的岩体、地层、构造、矿产(化)以及地表地质现象在深部发生的变化情况等信息无法直接观察研究，利用转石或局部零散露头填制的地质图可信度低、信息量少、整体质量不高，严重影响填图的精度；

(2)准确性差:覆盖区常采用的地球物理勘探由于地球物理异常的叠加，测量结果既包括浅部的岩性分布信息，也包含深部构造信息，多解性强，准确性较差；

(3)工程揭露手段单一：覆盖区填图常采用的槽探等揭露手段，自身存在局限性(破坏大、探测深度浅)，已无法满足新形势下绿色勘探的发展需求。

因此，急需一种高效精准的技术手段，通过利用地质填图逻辑开发数据智能分析算法或模型，在覆盖区开展浅地表大数据填图试验，挖掘各类地学数据之间的相关性，建立三维地质模型。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种覆盖区地层岩性三维建模的方法、装置及系统，使得构建的覆盖区的可视化三维模型能够精确地显示覆盖区的几何形状和配位关系，同时也更符合地质规律。

(二)技术方案

为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种覆盖区地层岩性三维建模的方法，包括：获取预设覆盖区地层的岩性数据，并对岩性数据进行预处理；根据岩性数据获得地下地质体模型的多个参数，采用主成分分析算法，对模型参数进行降维、减少特征参数数量，以得到相互独立的参数集合；将相互独立的参数集合输入多元参数回归方程中，得到空间多个目标观测样点的预测值；利用多点地质统计学算法，获得空间多个目标观测样点的几何形状和相互配位关系，建立预设覆盖区的可视化三维模型。

进一步的，预处理依次包括数据处理和岩性划分；数据处理包括数据规则化、数据清洗、数据变换和数据归约；岩性划分包括根据沉积规律和粒度对岩性数据进行岩性划分。

进一步的，数据规则化是以地质云的数据格式为标准将岩性数据规则化；数据清洗包括不完整数据的补缺、平滑噪声数据和数据一致；数据变换是将不同的岩性数据转换为统一形式的岩性数据；数据归约是根据岩性的相似性、可用性和可预测性，将岩性按沉积成因和颗粒大小进行合并，形成岩性组，以减少岩性组个数。

进一步的，根据沉积规律和粒度对岩性数据进行岩性划分包括：将泥岩类、粘土类和黄土类按照沉积规律统一归并为泥岩；将砂岩和含有松散介质的砂岩按照其粒度的不同，统一归并为砾岩、砂岩和粉砂岩。

进一步的，模型参数包括：单井岩相发育特征、岩性数据的砂岩厚度比、岩性数据的砂岩比率、岩性数据的岩性概率、岩性数据的数据变化率、河流概率约束参数和河流沉积相参数。

进一步的，多元回归方程为：待求解目标点值y与周围n个观测样点的属性xi存在函数关系h(x)，其中，

hθ(x)＝θ0+θ1x1+θ2x2

如果观测数据存在一定噪音(ε)，则

y⁽ⁱ⁾＝θ^tx⁽ⁱ⁾+ε⁽ⁱ⁾

采用最小二乘法构建以下目标函数，防止过拟合加入正则化因子：

求解上述目标函数，当找到目标函数最小情况下的函数系数θ，就可以用函数h(x)和周围n个观测样点的属性xi计算出目标点的y值。

进一步的，可视化三维模型能够进行多方位、多角度的立体景象旋转、多方向的切割显示、多尺寸的放大和缩小、局部显示以及光线调整；可视化三维模型能够进行以下可视化查询：条件查询、数据统计、图形显示、地质体三维结构和属性查询。

根据本发明的一个方面,本发明提供了一种覆盖区地层岩性三维建模的装置，包括：数据获取模块，用于获取预设覆盖区地层的岩性数据，并对岩性数据进行预处理；参数确定模块，用于根据岩性数据获得地下地质体模型的多个参数；参数处理模块，采用主成分分析算法，对模型参数进行降维、减少特征参数数量，以得到相互独立的参数集合；模型构建模块，将相互独立的参数集合输入多元参数回归方程中，得到空间多个目标观测样点的预测值；利用多点地质统计学算法，获得空间多个目标观测样点的几何形状和相互配位关系，建立预设覆盖区的可视化三维模型。

进一步的，数据获取模块包括：第一处理单元，用于对岩性数据进行数据处理，数据处理包括数据规则化、数据清洗、数据变换和数据归约；第二处理单元，用于对岩性数据进行岩性划分，岩性划分包括根据沉积规律和粒度对岩性数据进行岩性划分。

