一种三维地质分析预测模型构建方法与流程

1.本发明涉及地质三维模型构建的技术领域，尤其涉及一种三维地质分析预测模型构建方法。


背景技术：

2.目前，电力、市政等工程中地勘数据获取成本高，且由于地勘费用限制，通常难以获取实际工程全部地勘资料，只能按所获取地质信息最不利情况建设，裕度较大，致使建设成本过高，同时导致构建的三维地质模型与真实地质相比存在较大差异。此外，通常采用“一工程一地勘”方式，历史地勘数据积累较多，缺乏再利用途径。


技术实现要素：

3.本发明主要解决原有的三维地质模型构建方法构建的三维地质模型与真实地质相比存在较大差异的技术问题；提供一种三维地质分析预测模型构建方法，将钻孔数据三角化分组，将钻孔数据中的离散点关联起来，提高了钻孔数据的有效利用率，采用尖灭处理和插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度。
4.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
5.s1、获取三维地质模型构建区域的钻孔数据；
6.s2、将钻孔数据三角化分组，形成初始三角网；
7.s3、根据尖灭处理规则对初始三角网进行尖灭处理，生成尖灭处理三角网；
8.s4、对尖灭处理三角网进行插值加密处理，生成自适应插值加密处理三角网；
9.s5、对自适应插值加密处理三角网进行交错层叠形成地层，获取地层集合，生成三维地质分析预测模型；
10.s6、对三维地质分析预测模型进行精度校验，若精度不合格，则跳转至步骤s1，反之，则步骤s5生成的三维地质分析预测模型即为最终模型。
11.以三维地质模型构建区域的钻孔数据为建模基础，将钻孔数据三角化分组，将钻孔数据中的离散点关联起来，提高了钻孔数据的再利用率，降低了地质勘测的成本；采用尖灭处理和插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度，在这基础上提高了后续电力、市政等工程的设计精准度，对电力、市政等工程的整体工程造价起到了优化作用，也提高了工程的施工效率。
12.作为优选，所述的步骤s2具体包括：
13.s21、将钻孔数据中的离散点按x坐标升序排列，若x坐标相等则按y坐标升序排列，构成点集；
14.s22、创建辅助三角形并将辅助三角形加入工作三角网，所述辅助三角形包含所有离散点；
15.s23、取点集中的第一个点作为插入点，并将其从点集中删除；
16.s24、计算工作三角网中各个三角形的外接圆的半径和圆心的x坐标，若三角形的外接圆圆心的x坐标加上半径后的值小于插入点的x坐标，则判定三角形的外接圆位于插入点左侧，在外接圆位于插入点左侧的三角形中进行筛选，筛选出不包含辅助三角形顶点的三角形，将筛选出的三角形移出工作三角网后移入结果三角网；
17.s25、计算工作三角网中各个三角形的外接圆的半径和圆心的x坐标，若三角形的外接圆圆心的x坐标加上半径后的值大于等于插入点的x坐标，则判定三角形的外接圆包含插入点，将外接圆包含插入点的三角形的边放入边集中，删除边集中重复出现的边，将插入点与边集中的每条边相连，形成三角形并移入工作三角网；
18.s26、判断点集是否为空集，若不是空集，则跳转至步骤s23，反之，则跳转至步骤s27；
19.s27、将工作三角网中不包含辅助三角形顶点的三角形移入结果三角形网中，即形成初始基网。
20.将所有离散点按x坐标排序以后，依此次序插入，如果三角形的外接圆在插入点的左边，即外接圆圆心的x坐标加上半径仍然小于插入点的x坐标，那么这个三角形的外接圆必定不包含以后的插入点，可以直接将其放入结果三角网中，以后再做插入测试时可以减少测试次数，大大减少了测试离散点是否在三角形外接圆内的次数，提高了建模效率。
