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三维地质建模中地层错断处自动构建的新方法
2011-07-26
针对断层等因素破坏了地层连续性形成的地层错断而造成钻孔控制数据缺失情况,以及 现有地层错断处三维建模方法的不足,基于广义三棱柱( GTP) 提出一种新的处理方法———局部 虚拟建模钻孔法( LVMB) . 该方法主要分为3 步进行: ① 确定需要在之间插入LVMB 的2 个界 限三角形; ② 在这2 个界限三角形相应的3 条边之间自动插入LVMB; ③ 构建2 个界限三角形 之间的地层模型. 实验表明,该方法能够相对准确地自动进行地层错断处的三维建模,扩展基于 GTP 体元三维地质建模的适用范围
第 卷 第 期 月 煤 炭 学 报 年 文 章 编号 � � � 三 维 地 质 建 模 中 地 层 错断 处 自 动 构 建 的 新 方法 车 德 福 , 吴 立 新 , 殷 作如 � 东北大学 测 绘 遥 感 与 数 字矿 山 研 究 所 , 辽 宁 沈 阳 � 开 滦 �集 团 � 有 限 责 任 公 司 , 河 北 唐 山 � 摘 要 � 针 对 断层 等因 素 破 坏 了 地 层 连 续 性 形 成 的 地 层 错 断而 造 成 钻 孔 控 制 数 据 缺 失 情 况 , 以 及 现 有 地 层 错 断处 三维 建模 方法 的 不 足 , 基 于 广 义 三棱 柱 虚 拟 建模 钻 孔 法 该 方法 主 要 分为 步 进 行 � 个 界 限 三角 形 相 应 的 条 边 之 间 自 动 插 入 实 验 表明 , 该 方法 能 够 相 对 准 确 地 自 动 进 行 地 层 错 断处 的 三维 建模 , 扩 展 基 于 � � 提 出 一 种 新 的 处 理 方法 局 部 个 界 � � 确 定 需要 在 之 间 插 入 的 限 三角 形 � 在 这 � 构 建 个 界 限 三角 形 之 间 的 地 层 模 型 体 元 三维 地 质 建模 的 适 用 范 围 关 键 词� 三维 地 质 建模 � 地 层 错 断� 广 义 三棱 柱 � �� 界 限 三角 形 � 数 字矿 山 中 图 分 类 号 � 文 献 标识 码 � , , � , , , � � � , , � � , , � � , � �, � � � , � � , , � � �� � � �� � 近 年 来 , 三 维 地 质 建 模 在 岩 土 工程 资源 环 境 调 查 矿 山 建 设 和 生产 城 市 规 划 防 灾 减 灾 设 计 等 领 [ ] 域 有 着 广 泛的 需 求 和 应 用 前 景 避免 不 同 专 业 背 景 工程 设 计 人 员 和 施工人 员 由 于 空 间 想 象 能 力 质 现 象 的 不 同 理 解 , 使 他 们 做 出 符 合地 质 现 象 分 布 规 律 的 工程 设 计 和 施工方 案 , 从而 减 少 人 类 对 地 质 问 题 通 过 三 维 地 质 模 型 , 可 以 非 常 直 观 地 显 示 地 质 体 的 空 间 形 态 与 分 布 , 理 解 能 力 和 工作 经 验 的 差 异 造成对 同 一 地 [ ] 认 识 的 盲目 性 以 及 地 下 工程 设 计 施工面 临 的 巨 大风 险 目 前 , 三 维 地 质 建 模 已 成为 国 内 外 研 究 的 热 [ ] 点 , 国 内 外 学 者 在 这 方 面 做 了 大量 的 研 究 , 提 出 的 空 间 数 据 模 型 主 要 有 三 棱 柱 模 型 � � 多层 收 稿 日 期 � 基 金 