一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法。该方法利用多源数据进行含盐地层三维建模过程中，将工程地质钻孔、三角网数字高程模型、矿区边界、泥岩夹层等作为重要的特征约束条件，充分利用多源数据揭示的地形、地貌和地质特征，构建反映真实地质环境的含盐地层三维模型；利用声纳探测数据，构建盐腔表面三维模型，并将其作为内部洞约束，借助于三维空间布尔运算和网格离散等空间分析操作，实现多特征约束下盐腔围岩地质三维建模。本发明的方法能够构造反映真实三维几何形态的盐腔围岩地质三维模型，为盐腔围岩蠕变特性数值模拟与分析提供有效的计算模型，提高了使用盐腔进行能源储备的安全性。
【专利说明】
一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法
技术领域
[0001]本发明属于一种三维建模方法，具体是一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法。它涉及GIS、计算机图形学、计算几何、GMS、岩石力学数值模拟等学科领域，具体涉及多源数据整合、三维GIS空间建模与分析、地质三维建模与模拟等。
【背景技术】
[0002]盐岩具有非常低的渗透特性与良好的蠕变行为，能够保证盐腔的密封性，其力学性能较为稳定，具有损伤自我恢复能力，能够适应内部压力的变化，因此盐岩开采后形成的地下溶腔成为世界各国能源储备的主要介质。与国外海相沉积形成的巨厚盐丘不同，我国的盐岩多属于湖相沉积形成的层状结构，具有盐层厚度小、泥岩夹层多、埋深浅等特征。利用在这样的条件下建立的盐腔进行能源储备时，对盐岩地质岩性和盐腔围岩的稳定性分析和研究尤为重要，而如何构建反映真实三维几何形态的盐腔围岩地质三维模型是上述研究需要解决的首要关键问题之一。
[0003]目前盐腔围岩三维模型构建大多是借助于有限元、有限差分等数值模拟软件实现，这些数值模拟软件地质三维建模功能不强，往往对实际地质环境进行了大量的简化，没有充分考虑盐岩地层结构面、也未充分利用声纳测腔数据，属于理想状态的规则格网划分。而实际的地质环境非常复杂，具有点、线、面、体等多种类型约束的特征。因此，实现一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，它利用三维GIS空间建模与分析技术，进行多特征约束的统一组织与表达，克服了现有的盐腔围岩蠕变模拟与分析在三维地质建模时效率低下的缺点。
[0005]本发明的基本思路是:工程地质钻孔是地层信息最直观、准确和详细的采样数据，三角网数字高程模型可以表达地貌信息、地理环境信息、地表形态等地形地貌特征，矿区边界数据可以反映矿体的几何形态、空间位置等特征信息，利用多源数据进行含盐地层三维建模过程中，将工程地质钻孔、三角网数字高程模型、矿区边界、泥岩夹层等作为重要的特征约束条件，充分利用多源数据揭示的地形、地貌和地质特征，实现多特征约束下的含盐地层三维模型构建方法，构建反映真实地质环境的含盐地层三维模型；利用声纳探测数据，构建盐腔表面三维模型，并将其作为内部洞约束，借助于三维空间布尔运算和网格离散等空间分析操作，实现多特征约束下盐腔围岩地质三维建模方法，它可以构建反映真实地质环境的盐岩地质体模型。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，包括以下步骤:
[0008]SI，多源数据组织与管理，用于对盐腔围岩地质三维建模的空间数据和属性数据进行组织管理与整合处理；
[0009]S2，构建多特征约束下盐岩地层三维模型，即将工程地质钻孔、三角网数字高程模型、矿区边界和泥岩夹层作为重要的特征约束条件，充分利用多源数据揭示的地形、地貌和地质特征，实现多特征约束下盐岩地层三维模型的构建；
[0010]S3，构建盐腔表面三维模型，即利用声纳探测技术得到的腔体水平剖面数据和垂直剖面数据来构建盐腔表面三维模型；
[0011]S4，构建多特征约束下盐腔围岩地质三维模型，即以步骤S3生成的盐腔表面三维模型为内部洞约束，借助于三维空间布尔运算和网格离散的空间分析操作，对步骤S2得到的地层三维模型进行处理，以获得支持地学模型计算的离散体元单元。