21.作为优选，所述的步骤s3具体包括：
22.遍历初始三角网中所有的三角形边，根据尖灭处理规则，在尖灭点处构建地层尖灭处理虚拟钻孔。
23.作为优选，所述的步骤s4具体包括：
24.s41、计算加密级别:
25.尖灭处理三角网各个三角形的加密因子为其中l为三角形最长边的边长，h为最长边上的高，s为三角形的面积，为三角形的形状与正三角形的相似度，α为可调节权重，α越小表示加密因子越容易受三角形面积大小的影响，α越大表示加密因子越容易受三角形的形状与正三角形的相似度的影响，加密因子越高所表示的加密等级就越高；
26.s42、对尖灭处理三角网进行加密处理，形成加密三角网；
27.s43、采用插值算法计算各加密点的高程坐标；
28.s44、生成自适应插值加密处理三角网。
29.由于工程钻探的成本较高，在一个特定的研究区域，往往只能获取有限数目的钻孔数据，且分布极不均匀，直接利用这些原始的采样点数据而不作任何加工处理，不可能实现构建一个精确完整的实体模型的目标，因此采用插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度。对三角网中的每个三角形根据面积大小及形状是否接近正三角形确定不同的加密级别，避免了模型数据冗余或模型过于生硬失真的问题。
30.作为优选，所述的插值算法包括线性插值法、距离权重法和样条曲面法。
31.样条曲面法中的样条函数的次数低，且有一定的光滑性，在三维地质模型的插值
中适用于钻孔数据比较均匀且不是很稀疏的情况；距离权重法在三维地质建模中一般用于中小规模的散乱点模拟；线性插值法适用于数据量巨大，对三维逼真程度要求不高的场合。
32.作为优选，所述的尖灭处理三角网各个三角形的加密级别取2的幂次。
33.防止在尖灭处理三角网的加密过程中，因相邻三角形的加密级别不相等导致相邻边上出现“裂缝”。
34.作为优选，所述的步骤s42形成加密三角网的过程中：当相邻三角形的加密级别不相等时，只需对加密级别更高的三角形进行加密处理。
35.防止在尖灭处理三角网的加密过程中，因相邻三角形的加密级别不相等导致相邻边上出现“裂缝”。
36.作为优选，所述的步骤s5具体包括：
37.s51、构建初始三角网中三角形所映射的广义三棱柱集合；
38.s52、构建边
‑
三角形和边
‑
三棱柱的映射关系，并将广义三棱柱集合中的所有广义三棱柱的初始状态设为成功；
39.s53、从初始三角网中随机抽取三角形，筛选出三角形所映射的广义三棱柱集合中状态为成功且未处理的三棱柱，获取状态为成功且未处理的三棱柱中最顶层的三棱柱，并对最顶层的三棱柱的下表面进行种子法搜索，搜索所有未处理且状态为成功的三棱柱下表面，得到属于同一种地质属性的三角网；
40.s54、利用广义三棱柱的拓扑映射惯性得到属于同一种地质属性的三角网中各个三角形所在广义三棱柱的上表面；
41.s55、将上下表面的边界缝合连接即可形成地层；
42.s56、重复步骤s51～s55，得到地层集合，将地层集合中的地层根据形成年代从新到旧依次从上到下进行拼接组合，生成三维地质分析预测模型。
43.作为优选，所述的步骤s6具体包括：
44.s61、计算模型中每一层地层所对应的真实钻孔数据和模拟钻孔数据的对比度：当每一层地层真实钻孔测得的土层性质与虚拟钻孔测得的土层性质不同时，对比度为p
i
＝0；当每一层地层真实钻孔测得的土层性质与虚拟钻孔测得的土层性质相同时，对比度为其中，α，β，η为权重值，且均小于1，d
imax
为真实钻孔测得的地层最大层厚，d
imin
为真实钻孔测得的地层最小层厚，为真实钻孔测得的地层平均层厚，d
