一种单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法与流程

本发明涉及地理信息技术应用领域，尤其涉及一种单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法。

背景技术：

构造地貌实体的非参数化、非均质性特点，以及断层、褶皱等地质构造的广泛存在，使得构造地貌实体多基于地质钻孔、地质剖面等地质调查数据，运用数据驱动的建模方法进行建模。然而，该方法过分依赖地质钻孔、地质剖面图等建模数据，一定程度上影响了其应用范围与建模质量。

面对这一不足，越来越多的学者开始研究知识驱动的建模方法。该方法相较于数据驱动的建模方法，在建模过程中增加了地质学知识的运用。按照知识的主要应用方式，该方法又可分为两种，一种是根据地质学知识对建模数据和相关资料进行综合分析后，再进行三维建模的非参数化方法；另一种是指利用定量的数学规律，来描述具有一定空间分布规律的地质体参数化建模方法。这些知识驱动的建模方法已有较为突出的表现，弥补了数据驱动的建模方法的不足。但是不同构造地貌实体类型所使用的地学知识有所不同，从而建模方法有所不同，目前尚未有基于知识驱动的单斜岩层构造地貌实体三维建模方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对数据驱动的建模方法过分依赖钻孔数据问题，提供一种单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法，该方法基于知识驱动，能够构建出更精确的三维模型。

技术方案：本发明所述的单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法包括：

(1)单斜岩层产状计算：根据单斜岩层地质图和dem数据，计算单斜岩层产状，得到单斜岩层的地质界线集合stralines＝{li1|i1＝1,2,3,...,m}和产状集合occpoints＝{opi2|i2＝1,2,3,...,n}；其中，li1表示第i1条地质界线，m表示地质界线条数，opi2表示第i2个产状，n表示产状个数；

(2)单斜岩层界线分段：根据岩层产状集合occpoints，将地质界线集合中的地质界线划分为若干产状一致的岩层层面界线线段，形成岩层层面界线线段集合segelines；

(3)单斜岩层边界确定：根据所述岩层层面界线线段集合segelines，采用产状推演方法，推演得到产状推演点集合，再根据产状推演点集合确定岩层层面和岩层侧面，并保存至岩层面集合layerpolygon中；

(4)断层层面边界确定：根据确定的岩层侧面，按序合并生成断层层面，并保存至断层层面集合faultpolygon；

(5)岩层面插值点生成：根据单斜岩层的地质界线集合stralines，基于morphing，插值生成岩层面集合layerpolygon中所有岩层面的插值点集合morphingpoints；

(6)单斜岩层构造地貌实体三维模型构建：根据岩层面集合layerpolygon、断层层面集合faultpolygon和插值点集合morphingpoints，采用逐点插入法，生成岩层层面tin、岩层侧面tin和断层层面tin，缝合后得到单斜岩层构造地貌的实体三维模型。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2-1)地质层面界线分段：对于地质界线集合stralines中任意一条地质界线li1，遍历li1上所有点，并根据点的产状，将产状一致且连续的一组点按序合并生成一条非过渡型层面界线线段，其中，i1＝1,2,3,...,m；

(2-2)较小线段合并：将岩层产状连续变化小于预设阈值的相邻岩层地质界线合并成一条过渡型层面界线线段，并将得到的所有非过渡型层面界线线段和过渡型层面界线线段保存至岩层层面界线线段集合segelines＝{sli4|i4＝1,2,3,...,m2}中；其中，sli4表示第i4条岩层层面界线线段，m2表示岩层层面界线线段条数；

(2-3)产状要素设置：获取集合segelines中所有类型为过渡型层面界线线段的线段，并将其左端点的产状设置为与之相邻的上一条线段右端点的产状，右端点的产状设置为与之相邻的下一条线段左端点的产状。

进一步的，步骤(3)具体包括：

(3-1)岩层产状推演：根据岩层层面界线线段集合segelines，采用单斜岩层产状推演方法，得到产状推演点集合decpoints＝{dpi5|i5＝1,2,3,...,n2}，其中，dpi5表示第i5个产状推演点，n2表示推演点个数；

(3-2)推演界线构建：遍历产状推演点集合decpoints中所有的产状推演点，根据岩层层面界线线段与推演点的对应关系，按照推演点高程，从大到小合并推演点，生成推演界线，并保存至推演界线集合declines＝{dli6|i6＝1,2,3,...,m3}中，其中，dli6表示第i6条推演界线，m3表示推演界线条数；

