基于GemPy的隐式三维地质建模方法.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:南宁市科学研究与技术开发计划项目()南宁市创新创业领军人才“邕江计划”资助项目()作者简介:赵 勇男工程师硕士主要从事三维地质可视化、地质与岩土工程方面的研究工作 :.通信作者:卢 鹏男工程师硕士主要从事岩土工程、测绘等领域的研究工作 :.文章编号:()引用本文:赵勇许国卢鹏等.基于 的隐式三维地质建模方法.人民长江():.基于 的隐式三维地质建模方法赵勇许国卢鹏文 诗 宝黄 梅 婷(.南宁市勘测设计院集团有限公司广西 南宁 .南宁市浅表地质大数据工程技术研究中心广西 南宁)摘要:为进一步提高开源隐式三维地质建模软件的研究与应用水平借助开源软件 创建了广西岩滩水电站三维地质模型 在模型构建中提出一种基于 提取剖面离散点坐标再通过三次样条曲线拟合切向量最后转换为方向数据 结果表明:引入机器学习及贝叶斯推理能实现复杂地质模型的创建和反演作为开源软件有利于功能的二次开发且能节省资金投入但 缺少交互式操作界面和数据库管理系统建模数据采集效率低、精度差添加约束条件(线约束、点约束、产状约束等)过程繁琐网格分辨率受限数据成果调用困难运算内存占用大算法需要进一步优化 基于 的应用与探讨可为丰富隐式三维地质建模方法提供新的思路关 键 词:隐式三维地质建模 势场法 软件 中图法分类号:文献标志码:./.引 言三维地质模型不仅可以直观展现地质情况还能辅助技术决策在实际工作中发挥重要的作用 创建模型的方法可分为显式建模和隐式建模两类 受传统地矿勘察设计思路、方法及工作习惯的约束目前三维地质建模研究与应用多集中于显式建模然而传统显式建模工作量大、过程繁琐、效率较低、模型更新重构困难并存在拓扑错误、表面粗糙、棱角尖利等问题 隐式建模基于函数插值空间离散点生成三维地质模型具有建模速度快、实时动态更新、人工干预少、适应数据能力强、结果精度高等特点但隐式建模软件费用昂贵且闭源限制了隐式建模的推广和研究 国内外学者提出了多种用于隐式建模的空间插值方法如集成在、等商业软件中的离散光滑插值()、快速径向基插值()、势场理论插值以及处于研究阶段的 插值、插值、杨赤中推估法等但提供这些插值方法的地质建模软件均未对公众免费开放 为减少对商业软件的依赖部分基于开源软件、的研究能实现矿山三维自动建模及数字化应用、水闸工程三维参数化建模和有限元结构计算但软件未融入地质概念用于地质建模容易出现违背地质规律的问题 少数学者利用 研发地质建模软件但因数据处理能力、算法优化、建模方式等局限不能完成复杂地质模型的创建 作为一款免费开源的隐式三维地质建模软件能创建褶皱、断层、不整合等复杂地质模型其插值算法可与商业软件媲美并引入机器学习库 使大规模矩阵运算得以优化且考虑建模的不确定性利用贝叶斯推理框架实现随机地质建模和贝叶斯反演 国外学者利用 强大的隐式建模能力辅 第 期 赵 勇等:基于 的隐式三维地质建模方法助科学研究如 等将 与(随机岩溶模拟)、(暴雨洪水管理模型)集成用于探索岩溶系统中管道网络结构与水力参数对地下水流动特性的影响 等考虑到隐式建模能快速重构模型的特点用 生成二维曲面并提取曲面点数据导入 中创建不同分辨率的三维地质模型 等将 作为三维地质建模引擎研发从数据提取到模型构建全过程自动化的三维地质建模方法 国内对 的应用与研究相对较少孙丙阳曾用 创建三维地质模型研究了基于 的地质模型体素化处理方法以及岩体工程开挖对连续 非连续变形的影响规律但其采用的建模数据极少且生成的模型较为简单和理想化王博等仅将 用于地层表面结构数据计算虽然 能创建复杂的三维地质模型且模型能满足可视化及后续研究需求有较强的实用性和拓展性但目前仍多用于地层层序简单的三维地质模型创建建模数据提取方法与数据结构化是使用 的关键但前人研究论文中鲜有提及且未能梳理出清晰的建模流程 为此本文以广西岩滩水电站为例提出适用于 的建模数据获取方法和详细可行的建模流程创建受断层和风化剥蚀等地质作用影响的复杂三维地质模型并分析其建模功能、原理、优点及局限性旨在为隐式三维地质建模方法应用与研究提供一些思考 概述 是基于 语言编写的一款开源隐式三维建模软件它融合了地层层序、断层、褶皱、不整合接触等地质要素基于势场理论采用克里金插值方法能构造复杂的三维地质模型 通过调用第三方库来实现三维地质模型的创建和展示 软件框架如图 所示可概括为以下 个模块图 软件框架.