imax
为虚拟钻孔测得的地层最大层厚，d
imin
为虚拟钻孔测得的地层最小层厚，为虚拟钻孔测得的地层平均层厚，i为地层的层数；
45.s62、计算模型中真实钻孔数据和模拟钻孔数据的对比度若p大于设定值，则则步骤s5生成的三维地质分析预测模型即为最终模型，反之，则调准步骤s1。
46.对生成三维地质分析预测模型进行精度校验，进一步保证了模型的精度。
47.本发明的有益效果是：
48.1)以三维地质模型构建区域的钻孔数据为建模基础，将钻孔数据三角化分组，将
钻孔数据中的离散点关联起来，提高了钻孔数据的再利用率，降低了地质勘测的成本；
49.2)采用尖灭处理和插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度，在这基础上提高了后续电力、市政等工程的设计精准度，对电力、市政等工程的整体工程造价起到了优化作用，也提高了工程的施工效率；
50.3)将所有离散点按x坐标排序以后，依此次序插入，如果三角形的外接圆在插入点的左边，即外接圆圆心的x坐标加上半径仍然小于插入点的x坐标，那么这个三角形的外接圆必定不包含以后的插入点，可以直接将其放入结果三角网中，以后再做插入测试时可以减少测试次数，大大减少了测试离散点是否在三角形外接圆内的次数，提高了建模效率；
51.4)对三角网中的每个三角形根据面积大小及形状是否接近正三角形确定不同的加密级别，避免了模型数据冗余或模型过于生硬失真的问题；
52.5)对生成三维地质分析预测模型进行精度校验，进一步保证了模型的精度。
附图说明
53.图1是本发明的一种方法流程图。
54.图2是三角形加密处理过程图。
55.图3是相邻三角形的相邻边上产生“裂缝”的结构示意图。
56.图4是“裂缝”缝合处理过程图。
具体实施方式
57.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
58.实施例：本实施例的一种三维地质分析预测模型构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
59.s1、获取三维地质模型构建区域的钻孔数据，钻孔数据包括
①
钻孔的开孔坐标、方位、倾角等工程空间位置数据，
②
钻孔所揭示的岩层的岩性、产状，
③
样品分析数据，
④
各种图件；
60.s2、将钻孔数据三角化分组，形成初始三角网；
61.s3、根据尖灭处理规则对初始三角网进行尖灭处理，生成尖灭处理三角网；
62.s4、对尖灭处理三角网进行插值加密处理，生成自适应插值加密处理三角网；
63.s5、对自适应插值加密处理三角网进行交错层叠形成地层，获取地层集合，生成三维地质分析预测模型；
64.s6、对三维地质分析预测模型进行精度校验，若精度不合格，则跳转至步骤s1，反之，则步骤s5生成的三维地质分析预测模型即为最终模型。
65.将钻孔数据三角化分组，将钻孔数据中的离散点关联起来，提高了钻孔数据的有效利用率，采用尖灭处理和插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度，在这基础上提高了后续电力、市政等工程的设计精准度，对电力、市政等工程的整体工程造价起到了优化作用，也提高了工程的施工效率。
66.步骤s2具体包括：
67.s21、将钻孔数据中的离散点按x坐标升序排列，若x坐标相等则按y坐标升序排列，构成点集；
68.s22、创建辅助三角形并将辅助三角形加入工作三角网，所述辅助三角形包含所有离散点；
69.s23、取点集中的第一个点作为插入点，并将其从点集中删除；