(3-3)层面界线线段构建：连接推演界线集合declines中任意两个相邻推演界线的末端点，生成岩层下层面界线线段和地质侧面界线；并将岩层下层面界线线段保存至岩层下层面界线线段集合layersegelines＝{lsli7|i7＝1,2,3,...,m4}，将地质侧面界线保存至地质侧面界线集合besidelayerlines＝{blli8|i8＝1,2,3,...,m5}；其中，lsli7表示第i7条层面界线线段，m4表示线段条数，blli8表示第i8条地质侧面界线，m5表示地质侧面界线条数；

(3-4)岩层边界界线确定：根据地质界线集合stralines、岩层下层面界线线段集合layersegelines，基于岩层层面界线与地质界线的对应关系，按序合并层面界线线段，生成岩层上下层面边界界线，并保存至地质层面界线集合layerlines＝{lli9|i9＝1,2,3,...,m6}，其中，lli9表示第i9条岩层地质层面界线，m6表示地质层面界线条数；

(3-5)岩层边界界面确定：根据地质界线集合stralines、地质层面界线集合layerlines和地质侧面界线集合besidelayerlines，基于单斜岩层与岩层层面的对应关系，按序合并组成岩层层面地质界线，生成岩层上下层面，再基于单斜岩层与岩层侧面的对应关系，按序合并组成岩层侧面的地质界线，生成岩层左右侧面和埋藏底侧面，将所述岩层上下层面和左右侧面以及埋藏底侧面保存至岩层面集合layerpolygon＝{lpi10|i10＝1,2,3,...,m7}，其中，lpi10表示第i10个岩层面，m7表示岩层面个数。

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)基于morphing的层面分块插值点生成：读取地质界线集合stralines中的任意一条地质界线li1，遍历所有由li1划分得到的岩层层面界线线段，设置该线段、左侧推演界线和右侧推演界线分别为首约束线、起始界线和目标界线，采用三维morphing中的三边描述法，生成岩层面的分块插值点，其中，i1＝1,2,3,...,m；

(5-2)岩层面插值点生成：按照岩层面与分块插值点的对应关系，合并属于同一个岩层面的所有分块插值点，得到岩层面的插值点并保存至岩层面插值点集合morphingpoints＝{mpi10|i10＝1,2,3,...,m7}，其中，mpi10表示岩层面lpi10的插值点，m7表示岩层面个数。

进一步的，步骤(6)具体包括：

(6-1)岩层面tin构建：根据岩层面集合layerpolygon和岩层面插值点集合morphingpoints，分别以单斜岩层上下层面、左右侧面、埋藏底侧面为约束范围，以该岩层面的层面插值点为数据源，采用逐点插入法，构建单斜岩层的上下层面、左右侧面、埋藏底侧面的tin(不规则三角形)；

(6-2)岩层出露前侧面tin构建：首先，将单斜岩层dem数据转换成等高线数据，再遍历岩层面集合layerpolygon中的所有出露前侧面，并根据出露前侧面裁剪等高线得到裁剪后等高线数据；然后，提取等高线中的点数据；最后，以出露前侧面为约束范围，以提取的点数据为数据源，采用逐点插入法，构建岩层出露前侧面的tin；

(6-3)断层层面tin构建：遍历断层层面集合faultpolygon中所有的断层层面，基于断层层面和岩层侧面插值点对应关系，采用逐点插入法，构建断层层面tin；

(6-4)缝合单斜岩层的上下层面tin、左右侧面tin、埋藏底侧面tin、出露前侧面的tin、断层层面tin，得到单斜岩层构造地貌的实体三维模型。

有益效果：本发明以单斜岩层构造地貌实体为研究对象，提供一种单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法，该方法基于知识驱动，以数字地质图和dem数据为建模数据源，在单斜岩层的几何特征约束下，能够构建出更精确的三维模型。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是南京市紫金山地形地质图；