[0012]所述步骤SI具体为:利用Geodatabase数据模型对基础空间数据、原始钻孔数据、虚拟钻孔数据和声纳测腔解译数据进行空间信息与属性信息的关联管理，构建盐腔围岩地质三维建模多源数据库，实现多源数据整合与管理。
[0013]所述步骤S2的具体步骤为:
[0014]S2-1，建模数据处理:通过空间离散、空间插值和Delaunay三角剖分操作，对多源数据进行建模前的处理；
[0015]S2-2，带约束的初始地表三角网模型构建:将钻孔数据、建模区域边界范围和泥岩夹层结构面作为待构建三维地层模型的约束条件，采用标准的Delaunay三角网构建算法，建立能够表达建模区域各个地层层面拓扑关系的初始地表三角网模型；
[0016]S2-3，多层DEM缝合处理:根据不同盐岩地层的岩性，采用多层DEM表面模型，以地层的上地层界面三角网的一个三角形为起点，循环处理各个地层TIN面上的所有三角形，将同一个地层上下两个地质界面的三角网缝合起来；
[0017]S2-4，构建中间件广义三棱柱模型:在已生成的地层TIN面的基础上，逐个将三角形沿钻孔方向向下扩展生成广义三棱柱模型，并以此为用中间件，实现多层DEM中间体元的合并，从而构建多特征约束下盐岩地层三维模型。
[0018]所述步骤S3具体为:基于声纳探测数据和半边数据结构，利用边界表示模型，对声纳探测获取的水平剖面测腔数据和垂直剖面测腔数据进行盐腔三维表面拓扑重构，获得盐腔三维表面模型。
[0019]所述步骤S4的具体步骤为:
[0020]S4-1，对步骤S2得到的地层三维模型与步骤S3得到的盐腔表面三维模型进行三维空间相交检测和布尔减运算操作；
[0021]S4-2，对经步骤S4-1处理后的表面模型进行多特征约束的四面体网格离散操作，从而构建盐腔围岩体元三维模型；四面体网格离散操作的具体实现步骤为:①读入待离散的三维表面模型，包括外部边界及内部点、线、面、洞的特征约束信息;②对推进波前法中的尺寸控制函数进行约束处理与前沿准备，初始化前沿队列;③前沿迭代推进，完成初始网格离散及内核剖分;④进行网格拓扑优化与几何优化，提高网格单元的质量。
[0022]本发明的有益效果:
[0023]本发明能够构造反映真实三维几何形态的盐腔围岩地质三维模型，能够为盐腔围岩蠕变特性数值模拟与分析提供有效的计算模型，提高了使用盐腔进行能源储备的安全性，为盐腔的建造及合理的开发利用提供了科学依据及技术支持。
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例的流程图；
[0025]图2是本发明实施例的盐腔围岩地质三维建模多源数据组织结构图；
[0026]图3是本发明实施例的基于多源数据的盐岩地层三维建模流程图；
[0027]图4是本发明实施例的某研究区域盐岩地层的a)三维模型;b)三维模型的栅栏图；
[0028]图5是本发明实施例的某腔体的三维空间表面模型的a)实体显示;b)线框显示；
[0029]图6是本发明实施例的盐腔围岩三维体元模型的a)实体模式图;b)线框模式图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]本发明的一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，包括以下步骤(如图1所示):
[0032]1、多源数据组织与管理，用于对盐腔围岩地质三维建模的空间数据和属性数据进行整合管理；
[0033]2、构建多特征约束下盐岩地层三维模型，用于实现将工程地质钻孔、三角网数字高程模型、矿区边界、泥岩夹层等作为重要的特征约束条件，充分利用多源数据揭示的地形、地貌和地质特征，来构建多特征约束下盐岩地层三维模型；
[0034]3、构建盐腔表面三维模型，用于利用声纳探测技术得到的腔体水平剖面数据和垂直剖面数据来构建盐腔表面三维模型；
[0035]4、构建多特征约束下盐腔围岩地质三维模型，用于在内部洞约束的基础上，借助于三维空间布尔运算和网格离散空间分析操作，对地层三维模型进行处理，以获得支持地学模型计算的离散体元单元。