()数据读取与导入模块 将原始数据存储和转化为 数据结构用于后续计算将原始数据的创建、导出等操作封装在类()中来初始化数据以减少计算量()地层层序及构造关系定义模块 该模块包含、用于定义地层层序、用于指定断层与地层的切割关系、用于定义地层面()插值运算模块 使用 优化并高效计算出克里金参数使用 库提供的移动立方体算法进行等值面提取和网格模型构建()成果展示和分析模块 调用 实现三维模型展示、调用 实现二维成果展示提供模型拓扑关系分析及根据地质模型与指定密度进行重力正演使用 进行模型贝叶斯反演 建模理论 三维地质建模应用的基本原理是势场理论 该理论已成熟应用于商业建模软件 运用此理论进行地质建模有以下 种假设:一个地质界面划分两个地层 地层内的方位数据与地质界面有关 地质界面是同方向无限组平行的曲面该理论的原理是在三维空间中创建任意点 ()的标量函数()使得所有()(为势场的某个未知值)的点形成一个等势面将这个等势面作为一个地质分界面则标量场中的每一个等势面将代表一个沉积界面两等势面间形成一个地质建造(地层)图 为势场原理示意图 势场原理示意.图 中红蓝点为地层分界面上的采样点箭头为方位数据 采样点通过的等势线(红蓝线)为地层分界线地层分界线之间的绿色等势线可视为同一地层在不同时期的沉积界面(可认为是地质体趋势或地层内部层理轨迹)由红蓝地层分界线分隔出 个地层单元 从图可观察到方位数据可以是采样点上的也可以是其他位置的 通过插值采样点和方位数据获得地层分界面 人 民 长 江 年根据势场理论一个势场被定义为一个独立的地层序列()在同一势场内等势面之间相互平行各独立单元中的地质模型只由原始数据及插值算法决定 然而现实地质情况非常复杂因沉积、侵蚀、侵入、中断等地质作用地层之间相互切割、相互重叠需要将势场理论与地质规律相结合来构建复杂的三维地质模型可以通过定义多个势场的方式解决基于协同克里金实现势场理论插值算法其函数表达方式如下:()()()()()式中:和 是 和 的函数由协同克里金确定的权重值 和 是位于同一地质界面上的 个采样点 是增量()()的总个数()/是 个方位数据点 在任意方向的偏导代表标量场的变化率 势场理论插值算法实现模型重构的过程可概述为将位于同一等值面上的采样点及方位数据代入上式计算出权重系数后反算出空间中未知点 与固定点的距离增量 增量()()表示 点位于等值面外侧()()表示 点位于等值面内侧()()表示位于等值面上 为了计算出增量为零的点采用 移动立方体算法计算出立方体 个顶点的数值从而提取等值面最终实现模型重构 数据提取方法及建模流程.数据提取方法研究基于上述理论 建模需要有已知的地质界面采样点()和方位()两类数据界面点坐标确定地质界面的位置方位数据用于约束地质体的形状和趋势 界面点坐标可以通过钻孔直接获取而方位数据(包括倾向、倾角和极性)获取比较困难是使用 建模的关键 方位数据最好是在有代表性、连续露头的地质界面处测量的倾向和倾角数据极性用 表示沉积关系的地层 表示指向年代较晚的沉积方向侵入体 表示由外指向内在方位数据的获取方法方面王博等利用最小二乘法拟合出能反映全局产状的地层平面并任取该平面内三点坐标来计算产状周文辉等将产状数据的求取转换为求取剖面线所在近似平面和剖面线上任意处的切向量然后借助过渡向量将切向量转换为法向量 受已有地质资料所限本文根据原始地质剖面图提取所选岩性段处的方位角和倾角其中方位角为剖面线方向倾角为岩性段处地层分界线切线方向与水平面的夹角 基于开源软件 在二维剖面下提取离散点数据在 环境下运用 库将提取的离散点数据进行三次样条曲线拟合再求取其一阶导数作为切向量 计算切向量与 轴的夹角后将其转换为法向与 轴的角度 图 为在 中二维剖面切向量提取结果图 基于 提取离散点切向量.建模流程由于 缺少交互式操作界面需要编写 代码来创建三维地质模型 运行 首先应配置软件所需的 环境然后借助 或 软件来实现 建模的具体步骤如下()数据准备及初始化 按照预定的数据结构进行计算因软件无数据库管理系统需要在外部以.文件按表 及表 结构存储原始数据 设置模型范围及分辨率由于软件的限制每个轴的分辨率设置值最大不超过 即网格精度为模型各边长度范围值除以 表 点坐标数据表结构.列名含义数据类型固有字段点 坐标数字是点 坐标数字是点 坐标数字是地层名称文本是表 方位数据表结构.