图3是处理后南京紫金山数字地形地质图；

图4是南京紫金山dem数据图；

图5是南京紫金山地质界线图；

图6是南京紫金山岩层层面界线线段图；

图7是单斜岩层边界确定示意图；

图8是南京紫金山岩层层面图；

图9是南京紫金山岩层侧面图；

图10是单斜岩层的岩层面构造示意图；

图11是南京紫金山断层层面图；

图12是岩层面插值点生成示意图；

图13是南京紫金山岩层面插值点生成示意图；

图14是南京紫金山岩层层面tin；

图15是南京紫金山岩层侧面tin；

图16是南京紫金山断层层面tin；

图17是南京紫金山单斜岩层构造地貌三维模型((a)为紫金山三维模型；(b)为右侧三维模型；(c)单个单斜岩层三维模型)。

具体实施方式

本实施例提供了一种单斜岩层构造地貌的实体三维模型构建方法，流程如图1所示。本实施例中以南京紫金山作为研究区域，南京紫金山是单斜岩层构造地貌中典型的单面山。选取坐标系为南京92地方坐标系、比例尺为1：50000的南京市紫金山区域的地形地质图(图2)，图中共有5组单斜岩层，岩层产状从左到右有较为明显的变化，有3处断层，断层线为岩层侧面边界。将其矢量化，得到数字地形地质图(图3)。由于紫金山最上层岩层(黄马青组)受侵蚀严重，缺少岩层上岩层界线，因此无法构建该岩层模型，因此只能构建下面4组单斜岩层的模型；象山群上段和中段被全新统和葛村组覆盖，为方便建模，按照岩层界线的变化趋势，将地质界线进行了横向延伸，得到完整的地形地质图。因此，本实施例图3和图4等数据作为实验数据，知识驱动的单斜岩层构造地貌实体三维建模方法具体包括如下步骤：

(1)单斜岩层产状计算：根据单斜岩层地质图和dem数据，计算单斜岩层产状，得到单斜岩层的地质界线集合stralines＝{li1|i1＝1,2,3,...,m}和产状集合occpoints＝{opi2|i2＝1,2,3,...,n}；其中，li1表示第i1条地质界线，m表示地质界线条数，opi2表示第i2个产状，n表示产状个数。

其中，计算产状采用李安波等于2017发表的名称为《一种地表出露岩层产状的自适应判定方法》中的方法。本实施例中，共提取26条地质界线(10条为岩层层面界线)，得到794个产状点数据(图5)。

(2)单斜岩层界线分段：根据岩层产状集合occpoints，将地质界线集合中的地质界线划分为若干产状一致的岩层层面界线线段，形成岩层层面界线线段集合segelines。具体包括以下步骤：

(2-1)地质层面界线分段：对于地质界线集合stralines中任意一条地质界线li1，遍历li1上所有点，并根据点的产状，将产状一致且连续的一组点按序合并生成一条非过渡型层面界线线段，其中，i1＝1,2,3,...,m；

(2-2)较小线段合并：将岩层产状连续变化小于预设阈值的相邻岩层地质界线合并成一条过渡型层面界线线段，并将得到的所有非过渡型层面界线线段和过渡型层面界线线段保存至岩层层面界线线段集合segelines＝{sli4|i4＝1,2,3,...,m2}中；其中，sli4表示第i4条岩层层面界线线段，m2表示岩层层面界线线段条数；

(2-3)产状要素设置：获取集合segelines中所有类型为过渡型层面界线线段的线段，并将其左端点的产状设置为与之相邻的上一条线段右端点的产状，右端点的产状设置为与之相邻的下一条线段左端点的产状。本实施例中，得到44条层面界线线段(图6)，其中有17条过渡界线。

(3)单斜岩层边界确定：根据所述岩层层面界线线段集合segelines，采用产状推演方法，推演得到产状推演点集合，再根据产状推演点集合确定岩层层面和岩层侧面，并保存至岩层面集合layerpolygon中。该步骤具体包括以下步骤：

(3-1)岩层产状推演：根据岩层层面界线线段集合segelines，采用单斜岩层产状推演方法，得到产状推演点集合decpoints＝{dpi5|i5＝1,2,3,...,n2}，其中，dpi5表示第i5个产状推演点，n2表示推演点个数；如图7(a)所示；

(3-2)推演界线构建：遍历产状推演点集合decpoints中所有的产状推演点，根据岩层层面界线线段与推演点的对应关系，按照推演点高程，从大到小合并推演点，生成推演界线，并保存至推演界线集合declines＝{dli6|i6＝1,2,3,...,m3}中，其中，dli6表示第i6条推演界线，m3表示推演界线条数；如图7(b)所示，本实施例中，得到88条单斜岩层产状推演界线；

(3-3)层面界线线段构建：连接推演界线集合declines中任意两个相邻推演界线的末端点，生成岩层下层面界线线段和地质侧面界线；并将岩层下层面界线线段保存至岩层下层面界线线段集合layersegelines＝{lsli7|i7＝1,2,3,...,m4}，将地质侧面界线保存至地质侧面界线集合besidelayerlines＝{blli8|i8＝1,2,3,...,m5}；其中，lsli7表示第i7条层面界线线段，m4表示线段条数，blli8表示第i8条地质侧面界线，m5表示地质侧面界线条数；如图7(c)所示，本实施例中，得到44条层面界线线段和16条地质侧面界线；

