模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法和系统与流程

本发明涉及工程地质领域，尤其涉及一种模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法和系统；主要用于水电地质、水利地质、石油地质、海洋地质、煤炭地质、地质勘察等领域。

背景技术：

传统的工程地质资料分析和解释一般局限于二维、静态的表达方式，这种方式描述地质对象的空间变化直观性差，往往不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，所以越来越不能满足工程设计人员空间分析的需求。

利用计算机图形学和可视化技术，构建工程地质三维模型，将二维抽象的地质信息以三维可视化的图形效果直观形象的表达出来，不仅可以直观描述工程地质条件，形象地表达地质现象的空间发育特征，而且结合工程地质三维可视化模型的空间分析功能，可以使工程地质分析更为直观、准确，从而实现快速、适时地进行工程决策。

目前工程地质三维模型的建模通常根据钻孔、物探、坑槽等资料，按照插值理论对未知区域的工程地质属性进行模拟，并交互式生成地质三维面模型或三维实体模型。地质三维模型传统建模方法主要基于空间数据插值理论和三维面或实体模型构建理论，构建的三维模型能够很好的反应各工程地质勘探点和各插值点的地质属性，但对于地质对象的整体发育规律和空间发育趋势考虑较少，无法将地质工程师依据勘察成果推演地质现象空间发育趋势的工程地质思维融入工程地质三维建模过程。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法和系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法，包括以下步骤：