项 目 � 国 家 高 科 技 发 展 计 划 作者 简 介 � 车 德 福 �, 男 , 山 东海 阳 人 , 副 教 授 , 博 士 后 责 任 编辑 � 王 婉 洁 � � 基 金 资助 项 目 � � � � , � 煤 炭 学 报 年 第 卷 [ ] [ ] [ ] [ ] 四 面 体 模 型 � � 似 直 三 棱 柱 模 型 � � 广 义 三 棱 柱 模 型 � � 等 余 种 现 有 的 建 模 方 法 虽然 很 多, 但 没 有 一 种 数 据 模 型 适 用 各 种 地 质 条 件 可 以 把 各 种 地 质 体 完 美 地 表 示 出 来 , 尽 管 如 此, 模 型 因 其 直 接 基 于 钻 孔采 样 数 据 易 于 局 部 更 新 内 含 拓 扑 关 系 本文 以 与 模 型 充 分 耦 合 可 以 发 生退 化 等 优 势 , 在 真 三 维 地 学 建 模 中得 到了 越 来 越 广 泛的 应 用 作 为 基 本体 元 构 建 三 维 地 质 模 型 , 针 对 建 模 过 程 中由 于 断 层 等 因 素 引 起 的 地 层 错 断 处 构 建 方 法 展 开 研 究 , 提 出 了 局 部 虚 拟 建 模 钻 孔 � � 构 建 的 方 法 , 该 方 法 能 够 自动 地 相 对 准确 地 进 行 地 层 错 断 处 的 三 维 建 模 , 克 服 了 目 前 其 他 方 法 处 理 这 种 现 象 过 程 中交互 过 程 繁 琐 及 结 果 不 确 定 的 缺 陷 , 充 分 , 发 挥 体 元 在 三 维 地 质 建 模 的 优 势 , 扩 展 了 钻 孔数 据 建 模 的 适 用 范 围 和 表 现 能 力 数 据 模 型 空 间 数 据 模 型 是 课 题 组 针 对 钻 孔偏 斜 而 提 出 的 一 种 真 [ ] 地 学 建 模 的 体 元 模 型 如 图 个 侧 面 空 间 四 边 形 围 成, 几 何 要 素 包 含 结 侧 面 三 角 形 本文 规 定 所 有 的 所 示 , 它 由 上 下 不 一 定 平 行 的 个 三 角 形 和 点 边 顶底 面 三 角 形 体 元 �包 含 各 种 退 化 后 形 成的 体 元 � 都含 有 顶 底 面 三 角 形 元 素 通 过 顶 底 面 三 角 形 节 点 及 其 对 应 关 系 , 可 以 推 断 体 元 及 其 构 模 元 素 之 间 的 拓 扑 关 系 因 此, 确 定 了 顶 底 面 三 角 形 就 确 定 了 体 元 本身 , 顶 底 面 三 角 形 也 是 本文 断 层 三 图 单 元 的 组 成元 素 维 交互 建 模 方 法 的 重 要 参 照 因 素 之 一 局 部 虚 拟 建 模 钻 孔 法 � 引 入 的 必要 性 � 钻 孔资料是 研 究 地 质 环 境 和 成矿 规 律 最直 接 最重 要 的 资料之 一 , 以 为 基 本体 元 构 建 三 维 模 型 的 主 要 数 据 来 源 是 地 质 钻 孔资料 一 方 面 , 由 于 钻 探 的 成本较 高 , 在 一 个 研 究 区 域 , 往 往 只 能 获 取 有 限 的 钻 孔资料, 这 些 资料不 但 数 量 少 , 而 且 分 布 不 均 衡 � 另 一 方 面 , 钻 孔资料揭 示 , 地 层 分 层 参 数 只 在 该 钻 孔 [ ] 的 有 限 范 围 �直 径 �内 有 效 , 各 钻 孔之 间 并 无 相 应 的 关 联 参 数 在 这 些 有 限 的 局 部 的 零 散 的 钻 孔资料内 部 有 用 的 信 息 构 建 相 对 准确 的 地 质 