70.s24、计算工作三角网中各个三角形的外接圆的半径和圆心的x坐标，若三角形的外接圆圆心的x坐标加上半径后的值小于插入点的x坐标，则判定三角形的外接圆位于插入点左侧，在外接圆位于插入点左侧的三角形中进行筛选，筛选出不包含辅助三角形顶点的三角形，将筛选出的三角形移出工作三角网后移入结果三角网；
71.s25、计算工作三角网中各个三角形的外接圆的半径和圆心的x坐标，若三角形的外接圆圆心的x坐标加上半径后的值大于等于插入点的x坐标，则判定三角形的外接圆包含插入点，将外接圆包含插入点的三角形的边放入边集中，删除边集中重复出现的边，将插入点与边集中的每条边相连，形成三角形并移入工作三角网；
72.s26、判断点集是否为空集，若不是空集，则跳转至步骤s23，反之，则跳转至步骤s27；
73.s27、将工作三角网中不包含辅助三角形顶点的三角形移入结果三角形网中，即形成初始基网。
74.将所有离散点按x坐标排序以后，依此次序插入，如果三角形的外接圆在插入点的左边，即外接圆圆心的x坐标加上半径仍然小于插入点的x坐标，那么这个三角形的外接圆必定不包含以后的插入点，可以直接将其放入结果三角网中，以后再做插入测试时可以减少测试次数，大大减少了测试离散点是否在三角形外接圆内的次数，提高了建模效率。
75.步骤s3具体包括：
76.遍历初始三角网中所有的三角形边，根据尖灭处理规则，在尖灭点处构建地层尖灭处理虚拟钻孔。
77.步骤s4具体包括：
78.s41、计算加密级别:
79.尖灭处理三角网各个三角形的加密因子为其中l为三角形最长边的边长，h为最长边上的高，s为三角形的面积，为三角形的形状与正三角形的相似度，α为可调节权重，α越小表示加密因子越容易受三角形面积大小的影响，α越大表示加密因子越容易受三角形的形状与正三角形的相似度的影响，加密因子越高所表示的加密等级就越高；
80.在上述计算的过程中可以利用将加密因子改成又因为α是一个不具有绝对意义的可调节权重，因此加密因子可以直接写成避免了求三角形的高h，从而大大提高了计算效率；
81.s42、对尖灭处理三角网进行加密处理，形成加密三角网，加密处理包括从内部分裂和从边分裂，如图2所示，其中(a)为从内部分裂，从内部分裂指把原始三角形的内部的一个点与三角形的三个顶点相连接，把原始三角形分为三个子三角形，对于子三角形可以依据需要，递归分解，其中(b)为从边分裂，从边分裂指在边上选取分裂点，将三角形的三条边
n等分，对应连接各个等分点，得到n2个子三角形；
82.s43、采用插值算法计算各加密点的高程坐标，插值算法包括线性插值法、距离权重法和样条曲面法，样条曲面法中的样条函数的次数低，且有一定的光滑性，在三维地质模型的插值中适用于钻孔数据比较均匀且不是很稀疏的情况，距离权重法在三维地质建模中一般用于中小规模的散乱点模拟，线性插值法适用于数据量巨大，对三维逼真程度要求不高的场合，在本实施例中优选样条曲面法；
83.s44、生成自适应插值加密处理三角网。
84.由于工程钻探的成本较高，在一个特定的研究区域，往往只能获取有限数目的钻孔数据，且分布极不均匀，直接利用这些原始的采样点数据而不作任何加工处理，不可能实现构建一个精确完整的实体模型的目标，因此采用插值加密处理，能够使构建的三维地质体模型能够最大程度地拟合空间实体，大大提高了模型的精度。对三角网中的每个三角形根据面积大小及形状是否接近正三角形确定不同的加密级别，避免了模型数据冗余或模型过于生硬失真的问题。
85.在尖灭处理三角网的加密过程中，除原始三角形坐标由钻孔数据获得，其他顶点数据均由插值得到，因此当相邻三角形的加密级别不相等时，在相邻边上可能会出现“裂缝”，如图3所示，上三角形的加密级别为4，下三角形的加密级别为2，l即为“裂缝”，为了能更好地缝合“裂缝”，一般限制三角形的加密级别只能取2的幂次(如2，4，8