[0036]本实施例具体实现过程如下:
[0037]1、多源数据组织与管理过程:
[0038]本过程是指针对建模数据来源多元性、数据格式多样性、数据关联复杂性和数据海量性特点，为保证高效地进行盐腔围岩地质三维建模和分析应用的需要，利用Geodatabase数据模型对收集的到的基础空间数据、钻孔数据和声纳测腔解译数据等进行空间信息与属性信息的关联管理，构建盐腔围岩地质三维建模数据库，实现多源数据的整合与管理，为后续建模工作提供完整、全面的数据源，多源数据组织结构图如图2所示。
[0039]2、构建多特征约束下盐岩地层三维模型过程:
[0040]本过程通过一系列的处理和操作来构建多特征约束下盐岩地层三维模型，包含建模数据的处理、带约束的初始地表三角网模型构建、多层DEM缝合处理和构建中间件GTP模型四个子过程。(I)在建模数据的处理过程中，要对研究区域边界和DEM等基础地理数据、地质平面图和地质剖面图等基础地质数据以及钻孔数据进行多源数据整合，然后综合利用空间离散、空间插值和De Iaunay三角剖分方法实现盐岩地层面拟合；(2)在带约束的初始地表三角网模型构建过程中，将钻孔数据、建模区域边界范围、泥岩夹层结构面作为待构建三维地层模型的约束条件，采用标准的D-TIN构建算法，建立能够表达建模区域各个地层层面拓扑关系的D-TIN模型；(3)在多层DEM缝合处理过程中，根据不同盐岩地层的岩性，采用多层DEM的思想，以地层的上地层界面三角网的一个三角形为起点，循环处理各个地层TIN面上的所有三角形，可将同一个地层上下两个地质界面的三角网缝合起来；(4)在构建中间件GTP模型过程中，在已生成的地层面TIN的基础上，逐个将三角形沿钻孔方向向下扩展生成GTP模型，并以此为用中间件，实现多层DEM中间体元的合并，从而完成构特征约束下的盐岩地层三维模型的构建。图3为盐岩地层三维建模流程图，图4a为某研究区域盐岩地层三维模型，图4b为某研究区域盐岩地层三维模型的栅栏图。
[0041]在过程(2)中，初始地表三角网模型可以看作是确定建模区域地层拓扑关系的一个“模板”，它可以沿着钻孔延伸方向自上而下推延出建模区域的全部地层信息；这样的操作可以保证各个地层层面具有确定的、上下一致的拓扑关系，使得建模区域地表形成了一个连续的整体。
[0042]3、构建盐腔表面三维模型过程:
[0043]本过程基于声纳探测数据和HalfEdge数据结构，利用边界表示模型(B-Rep)，对声纳探测获取的水平剖面和垂直剖面测腔数据进行盐腔三维表面拓扑重构，获得盐腔三维表面模型。边界表示模型的特点是通过面、环、边、点来定义空间对象的位置和形状，构建该类模型有利于进行各种以面、边、点为基础的几何运算操作。图5a为某腔体的三维空间表面模型实体显示，图5b为某腔体的三维空间表面模型线框显示。
[0044]4、构建多特征约束下盐腔围岩地质三维模型过程:
[0045]本过程实现多特征约束下的盐腔围岩地质三维模型的构建，包含三维空间相交检测与布尔运算操作、多特征约束的四面体网格离散处理两个子过程。三维空间相交检测是一种适用于三维空间对象间地快速相交检测算法，该算法首先根据场景内空间对象分布特征，构建事件点及其列表;利用空间扫描策略，自适应地构建一系列假想的空间扫描面;在扫描面移动的过程中，将空间对象的状态分为死亡态、激活态和休眠态，通过只对当前处于激活态空间对象的进行相交测试，极大地减少了空间对象间不必要的相交计算，进而可以有效提尚空间实体间布尔运算的效率。(I)在二维空间相交检测和布尔运算操作过程中，对上述步骤中所得到的多特征约束下盐岩地层三维模型与盐腔三维表面模型做布尔减运算，得到盐腔围岩三维表面模型，在布尔运算过程中执行快速相交检测算法，加快布尔运算速度；(2)在多特征约束的四面体网格离散处理过程中，对布尔运算后得到的表面模型进行四面体网格离散，构建盐腔围岩体元三维模型，即盐腔围岩地质三维模型，离散后效果如图6所示，图6a为盐腔围岩三维体元模型实体模式图，图6b为盐腔围岩三维体元模型线框模式图；考虑到盐岩围岩空间对象的自身复杂特点，本发明对目前最流行的通用的全自动网格离散方法一一推进波前法(AFT)进行扩展，使之能充分顾及盐腔围岩空间对象外部边界及内部点、线、面、洞等特征约束，发展四面体网格离散方法，具体的实现步骤为:①读入待离散的三维表面模型，包括外部边界及内部点、线、面、洞等特征约束信息;②对AFT的尺寸控制函数进行约束处理与前沿(即为有向三角形单元)准备，初始化前沿队列；③前沿迭代推进，完成初始网格离散及内核剖分;④进行网格拓扑优化与几何优化，提高网格单元的质量;该方法的使用为盐腔围岩地学分析与计算提供了高质量的网格单元。