模 型 探 作 为 手段 来 探 求 未知 地 质 信 息 而 获 得 的 资料, 钻 孔的 空 间 位 置 并 不 能 正 好 处 于 地 层 错 断 处 , 如 图 � � 所 示 � �是 一 种 含 断 层 的 地 质 体 , 由 于 断 层 的 存 在 , 切 断 了 地 层 的 连 续 性 , 在 断 层 上 盘 及 下 盘 钻 孔 与 钻 孔 揭 露 的 地 层 数 量 是 不 相 同 的 针 对 断 层 上 盘 而 言 , 钻 孔 揭 露 个 地 层 面 , 而 钻 孔 则 揭 露 有 个 地 层 面 , 根 据 地 质 构 造方 面 的 知 识 , 钻 孔 中的 地 层 面 分 别 沿各 自的 地 层 面 趋 势 延 伸 到断 层 面 上 点 , 但 在 钻 孔资料不 能 找到点 信 息 , 根 据 钻 孔资料只 能 构 出 类 似 图 � �中的 三 因 此三 维 地 质 建 模 就 需 要 充 分 挖掘 隐 藏 由 于 钻 孔资料是 用 钻 图 , , , , , , 图 地 层 的 错 断 第 期 车 德 福 等 � 三 维 地 质 建 模 中地 层 错 断 处 自动 构 建 的 新 方 法 维 地 层 模 型 目 前 有 多种 解 决方 法 , 如 采 用 特 定 的 空 间 插值方 法 人 工交互 修 正 已 建 立 的 地 质 模 型 引 入 虚 拟 钻 孔参 与 地 质 建 模 � � 空 间 插值方 法 对 于 类 似 图 , 利 用 一 些 特 定 的 插值方 法 进 行 插值以 内 这 些 插值方 法 有 自然 邻 点 插值 反 距 离 插值 克 里 格 插值 样 条 曲 面 插值等 突 变性 多解 性 � � 中地 层 面 , , [ ] 插或 外 推 地 层 面 这 些 插值方 法 大多可 以 自动 进 行 , 不 需 要 人 工干 预 , 但 没 有 考 虑 地 质 现 象 的 复 杂 性 些 插值方 法 根 据 钻 孔 很 难 相 对 准确 地 得 到断 层 面 上 的 点 , 也 就 不 能 正 确 地 处 理 由 于 断 层 存 在 地 层 错 断 处 的 三 维 建 模 � 人 工交互 修 正 已 建 立 的 地 质 模 型 通 过 这 和 , , � 利 用 现 有 的 钻 孔资料结 合建 模 者 地 质 构 造方 面 的 知 识 , 人 工 交互 修 正 建 立 的 地 质 模 型 , 这 种 方 法 虽然 可 以 建 立 相 对 准确 的 地 质 模 型 , 但 是 对 建 模 者 自身 的 地 质 知 识 背 景 要 求 较 严 , 另 一 方 面 对 建 立 复 杂 的 三 维 地 质 模 型 来 说 交互 量 太 大, 而 且 建 模 结 果 有 很 多的 不 确 定 性 � � 引 入 虚 拟 钻 孔参 与 地 质 建 模 成方 法 , 文 献 ] 基 于 人 工交互 方 法 , 提 出 了 三 维 地 层 建 模 的 虚 拟 钻 孔的 引 入 与 实 现 方 法 虚 拟 钻 孔有 如 下 特 点 � 该 虚 拟 钻 孔开 口于 地 表 面 , 贯 穿 建 模 区 每一 个 地 层 , 增 加 了 很 多不 必 要 的 插值 点 , 降 低 了 建 模 的 精 度 同 时 满 足地 层 错 断 处 的 三 维 建 模 , 断 层 的 上 下 盘 地 层 都需 要 插入 虚 拟 钻 孔, 如 � �所 示 , 在 断 层 面 处 都需 要 从地 表 面 贯 穿 建 区 插入 虚 拟 钻 孔, 这 些 虚 拟 钻 孔 之 间 可 能 存 在 相 互 影 响 的 情 况 , 引 起 