……
)，当相邻三角形的加密级别不相等时，只需对加密级别更高的那个三角形处理即可。
86.对于“裂缝”的缝合，依次处理尖灭处理三角网中的每一个三角形，将待处理的三角形称为目标三角形。考察目标三角形的加密级别及其三条边上的三个相邻三角形的加密级别，分为7种情况：
①
目标三角形的加密级别为0；
②
目标三角形的加密级别为2，且三个相邻三角形的加密级别都大于等于2；
③
目标三角形的加密级别为2，且至少有一个相邻三角形加密级别小于2；
④
目标三角形的加密级别大于2,且三个相邻三角形的加密级别都大于等于目标三角形；
⑤
目标三角形的加密级别大于2，且只有一个相邻三角形的加密级别小于目标三角形；
⑥
目标三角形的加密级别大于2，且有两个相邻三角形的加密级别小于目标三角形；
⑦
目标三角形的加密级别大于2，且三个相邻三角形的加密级别都小于目标三角形。
87.对“裂缝”的具体的缝合过程见图4，对于情况
①②④
，将目标三角形按其加密级别进行细分；对于情况
③
，将目标三角形的加密级别改为0；对于情况
⑤⑥⑦
，对目标三角形中靠近公共边的细分三角形进行重构，以情况
⑥
为例，阐述如下：记目标三角形a的加密级别为m，对于与两个加密级别小于目标三角形的相邻三角形的公共边l1，l2，重构目标三角形中与l1、l2相邻的细分三角形，由于三角形的加密级别都是2的幂，所以相邻三角形对公共边的等分点在a中也是等分点，在a中取以相邻三角形在公共边上的各个等分线段为底边的最小梯形，将梯形内的细分三角形删除，连接梯形的下底边上的一个顶点与上底边上的每一个细分点，使梯形重新分解为多个三角形，如果该梯形包含了原始大三角形的顶点，则要选择该顶点与上底边的细分点相连。
88.步骤s5具体包括：
89.s51、构建初始三角网中三角形所映射的广义三棱柱集合；
90.s52、构建边
‑
三角形和边
‑
三棱柱的映射关系，并将广义三棱柱集合中的所有广义三棱柱的初始状态设为成功；
91.s53、从初始三角网中随机抽取三角形，筛选出三角形所映射的广义三棱柱集合中状态为成功且未处理的三棱柱，获取状态为成功且未处理的三棱柱中最顶层的三棱柱，并对最顶层的三棱柱的下表面进行种子法搜索，搜索所有未处理且状态为成功的三棱柱下表面，得到属于同一种地质属性的三角网；
92.s54、利用广义三棱柱的拓扑映射惯性得到属于同一种地质属性的三角网中各个三角形所在广义三棱柱的上表面；
93.s55、将上下表面的边界缝合连接即可形成地层；
94.s56、重复步骤s51～s55，得到地层集合，将地层集合中的地层根据形成年代从新到旧依次从上到下进行拼接组合，生成三维地质分析预测模型。
95.步骤s6具体包括：
96.s61、计算模型中每一层地层所对应的真实钻孔数据和模拟钻孔数据的对比度：当每一层地层真实钻孔测得的土层性质与虚拟钻孔测得的土层性质不同时，对比度为p
i
＝0；当每一层地层真实钻孔测得的土层性质与虚拟钻孔测得的土层性质相同时，对比度为其中，α，β，η为权重值，且均小于1，d
imax
为真实钻孔测得的地层最大层厚，d
imin
为真实钻孔测得的地层最小层厚，为真实钻孔测得的地层平均层厚，d
imax
为虚拟钻孔测得的地层最大层厚，d
imin
为虚拟钻孔测得的地层最小层厚，为虚拟钻孔测得的地层平均层厚，i为地层的层数；
97.s62、计算模型中真实钻孔数据和模拟钻孔数据的对比度若p大于设定值，则则步骤s5生成的三维地质分析预测模型即为最终模型，反之，则调准步骤s1。
98.对生成三维地质分析预测模型进行精度校验，进一步保证了模型的精度。