根据本发明的一个方面,本发明提供了一种覆盖区地层岩性三维建模的系统，包括至少一个处理器以及存储计算机可执行指令的存储器，处理器执行指令时实现以上所阐述的一种覆盖区地层岩性三维建模的方法的步骤。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本申请的建模方法是在模拟浅层复杂形状地质体分布时结合多点地质统计学算法，联合反映空间多个位置点的几何形状和相互配位关系，使得建立的岩相模型更加符合地质规律。

同时本申请在建立覆盖区的三维可视化模型时加入了多个现代地质沉积参数，改善了沉积相带的连续性；充分利用了勘探到的岩性数据，弥补覆盖区地质信息的不足，提升地质填图成果的准确性，以得到精确的三维可视化视图。

且本申请三维可视化模型能够进行可视化查询，各种数据统计等；也可以实现各类地质体的三维结构和属性查询，包括空间位置、面积、体积、固有特性等各种地质属性的查询、统计和计算等工作，并将查询的结果以表格、图形的形式表示出来。

附图说明

图1是本发明提供的一种覆盖区地层岩性三维建模方法的步骤流程图；

图2是本发明提供的预设口井的岩性数据统计示意图；

图3是本发明提供的岩性数据岩性划分标准示意图；

图4是本发明提供的一实施例的岩相单井发育特征示意图；

图5是本发明提供的另一实施例的岩相单井发育特征示意图；

图6是本发明提供的一实施例的岩相连井发育特征示意图；

图7是本发明提供的一实施例的多条相连井发育特征示意图；

图8是本发明提供的一实施例的第一层三维模型成果示意图；

图9是本发明提供的一实施例的第二层三维模型成果示意图；

图10是本发明提供的一实施例的三维模型成果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明提供的一种覆盖区地层岩性三维建模方法的步骤流程图，请查看图1，本发明提供的一种覆盖区地层岩性三维建模方法包括以下步骤：

步骤s1：获取预设覆盖区地层的岩性数据，并对岩性数据进行预处理。

具体地，通过钻井获取预设个井口的岩性数据，对岩性数据进行预处理，预处理依次包括数据处理和岩性划分。

首先对岩性数据进行数据处理，数据处理包括数据规则化、数据清洗、数据变换和数据归约。

其中，数据规则化以地质云的数据格式为标准，将岩性数据规则化；数据清洗是将不完整数据进行补缺，平滑噪声数据，减少噪声干扰，保持数据的一致性；数据变换是将不同的岩性数据转换为统一形式的岩性数据；数据归约是根据岩性的相似性、可用性和可预测性，将岩性按沉积成因和颗粒大小进行合并，形成岩性组，以减少岩性组个数，提高计算效率的同时使得一个算法能够发现多层次的知识，以适应不同应用的需要。

数据处理后对岩性数据进行整理，图2是本发明提供的预设口井的岩性数据统计示意图，如图2所示，预设口单井共统计出74种岩性。

岩性数据进行整理后对其进行划分归类，由于地质填图方法一般时按照成因划分填图单位，因此本发明中按照岩性划分填图单位，并使用统一的划分方案。

具体地，图3是本发明提供的岩性数据岩性划分标准示意图，如图3所示，根据沉积规律和粒度对岩性数据进行岩性划分，参考sy/t5434-2009(中华人民共和国石油天然气行业标准)行业规范，建立预设覆盖区的岩性划分方案，将74种岩性根据沉积规律和粒度划分为四大类：砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。

岩性划分的分类原则主要是考虑到松散介质的地质意义，砂岩的粒度一般代表着沉积相的不同。

因此，将泥岩类、粘土类和黄土类按照沉积规律统一归并为泥岩；将砂岩和含有松散介质的砂岩按照其粒度的不同，统一归并为砾岩、砂岩和粉砂岩。对上述四类岩性数据再进行细分，将砾岩分为中砾岩和细砾岩；砂岩分为巨砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和极细砂岩；粉砂岩分为粗粉砂岩和细粉砂岩。

步骤s2：根据岩性数据获得多个模型参数。

具体地，模型参数包括：岩相发育特征、岩性数据的岩性概率、岩性数据的数据变化率、河流概率约束参数和河流沉积相参数。

其中，岩相发育特征包括：岩相单井发育特征、岩相连井发育特征和岩相平面发育特征。

岩相单井发育特征是指获取的每口井位中不同深度的岩性数据的发育特征，图4是本发明提供的一实施例的岩相单井发育特征示意图，图5是本发明提供的另一实施例的岩相单井发育特征示意图，请参看图4和图5；图4中是以泥岩为主的单井发育特征的剖面图，图5是以砂岩和粉砂岩为主的单井发育特征的剖面图。