S1、地质数据输入，具体为输入工程勘察成果数据并确定工程地质三维建模的有效数据；

S2、定义模型参数，具体为定义建模地质对象、模型几何属性和模型地质属性参数；

S3、构建地质曲面模型，具体为根据所述地质数据和所述模型参数建立单一地质对象的曲面模型；

S4、构建综合地质模型，具体为通过对各地质对象的曲面模型进行耦合和相关几何运算构建地质综合模型。

优选的，步骤S1包括以下步骤：

S11、地质数据整理输入，具体为主要对收集的勘察成果数据进行整理并输入工程地质数据库；

S12、确定建模有效数据，具体为对数据库数据进行查询、分析、筛选，提取适用于构建工程地质三维模型的有效数据。

优选的，步骤S2包括以下步骤：

S21、定义建模地质对象，具体为确定工程地质三维模型的建模地质对象；

S22、定义模型几何属性，具体为对工程地质模型的几何属性进行定义；

S23、定义模型地质属性，具体为对工程地质三维模型的地质属性进行定义。

优选的，步骤S3包括以下步骤：

S31、确定曲面模型节点，具体为根据步骤S22定义的模型几何属性确定地质曲面模型的节点信息；

S32、计算已知节点数据，具体为根据步骤S12确定的建模有效数据计算已知曲面节点地质属性数据；

S33、模拟未知节点数据，具体为根据步骤S21定义的建模地质对象和地质工程师推演地质现象未知区域发育趋势的思维模式模拟未知节点地质属性数据；

S34、构建单一曲面模型，具体为根据步骤S32和步骤S33的输出成果构建单一地质曲面模型。

优选的，步骤S4包括以下步骤：

S41、地质曲面模型耦合，具体为将步骤S3构建的各地质单一曲面模型按照工程地质类别进行耦合，形成地质三维曲面模型集；

S42、构建单元实体模型，具体为利用曲面的几何计算构建地质单元实体模型；

S43、构建地质综合模型，具体为通过地质三维曲面模型和地质三维实体模型的几何运算构建工程地质综合模型，并对综合地质模型附加工程地质属性。

一种模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模系统，包括：

地质数据输入模块，用于输入工程勘察成果数据并确定工程地质三维建模的有效数据；

模型参数定义模块，用于定义建模地质对象、模型几何属性、模型地质属性参数；

地质曲面模型构建模块，用于根据地质数据和模型参数建立单一地质对象的曲面模型；

综合地质模型构建模块，用于通过对各地质对象的曲面模型进行耦合和相关几何运算构建地质综合模型。

优选的，所述地质数据输入模块包括：

地质数据整理输入子模块，用于主要对收集的勘察成果数据进行整理并输入工程地质数据库；

建模有效数据确定子模块，用于对数据库数据进行查询、分析、筛选，提取适用于构建工程地质三维模型的有效数据。

优选的，所述模型参数定义模块包括：

建模地质对象定义子模块，用于确定工程地质三维模型的建模地质对象；

模型几何属性定义子模块，用于对工程地质模型的几何属性进行定义；

模型地质属性定义子模块，用于对工程地质三维模型的地质属性进行定义。

优选的，所述地质曲面模型构建模块包括：

曲面模型节点确定子模块，用于根据所述模型几何属性定义子模块定义的模型几何属性确定地质曲面模型的节点信息；

已知节点数据计算子模块，用于根据所述建模有效数据确定子模块确定的建模有效数据计算已知曲面节点地质属性数据；

未知节点数据模拟子模块，用于根据所述建模地质对象定义子模块定义的建模地质对象和地质工程师推演地质现象未知区域发育趋势的思维模式模拟未知节点地质属性数据；

单一曲面模型构建子模块，用于根据所述已知节点数据计算子模块和所述未知节点数据模拟子模块的输出成果构建单一地质曲面模型。

优选的，所述综合地质模型构建模块包括：

地质曲面模型耦合子模块，用于将所述地质曲面模型构建模块构建的各地质单一曲面模型按照工程地质类别进行耦合，形成地质三维曲面模型集；

单元实体模型构建子模块，用于利用曲面的几何计算构建地质单元实体模型；

地质综合模型构建子模块，用于通过地质三维曲面模型和地质三维实体模型的几何运算构建工程地质综合模型，并对综合地质模型附加工程地质属性。

本发明的有益效果是：

本发明的模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法和系统能够将地质工程师根据勘察成果进行地质推演或地质预测的工程地质思维融入工程地质三维建模过程，充分考虑工程地质现象的整体发育规律和空间发育趋势，提高了工程地质三维建模的准确率和效率。本发明同时能够实现工程地质三维模型与勘察数据的动态关联，可实现地质三维模型的动态更新。

附图说明

图1是本发明的方法的技术流程图；

图2是本发明的模拟地质现象空间发育趋势的方法示意图；

图3是本发明的工程地质曲面模型示意图；

图4是本发明的工程地质综合模型示意图。

具体实施方式

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，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。

如附图1所示本发明的模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法，包括以下步骤：

地质数据输入A，输入工程勘察成果数据并确定工程地质三维建模的有效数据；

定义模型参数B，定义建模地质对象、模型几何属性、模型地质属性等参数；

构建地质曲面模型C，根据地质数据和模型参数建立单一地质对象的曲面模型；

构建综合地质模型D，通过对各地质对象的曲面模型进行耦合和相关几何运算构建地质综合模型。

所述地质数据输入A包含地质数据整理输入A-1子过程、确定建模有效数据A-2子过程。其中A-1过程主要对收集的勘察成果数据进行整理并输入工程地质数据库；A-2子过程对数据库数据进行查询、分析、筛选，提取适用于构建工程地质三维模型的有效数据。

所述定义模型参数B包含定义建模地质对象B-1子过程、定义模型几何属性B-2子过程、定义模型地质属性B-3子过程。其中B-1子过程确定工程地质三维模型的建模地质对象；B-2子过程对工程地质模型的几何属性进行定义；B-3子过程对工程地质三维模型的地质属性进行定义。

所述构建地质曲面模型C包含确定曲面模型节点C-1子过程、计算已知节点数据C-2子过程、模拟未知节点数据C-3子过程、构建单一曲面模型C-4子过程。其中C-1子过程根据B-2子过程定义的模型几何属性确定地质曲面模型的节点信息；C-2子过程根据A-2子过程确定的建模有效数据计算已知曲面节点地质属性数据；C-3子过程根据B-1子过程确定的建模地质对象和地质工程师推演地质现象未知区域发育趋势的思维模式模拟未知节点地质属性数据；C-4子过程根据C-2子过程和C-3子过程的输出成果构建单一地质曲面模型。

所述构建综合地质模型D包含地质曲面模型耦合D-1子过程、构建单元实体模型D-2子过程、构建地质综合模型D-3子过程。其中D-1子过程将构建地质曲面模型C步骤构建的各地质单一曲面模型按照工程地质类别进行耦合，形成地质三维曲面模型集；D-2子过程利用曲面的几何计算构建地质单元实体模型；D-3子过程通过地质三维曲面模型和地质三维实体模型的几何运算构建工程地质综合模型，并对综合地质模型附加工程地质属性。

本发明中的构建地质曲面模型的具体工作方法具有以下特点：

地质曲面模型节点的工程地质属性，既利用了已知节点数据(勘探成果数据)从而保证曲面模型与勘探成果的一致性，同时也按地质对象的空间发育趋势进行模拟，符合地质工作通过已知条件推演未知条件的思维模式。

地质曲面模型未知节点地质属性的数据模拟，根据不同地质对象的特点采取不同的模拟算法。地质对象发育趋势通常与其空间位置关系密切相关，地质推演或预测是根据地质对象各空间位置的发育趋势模拟未知区域的发育状况，本发明综合考虑不同地质对象的地质推演或预测思维方法，采取不同的模拟算法对不同类型的地质曲面未知节点地质属性进行模拟。

本发明中的构建综合地质模型的具体工作方法具有以下特点：

综合地质模型根据建模地质对象的不同和使用目的的不同，采用曲面模型和实体模型相结合的方式；对于曲面空间分布的地质对象采用曲面模型建模，对于需要展示其三维实体空间发育规律的地质对象采用实体模型。

地质三维模型附加有建模数据定义、几何属性定义和地质属性定义等扩展数据。

地质三维模型能够与工程地质数据动态关联，对于建模基础数据的变化，能动态更新工程地质三维模型。

以下结合附图1对本发明进行详细说明。

本实施例中，工程地质三维模型建模数据存储在SQL Server数据库中，本例地质三维建模使用Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D软件作为计算机辅助设计(CAD)平台。