[0046]以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤: Si，多源数据组织与管理，用于对盐腔围岩地质三维建模的空间数据和属性数据进行组织管理与整合处理； S2，构建多特征约束下盐岩地层三维模型，即将工程地质钻孔、三角网数字高程模型、矿区边界和泥岩夹层作为重要的特征约束条件，充分利用多源数据揭示的地形、地貌和地质特征，实现多特征约束下盐岩地层三维模型的构建； S3，构建盐腔表面三维模型，即利用声纳探测技术得到的腔体水平剖面数据和垂直剖面数据来构建盐腔表面三维模型； S4，构建多特征约束下盐腔围岩地质三维模型，即以步骤S3生成的盐腔表面三维模型为内部洞约束，借助于三维空间布尔运算和网格离散的空间分析操作，对步骤S2得到的地层三维模型进行处理，以获得支持地学模型计算的离散体元单元。2.根据权利要求1所述的一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，其特征在于，所述步骤SI具体为:利用Geodatabase数据模型对基础空间数据、原始钻孔数据、虚拟钻孔数据和声纳测腔解译数据进行空间信息与属性信息的关联管理，构建盐腔围岩地质三维建模多源数据库，实现多源数据整合与管理。3.根据权利要求1所述的一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为: S2-1，建模数据处理:通过空间离散、空间插值和DeIaunay三角剖分操作，对多源数据进行建模前的处理； S2-2，带约束的初始地表三角网模型构建:将钻孔数据、建模区域边界范围和泥岩夹层结构面作为待构建三维地层模型的约束条件，采用标准的Delaunay三角网构建算法，建立能够表达建模区域各个地层层面拓扑关系的初始地表三角网模型； S2-3，多层DEM缝合处理:根据不同盐岩地层的岩性，采用多层DEM表面模型，以地层的上地层界面三角网的一个三角形为起点，循环处理各个地层TIN面上的所有三角形，将同一个地层上下两个地质界面的三角网缝合起来； S2-4，构建中间件广义三棱柱模型:在已生成的地层TIN面的基础上，逐个将三角形沿钻孔方向向下扩展生成广义三棱柱模型，并以此为用中间件，实现多层DEM中间体元的合并，从而构建多特征约束下盐岩地层三维模型。4.根据权利要求1所述的一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，其特征在于:所述步骤S3具体为:基于声纳探测数据和半边数据结构，利用边界表示模型，对声纳探测获取的水平剖面测腔数据和垂直剖面测腔数据进行盐腔三维表面拓扑重构，获得盐腔三维表面模型。5.根据权利要求1所述的一种多特征约束下的盐腔围岩地质三维建模方法，其特征在于:所述步骤S4的具体步骤为: S4-1，对步骤S2得到的地层三维模型与步骤S3得到的盐腔表面三维模型进行三维空间相交检测和布尔减运算操作； S4-2，对经步骤S4-1处理后的表面模型进行多特征约束的四面体网格离散操作，从而构建盐腔围岩体元三维模型；四面体网格离散操作的具体实现步骤为:①读入待离散的三维表面模型，包括外部边界及内部点、线、面、洞的特征约束信息;②对推进波前法中的尺寸控制函数进行约束处理与前沿准备，初始化前沿队列;③前沿迭代推进，完成初始网格离散及内核剖分;④进行网格拓扑优化与几何优化，提高网格单元的质量。
【文档编号】G06T17/05GK106097448SQ201610403980
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】王永志, 王慧, 袁留, 马玉清
【申请人】江西理工大学