钻 孔数 据 的 混 乱 , 使 地 质 建 模 无 法 进 行 这 些 虚 拟 钻 孔的 引 入 需 文 献 [ ] 在 改 进 三 棱 柱 建 立 的 地 质 模 型 中研 究 了 虚 拟 钻 孔的 生 [ 总结 引 入 图 , , , , , 要 人 工交互 插入 , 对 于 复 杂 的 地 质 体 尤 其 存 在 复 杂 断 层 的 情 况 , 交互 量 很 大, 很 难 保 证 统一 的 拓 扑 关 系 相 关 的 概 念 针 对 当前 对 地 层 错 断 处 三 维 建 模 的 处 理 方 法 的 不 足, 本文 提 出 一 种 定义 中的 任 一 三 角 形 为 岩 柱 体 , 设 钻 孔口形 成的 地 表 面 着 钻 孔向 下 扩 展 到钻 孔的 末 端 而 形 成一 个 柱 体 , 称 为 岩 柱 体 断 层 工程 体 等 自然 人 工实 体 定义 界 限 三 角 的 方 法 , 由 构 成 中 个 钻 孔点 沿 岩 柱 体 包 含 在 柱 体 范 围 内 所 有 的 地 层 形 , 孔 口 形 成 的 地 表 面 中 的 三 角 形 相 应 钻 孔末 端 点 形 成的 三 角 形 角 形 相 应 断 层 面 上 的 三 某 些 地 层 顶面 或 底 面 三 角 形 把 相 应 岩 柱 体 分 成多个 封 闭 的 区 域 , 这 些 三 角 形 称 作 界 限 三 角 形 , 图 生成局 部 虚 拟 钻 孔 如 图 所 示 定义 �, 岩 体 按照 一 定 的 规 则 被 界 限 三 角 形 分 区 成多个 封 闭 的 区 域 , 然 后 对 这 些 区 域 进 行 建 模 , 进 而 完 成整 个 建 模 区 的 建 模 , 这 种 建 模 方 法 称 为 岩 柱 体 分 区 建 模 法 定义 基 于 体 元 建 立 地 质 模 型 , 在 岩 柱 体 内 存 在 错 断 地 层 的 界 限 三 角 形 之 间 , 根 据 构 建 地 层 模 型 的 需 要 , 插入 假 想 性 质 的 辅 助 建 模 钻 孔, 这 些 钻 孔称 作 的 开 口与 未端 均 处 在 相 应 岩 柱 体 分 区 建 模 法 � 界 限 三 角 形 的 基 于 条 边 上 , 如 图 模 型 , 运 用 所 示 法 进 行 三 维 地 质 建 模 , 可 以 确 定 需 要 在 之 间 插入 的 个 界 限 三 角 形 , 具 体 方 法 请 参 照 文 献 [ ] 生 成 算 法 以 作 为 基 体 的 建 模 体 元 , 插入 算 法 符 合下 面 要 求 � 符 合 建 模 算 法 要 求 � 保 证 相 煤 炭 学 报 年 第 卷 邻 两 间 为 同 一 三 角 形 , 维 护 体 元 间 的 拓 扑 关 系 统一 � 插入 自动 进 行 � 个 界 限 三 角 形 的 代 表 形 式 , 数 字 为 要 插入 的 钻 孔 地 层 面 需 要 延 伸 到界 限 三 角 形 边 上 变量 定 义 设 界 限 三 角 形 相 应 , 存 贮 边 数 据 的 动 态 数 组 变量 设 计 的 算 法 要 适 用 各 种 情 况 , 满 足程 序 实 现 的 便 利 要 求 图 � �为 存 在 错 断 地 层 的 在 本例 中既 为 钻 孔上 地 层 面 的 编 号又 是 点 的 编 号, 有 和 共 计 图 个 地 层 面 , 钻 孔 有 共 个 地 层 面 , 显 然 钻 孔 中有 自动 生成的 主 要 算 法 描 述 如 下 � ] , 存 贮 节 点 数 据 的 动 态 数 组 变量 � �中 的 条 边 , 存 贮 已 建 和 [ 为 , , 钻 孔变量 为 点 法 式 平 面 的 动 态 数 组 变量 立 起 来 的 地 层 面 三 角 形 , 这 些 三 角 形 的 平 均 法 向 量 作 为 过 该 点 地 层 面 的 法 向 量 他 们 的 地 层 面 的 法 向 量 作 为 点 法 式 平 面 元 素 存 入 分 别 求 , 这 个 点 和 钻 孔 上 与 他 们 分 别 对 应 的 点 中每一 个 元 素 分 别 与 将 这 些 线 段 存 入 变量 分 别 求 变量 素 , 求 得 的 交点 按点 的 高 程 排序 构 成钻 孔加 入 钻 孔的 数 据 链 表 中 由 于 钻 孔 与 钻 孔 不 一 定 共 面 , 所 以 上 面 设 计 的 算 法 是 线 段 与 平 面 求 交来 计 算 的 , 而 不 是 线 计 算 过 点 钻 孔 上 点 的 地 层 面 的 法 向 量 搜 索 经 过 点 将 钻 孔 上 的 点 中 , 与 中的 每一 个 元 素 交点 , 得 方 向 向 量 为 法 向 量 作 点 , , , , , , , , 为 点 法 式 平 面 素 存 入 变量 中 , 求 交点 线 得 到线 段 中的 每一 个 元 素 与 变量 将 插入 的 , , , , 中 中所 有 元 孔口的 指 针 存 贮 到 边 中 段 与 线 段 求 交 插入 的 , 钻 孔孔口指 针 存 贮 在 上 界 限 三 角 形 的 边 上 , 这 样 就 可 通 过 界 限 三 角 形 的 条 边 的 孔口指 针 可 以 追 踪 出 全 部 的 , 为 下 一 步 三 维 建 模 做 好 准备 地 层 错断 处 自 动 构 建 方法 生成后 , 含 错 断 地 层 的 上 界 面 三 角 形 的 个 顶点 和 插入 的 孔口点 按 法 则 生成不 规 则 三 角 网 � �, 逐 个 将 中的 三 角 形 按照 地 层 构 造的 知 识 沿钻 孔向 下 扩 展 生成 , 为 此提 出 地 层 三 维 构 造知 识 推 理 规 则 , 其 基 本原 理 � 若 当前 三 角 形 个 顶点 地 层 编 号相 同 , 则 向 下 扩 展 的 新 三 角 若 当前 三 角 形 个 顶点 地 层 编 号不 同 , 则 编 号小 的 顶点 沿相 应 钻 形 顶点 均 为 相 应 钻 孔上 的 下 一 个 点 � 孔扩 展 下 一 点 为 新 三 角 形 顶点 � 而 编 号大的 顶点 保 持 不 变, 即 新 三 角 形 该 顶点 与 上 三 角 形 顶点 相 同 由 于 钻 孔中地 层 是 经 过 统一 编 号并 按自上 而 下 递 增 排序 的 , 因 此上 述 规 则 不 仅 能 够 增 加 地 层 自动 构 建 程 度, 而 且 也 可 以 避免 构 造错 误和 歧 义 实 验 结 果 利 用 本文 提 出 的 地 层 错 断 处 自动 构 建 的 方 法 � �, 以 和 为 开 发 工具 在 微 机 平 台 上 实 现 , 并 集 成到已 有 的 三 维 建 模 系 统 中, 作 为 三 维 建 模 方 法 补 充 , 扩 大了 该 系 统 的 三 维 地 质 建 模 的 适 用 范 围 图 � � 为 利 用 立 起 来 的 含 复 杂 断 层 的 地 质 体 三 维 地 质 模 型 , 图 � � 是 钻 断 层 局 部 钻 孔 界 限 三 平 台 建 孔 图 含 断 层 地 质 体 三 维 建 模 实 例 角 形 等 一 起 显 示 的 效 果 , 可 以 看 到地 层 错 断 处 插入 的 结 论 具 有 局 部 特 点 , 这 种 钻 孔开 口与 