本实施例包括步骤：地质数据输入A、定义模型参数B、构建地质曲面模型C、构建综合地质模型D。

步骤1、地质数据输入A：

本步骤实现工程地质勘察成果数据的输入和有效建模数据筛选功能，包含地质数据整理输入A-1子过程、确定建模有效数据A-2子过程。A-1子过程实现分类整理工程地质勘察成果数据，并通过交互式界面输入到工程地质数据库；工程地质勘察数据量庞大，构建地质三维模型需要从数据库中筛选有效建模数据，A-2子过程实现通过可视化界面，根据建模地质对象的不同选择有效建模数据。

步骤2、定义模型参数B：

本步骤包含定义建模地质对象B-1子过程、定义模型几何属性B-2子过程、定义模型地质属性B-3子过程。其中B-1子过程确定工程地质三维模型的建模地质对象；B-2子过程对工程地质模型的几何属性进行定义；B-3子过程对工程地质三维模型的地质属性进行定义。

定义建模对象B-1子过程通过交互式界面确定地质建模对象的类型，地质对象包含多级分类，一级类别包括地质岩性、地质构造、风化特征、卸荷特征、水文地质、岩体特性等；每个一级类别包含若干二级类别，例如风化特征又分为全风化、强风化、弱风化、微风化、新鲜岩体。

定义模型几何属性B-2子过程通过交互式界面确定地质模型的相关几何属性，例如建模范围、曲面模型的网格精度和间距、模型的图层和颜色、剖切线型和线宽、模型的显示样式等。

定义模型地质属性B-3子过程根据建模对象的不同，按照不同的地质属性数据数据表定义各地质对象的工程地质属性，例如地质构造模型包含地质编号、产状要素、力学性质、断裂面特征、充填物特征、构造带宽度、构造影响带特征、构造延伸情况等。

步骤3、构建地质曲面模型C：

本步骤实现根据地质三维模型建模数据和模型参数建立单一地质对象的曲面模型，包含确定曲面模型节点C-1子过程、计算已知节点数据C-2子过程、模拟未知节点数据C-3子过程、构建单一曲面模型C-4子过程。

确定曲面模型节点C-1子过程根据B-2子过程定义的模型几何属性确定地质曲面模型的节点信息。本子过程根据地质模型的几何属性，尤其是建模范围、建模网格精度和网格间距，自动计算模型各节点平面坐标，网格节点既包括已知地质属性的节点，也包含未知地质属性的节点。

计算已知节点数据C-2子过程根据A-2子过程确定的建模有效数据计算已知曲面节点地质属性数据。按照建模地质对象和地质推演方法的不同，本子过程自动计算已知地质属性的节点数据，已知地质属性节点的建模数据需要换算成三维建模需要的数据格式。

模拟未知节点数据C-3子过程根据B-1子过程确定的建模地质对象和地质工程师推演地质对象未知区域发育趋势的思维模式模拟未知节点地质属性数据。各种地质现象的未知区域数据模拟方法有所区别，本子过程需要根据建模对象的不同采取对应的模拟方法。例如岩体风化曲面的建模，对于平原地区，其主要参考依据是岩体风化层的厚度在空间上服从渐变规律，可以采用对应的插值方法进行模拟；对于高山峡谷地形，在河谷地带岩体风化层的厚度在空间上服从渐变规律，在两岸岸坡其水平风化深度服从渐变规律，附图2为岩体风化层等类似地质现象的空间发育趋势模拟方法示意图。

构建单一曲面模型C-4子过程根据C-2子过程和C-3子过程的输出成果构建单一地质曲面模型。本实施例构建的地质单一曲面模型采用三角网曲面，即通过C-2子过程和C-3子过程输出的三维网格节点链接三角网构建地质曲面模型。本发明构建的地质三维曲面模型，既反映了已知勘探点的地质属性数据，也反映了未知点地质模拟属性数据。附图3为采用本发明根据地质勘探数据构建的一个单一曲面模型示意图。

步骤4、构建综合地质模型D：

本步骤实现通过对各地质对象的曲面模型进行耦合和相关几何运算构建地质综合模型，包含地质曲面模型耦合D-1子过程、构建单元实体模型D-2子过程、构建地质综合模型D-3子过程。其中D-1子过程将构建地质曲面模型C步骤构建的各地质单一曲面模型按照工程地质类别进行耦合，形成地质三维曲面模型集；D-2子过程利用曲面的几何计算构建地质单元实体模型；D-3子过程通过地质三维曲面模型和地质三维实体模型的几何运算构建工程地质综合模型，并对模型附加工程地质属性。附图4为采用本发明构建的地质综合模型示意图。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明的模拟地质现象空间发育趋势的地质三维建模方法和系统能够将地质工程师根据勘察成果进行地质推演或地质预测的工程地质思维融入工程地质三维建模过程，充分考虑工程地质现象的整体发育规律和空间发育趋势，提高了工程地质三维建模的准确率和效率。本发明同时能够实现工程地质三维模型与勘察数据的动态关联，可实现地质三维模型的动态更新。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。