将岩相单井发育特征相同的井位连线后得到岩相连井发育特征，图6是本发明提供的一实施例的岩相连井发育特征示意图，请查看图6，图6中用矩形框圈出的部分表示发育特征相同，因此将多个发育特征相同的井位连线即得到一条岩相连井发育特征。图7是本发明提供的一实施例的多条相连井发育特征示意图，如图7所示，将岩相单井发育特征相同的井位连线后得到多条岩相连井发育特征，以多条获得岩相连井发育特征，进一步明确预设覆盖区的岩性分布特征。

最终根据多条岩相连井发育特征确定岩相平面发育特征，岩相平面发育特征包括上述四类岩性数据各自的厚度图和砂地比图。厚度图用于表示某一类型的岩性数据在预设覆盖区地层各个不同位置点的厚度，砂地比图用于表示某一类型的岩性数据在预设覆盖区地层各个不同位置点所占的比率。

可选的，岩相发育特征的个数越多越好，密度越小越精确。

岩性数据的岩性概率是指各类不同的岩性数据在总的岩性数据中所占比率，以及不同位置不同深度各类岩性数据出现的概率。

岩性数据的数据变化率是指在不同位置不同深度，各类岩性数据的变化率。

河流沉积相参数包括预设覆盖区地层的水下分流河道的河流摆动频率、摆动幅度；河道的沉积厚度，宽度和厚度比值；是否发育河漫滩沉积，沉积物源，河道的宽度变化。水下分流河道为陆上分支河道的水下延伸部分，在海延伸过程中，河道加宽，深度减小，分叉增多，流速减缓，堆积速度增大。沉积物以砂、粉砂为主，泥质极少。

河流沉积相参数还包括河口坝厚度、厚度变化，以及河口坝的沉积物。河口坝是由于河流带来的砂泥物质在河口处因流速降低堆积而成的，其岩性主要由砂和粉砂组成。

河流沉积相参数还包括席状砂，席状砂是携带沉积物的流水从河床末端漫出，由于流速和水深的骤减，使携带的沉积物呈席状或片状沉积下来而形成。

河流概率约束参数是指预设覆盖区地层出现河流的概率。

步骤s3：基于多源地理空间矢量数据融合，将河流概率约束参数和河流沉积相参数进行融合。

将同一地区不同来源的空间数据进行匹配后，按照一定的原则对数据进行融合，得到预设覆盖区的新的河流参数。以通过重新组合专题属性数据，改善地理空间实体的几何精度，提高数据生产效率和质量，最终产生新的质量更高的数据。

具体地，融合过程包括：数据匹配；将匹配后的数据进行几何位置的融合与属性的融合，得到新数据，产生新的数据部分或者全部集成了河流概率约束参数和河流沉积相参数的优点。

步骤s4：采用主成分分析算法，将模型参数压缩(降维)以减少特征数量。

具体地，即通过相似或者相关度很高的特征来生成新的特征，以减少特征数量，将高维的数据压缩成二维或三维，方便做数据可视化。

具体地，本发明中的n个井位的目标观测样点含有大量线性相关的变量，而主成分分析算法通过线性变换的方法，将这些变量中线性相关的变量剔除，组合出一组新的线性无关综合变量，使得综合变量两两线性无关。这些综合变量即为主成分变量，而主成分变量需要尽可能多地保留原始变量的重要信息。

主成分变量与原始变量相比具有很大的优越性，消除了大量线性相关的冗余信息，减少了参与运算的数据，对高维的空间数据进行了降维，使研究问题变得简单清晰。

步骤s5：将模型参数输入多元回归方程中，得到空间多个目标观测样点的值。具体地，多元回归方程包括：

待求解目标点值y与周围n个观测样点的参数xi存在函数关系h(x)，其中，

hθ(x)＝θ0+θ1x1+θ2x2

如果观测数据存在一定噪音(ε)，则

y⁽ⁱ⁾＝θ^tx⁽ⁱ⁾+ε⁽ⁱ⁾

采用最小二乘法构建以下目标函数，防止过拟合加入正则化因子：

求解上述目标函数，当找到目标函数最小情况下的函数系数θ，就可以用函数h(x)和周围n个观测样点的参数xi计算出目标点的y值。

优选的，多元回归方程包括线性回归方程或非线性回归方程。

步骤s6：基于多点地质统计学算法，获得空间多个目标观测样点的几何形状和相互配位关系，建立预设覆盖区的可视化三维模型。

本发明提供的模型参数充分利用了勘探到的岩性数据，弥补覆盖区地质信息的不足，提升地质填图成果的准确性，以得到精确的三维可视化视图。

具体地，将岩相单井发育特征、厚度图、砂地比图、岩性数据的岩性概率、岩性数据的数据变化率、河流沉积相参数和河流概率约束参数输入以下多元回归方程中，同时结合多点地质统计学算法，多点地质统计学算法通过在寻找与待估点内条件数据分布完全相同的事件的个数来确定概率分布，以反映出多个位置的联合变异性。