(3-4)岩层边界界线确定：根据地质界线集合stralines、岩层下层面界线线段集合layersegelines，基于岩层层面界线与地质界线的对应关系，按序合并层面界线线段，生成岩层上下层面边界界线，并保存至地质层面界线集合layerlines＝{lli9|i9＝1,2,3,...,m6}，其中，lli9表示第i9条岩层地质层面界线，ma表示地质层面界线条数；如图7(d)所示，本实施例中，得到8组单斜岩层的60条地质界线；

(3-5)岩层边界界面确定：根据地质界线集合stralines、地质层面界线集合layerlines和地质侧面界线集合besidelayerlines，基于单斜岩层与岩层层面的对应关系，按序合并组成岩层层面地质界线，生成岩层上下层面(如图7(e)所示)，再基于单斜岩层与岩层侧面的对应关系，按序合并组成岩层侧面的地质界线，生成岩层左右侧面和埋藏底侧面(如图7(f)所示)，将所述岩层上下层面和左右侧面以及埋藏底侧面保存至岩层面集合layerpolygon＝{lpi10|i10＝1,2,3,...,m7}，其中，lpi10表示第i10个岩层面，m7表示岩层面个数。本实施例中，得到8组单斜岩层的岩层层面(图8)和岩层侧面(图9)。本步骤中所采用的单斜岩层的岩层面构造如图10所示。

(4)断层层面边界确定：根据确定的岩层侧面，按序合并生成断层层面，并保存至断层层面集合faultpolygon＝{fpi3|i3＝1,2,3,...,m0}；本实施例中，得到紫金山中3个断层的断层层面(图11)。

(5)岩层面插值点生成：根据单斜岩层的地质界线集合stralines，基于morphing，插值生成岩层面集合layerpolygon中所有岩层面的插值点集合morphingpoints。具体包括：

(5-1)基于morphing的层面分块插值点生成：读取地质界线集合stralines中的任意一条地质界线li1，遍历所有由li1划分得到的岩层层面界线线段，设置该线段、左侧推演界线和右侧推演界线分别为首约束线(fc)、起始界线(src)和目标界线(dest)，如图12(a)所示，采用三维morphing中的三边描述法，生成岩层面的分块插值点，其中，i1＝1,2,3,...,m；

(5-2)岩层面插值点生成：按照岩层面与分块插值点的对应关系，合并属于同一个岩层面的所有分块插值点，得到岩层面的插值点并保存至岩层面插值点集合morphingpoints＝{mpi10|i10＝1,2,3,...,m7}，其中，mpi10表示岩层面lpi10的插值点，m7表示岩层面个数。最终得到上下层面和左右侧面插值点，如图12(b)所示。本实施例中，得到10组单斜岩层层面插值点和15组单斜岩层侧面插值点(图13)；

(6)单斜岩层构造地貌实体三维模型构建：根据岩层面集合layerpolygon、断层层面集合faultpolygon和插值点集合morphingpoints，采用逐点插入法，生成岩层层面tin、岩层侧面tin和断层层面tin，缝合后得到单斜岩层构造地貌的实体三维模型。具体包括：

(6-1)岩层面tin构建：根据岩层面集合layerpolygon和岩层面插值点集合morphingpoints，分别以单斜岩层上下层面、左右侧面、埋藏底侧面为约束范围，以该岩层面的层面插值点为数据源，采用逐点插入法，构建单斜岩层的上下层面、左右侧面、埋藏底侧面的tin(不规则三角形)；

(6-2)岩层出露前侧面tin构建：首先，将单斜岩层dem数据转换成等高线数据，再遍历岩层面集合layerpolygon中的所有出露前侧面，并根据出露前侧面裁剪等高线得到裁剪后等高线数据；然后，提取等高线中的点数据；最后，以出露前侧面为约束范围，以提取的点数据为数据源，采用逐点插入法，构建岩层出露前侧面的tin；本实施例中，得到8组单斜岩层的岩层层面(图14)和岩层侧面(图15)，

(6-3)断层层面tin构建：遍历断层层面集合faultpolygon中所有的断层层面，基于断层层面和岩层侧面插值点对应关系，采用逐点插入法，构建断层层面tin；本实施例中，得到3个紫金山断层层面tin(图16)

(6-4)缝合单斜岩层的上下层面tin、左右侧面tin、埋藏底侧面tin、出露前侧面的tin、断层层面tin，得到单斜岩层构造地貌的实体三维模型，如图17所示。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。