结 束 都是 位 于 含 地 层 错 断 的 上 下 界 限 三 角 形 , 而 不 是 贯 穿 于 整 个 地 质 体 , 克 服 整 体 插入 虚 拟 钻 孔之 间 相 互 影 响 的 不 足 可 以 实 现 自动 插入 , 加 上 地 质 模 型 第 期 车 德 福 等 � 三 维 地 质 建 模 中地 层 错 断 处 自动 构 建 的 新 方 法 的 自动 构 建 , 克 服 其 他 处 理 方 法 的 交互 量 大 对 操 作 人 员 知 识 背 景 要 求 严 等 不 足 本文 提 出 的 地 层 错 断 处 插入 局 部 虚 拟 钻 孔后 构 模 方 法 与 整 个 地 质 体 的 建 模 方 法 达 到统一 , 便 于 程 序 的 实 现 参 考 文 献 � [ ] 白世 伟 , 贺 怀 建 , 王 纯祥 三 维 地 层 信 息 系 统和 岩 土 工程 信 息 化 [ ] 华 中科 技 大学 学 报 �城 市 科 学 版�, , � �� , , [ ] � �, , � �� , [ ] 吴 立 新 , 张 瑞 新 , 戚 宜 欣 , 等 三 维 地 学 模 拟 与 虚 拟 矿 山 系 统 [ ] 测 绘 学 报, � �� , , , [ ] , , � �� [ [ ] ] 侯 恩科 朱 良 峰 , 吴 信 才 , 刘 修 国 , 等 三 维 地 质 模 拟 若 干 关 键 问 题 研 究 [ ] 北京 � 中国 矿 业 大学 �北京 �, 城 市 三 维 地 层 建 模 中虚 拟 钻 孔的 引 入 与 实 现 [ ] 地 理 信 息 科 学 , , � �� , , , [ ] , , � �� [ [ [ ] ] ] [ ] � , ] [ ] [ � , � 齐 安文 , 吴 立 新 , 李 冰, 等 一 种 新 的 三 维 地 学 空 间 构 模 方 法 类 三 棱 柱 法 [ ] 煤 炭 学 报, , � �� , , , � [ ] , , � �� [ [ ] ] 毛 善 君 灰 色 地 理 信 息 系 统 动 态 修 正 地 质 空 间 数 据 的 理 论 和 技 术 [ ] 北京 大学 学 报, , � �� [ ] , , � �� � � [ ] , , � �� 的 复 杂 地 质 体 多尺 度空 间 建 模 研 究 [ ] 北京 � 中国 矿 业 大学 �北京 �, 修 正 的 建 模 与 可 视 化 方 法 [ ] 煤 炭 学 报, [ [ ] ] 车 德 福 基 于 车 德 福 , 吴 立 新 , 陈 学 习 , 等 基 于 , � �� , , , � � [ ] 车 德 福 , 吴 立 新 , 殷 作 如 一 种 基 于 , , � �� [ ] 的 复 杂 地 质 体 真 三 维 建 模 方 法 � 岩 柱 体 分 区 法 [ ] 地 理 信 息 世 界 , , � �� , , ] � [ , , � �� [ [ ] ] 陈 学 习 基 于 扩 展 的 地 质 体 与 开 挖体 三 维 集 成建 模 研 究 [ ] 北京 � 中国 矿 业 大学 �北京 �, 王 占 刚 , 曹 代 勇 基 于 改 进 三 棱 柱 模 型 的 复 杂 地 质 体 建 模 方 法 [ ] 中国 煤 田 地 质 , , � � � , [ ] , , � � � [ ] 程 朋 根 地 矿 三 维 空 间 数 据 模 型 及 其 相 关 算 法 [ ] 武 汉 � 武 汉 大学 , [ ] � ,
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