其中，结合多点地质统计学算法，获得空间多个目标观测样点的几何形状和相互配位关系包括以下步骤：

建立训练图像，训练图像为预设覆盖区的定量地质模型。用训练图像表达地质变量的空间结构性，以显示目标几何形态。

以象元(网格)为模拟单元，将实测的井数据标注在网格节点上。

基于snesim算法，应用多点数据样板扫描训练图像，以构建搜索树，并从搜索树中求取条件概率分布。即在训练图像中寻找与待观测样点内条件数据分布完全相同的事件，计算该事件点的岩相的分布概率。

该过程不仅能够保证在模拟中快速提取条件概率分布，大大减少计算时间，同时也考虑了条件数据的几何形状和各个条件数据的几何配位关系，以快速准确地获得空间多个位置点的几何形状和相互配位关系。可选的，当x数量少的时候，可以解析求解；当维度较高求解困难时，可采用机器学习的办法求解。

在一实施例中，本发明的可视化三维模型能够进行任意方位和任意角度的立体景象旋转、任意方向的切割、任意尺寸的放大和缩小、局部显示，以及任意范围的光线调整。同时本发明的可视化三维模型可进行可视化查询，包括：条件查询、数据统计、图形显示、地质体三维结构和属性查询。

图8是本发明提供的一实施例的第一层三维模型成果示意图，第一层表示距地面4米的预设覆盖区的地层三维模型示意图；图9是本发明提供的一实施例的第二层三维模型成果示意图，第二层表示距地面260米的预设覆盖区的地层三维模型示意图。本发明只提供两层模型示意图进行说明，在实际操作时，本领域技术人员可以根据研究需求设定层数，并研究所有层的三维模型成果示意图。

图10是本发明提供的一实施例的三维模型成果示意图，将每一层预设覆盖区的地层三维模型合并后得到最终的预设覆盖区的三维可视化模型。

在一实施例中，本发明还提供了一种覆盖区地层岩性三维建模的装置，包括：数据获取模块、参数确定模块、参数处理模块和模型构建模块。

数据获取模块用于获取预设覆盖区地层的岩性数据，并对岩性数据进行预处理；参数确定模块用于根据岩性数据获得多个模型参数；参数处理模块用于采用主成分分析算法，将模型参数压缩(降维)以减少特征数量；模型构建模块用于将模型参数输入多元回归方程中，并结合多点地质统计学算法，获得空间多个位置点的几何形状和相互配位关系，建立所述预设覆盖区的可视化三维模型；。

数据获取模块包括：第一处理单元和第二处理单元；其中第一处理单元用于对岩性数据进行数据处理，数据处理包括数据规则化、数据清洗、数据变换和数据归约；第二处理单元用于对岩性数据进行岩性划分，岩性划分包括根据沉积规律和粒度对岩性数据进行岩性划分。

在一实施例中，本发明还提供了一种覆盖区地层岩性三维建模的系统，包括至少一个处理器以及存储计算机可执行指令的存储器，处理器执行指令时实现一种覆盖区地层岩性三维建模的方法的步骤。

本发明旨在保护一种覆盖区地层岩性三维建模的方法、装置及系统，三维建模方法包括：获取预设覆盖区地层的岩性数据，并对岩性数据进行预处理；根据岩性数据获得多个模型参数；采用主成分分析算法，将模型参数压缩(降维)以减少特征数量；将模型参数输入多元回归方程中，并结合多点地质统计学算法，获得空间多个位置点的几何形状和相互配位关系，建立预设覆盖区的可视化三维模型。通过结合多点地质统计学算法，联合反映空间多个位置点的几何形状和相互配位关系，使得建立的岩相模型更加符合地质规律。同时在建立覆盖区的三维可视化模型时加入了多个现代地质沉积参数，改善了沉积相带的连续性；充分利用了勘探到的岩性数据，弥补覆盖区地质信息的不足，提升地质填图成果的准确性，以得到精确的三维可视化视图。本发明可以高效完成覆盖区开展浅地表大数据填图任务，对于国土规划、城市建设、矿产普查及水文、工程、环境、生态、农业地质勘查、地质科学研究等具有重要的意义。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。