列名含义数据类型固有字段点 坐标数字是点 坐标数字是点 坐标数字是点方位角数字是点倾角数字是点极性数字是地层名称文本是 ()创建 网格 网格为模型插值运算提供空间坐标数据是进行空间分析、数值模拟等地质应用的基础是属性模型的载体 在初始化阶段选 第 期 赵 勇等:基于 的隐式三维地质建模方法择网格类型 提供 种网格类型(、)为默认网格用于常规网格的建立 能设置任意形状的网格 用于二维剖面 用于计算物理属性等其中 能利用基于(开源栅格空间数据转换库)的数据进行地形网格创建()地层序列的创建 在创建地层序列时遵循地层层序关系和断层时序关系使用函数.()定义地层的顺序地层新老关系按函数定义的先后顺序确定 断层需与地层同时设置且必须设置在地层序列的前面 对于地质情况复杂的模型可以定义多个序列()由 中不同岩层组合关系来处理剥蚀、侵入等地质现象()断层面的创建 在上述地层层序中定义断层面后使用函数.()将断层激活激活后可设置断层的接触关系 对断层的处理实质是在克里金函数中添加一个偏移项断层面创建所需要的数据与地层一样以断层轨迹离散点作为点数据、方位数据作为梯度进行插值 模型生成后受断层影响的地层面会贴合断层面并产生急剧的弯曲来保证地层面的连续性所以并未实质性将地层切断()插值运算 三维建模需要使用插值方法将离散的数据转换为空间连续的数据基于克里金函数的插值是 的核心使用全局插值使同一势场内的两个面不产生交叉()二维、三维成果的展示 插值运算完成后调用 查看二维剖面、调用 查看三维模型()拓扑分析及重力正演 内置模型拓扑关系分析功能使用函数.()可进行拓扑分析 通过创建 使用()函数可进行重力的正演计算 建模流程如图 所示图 建模流程.示 例.研究区地形地貌及岩土层情况广西岩滩水电站坝址工程所在地区为低山峡谷地形两岸高程在 之间底部河流受区域构造控制河床狭窄水流湍急 周围地层岩性可概化为石炭系灰岩、二叠系辉绿岩其中二叠系辉绿岩按形成的年代由老到新分为 层(用 表示)场地地层被一条逆掩断层切断.模型建立()数据准备 本文所提出的产状数据提取方法需要有已知的剖面图且产状数据获取较为繁琐无法获得未被剖面穿过区域的数据为验证 在复杂地质条件下的建模能力示例采用的点数据及方位数据是在其他软件平台创建三维模型后提取 模型创建选取深度较深并能较完整反映场地地层情况的钻孔使用了点坐标数据 条方位数据 条()初始化数据 按上述数据结构存储建模数据根据场区的范围设置 个方向的起止值并将分辨率设置为软件建议的最大值 采用默认的 网格来创建地质模型选择 网格并通过 读取 (.)文件创建地形面并预设 个剖面网格()初始化数据后 可以通过 在三维坐标下查看数据分布情况(见图)图 数据空间分布.()创建地层层序 根据场地地层及构造情况将模型的地层分为 个序列 为断层上盘(层辉绿岩)、为断层下盘(层辉绿岩)、为软件默认的基岩面(石炭系灰岩)并将断层上下盘的岩性更改为相同的颜色如表 所列()地层接触关系处理 由研究区地质资料可知该地区地层被逆掩断层错断后上盘地层又经受了风化剥蚀所以底部岩层在地表出露 若采用 提供的断层功能无法重构岩层被剥蚀出露的状态 人 民 长 江 年受限于软件的功能从建模效果考虑并未采取让断层切割地层的方式而是单独将地层分为上盘和下盘两个地层序列()进行建模()插值运算 上述步骤完成后对数据进行克里金插值和模型计算最终运行结果参数如表 所列表 地层层序配置.序号地层面()地层序列()地层面序号()地层颜色()注:地层颜色同图 表 模型计算参数.项目参数计算值 参数插值范围().方差().比例调整()比例调整参数.中心点坐标.()模型展示 将 内置在程序内部通过函数.()可以查看创建的三维模型 提供简单的三维操作功能用户可以进行模型的旋转、地层面隐藏与显示等 图 分别是通过 生成的三维地形面模型、三维地层模型与三维地质模型图 三维地形面模型.调用第三方库 按单元来展示地质模型在剖面上的地层分布图 分别为沿 轴与沿 轴方向单元格()为 位置处的地层剖切图 地层模型.图 三维地质模型.图 沿 轴不同位置处的剖切面.基于势场理论 利用点坐标与方位数据通过克里金函数自动插值生成地形面与地层面进而形 第 期 赵 勇等:基于 的隐式三维地质建模方法图 沿 轴不同位置处的剖切面.成三维地质模型 建模过程无需过多的人工交互建模效率和自动化程度较高 从实际建模效果来看创建的地层曲面光滑可视化效果好创建的地质模型与实际地质情况相似并能反映出逆掩断层、地层剥蚀出露等复杂的地质现象创建的剖切面可以观察不同方位岩层的空间分布情况 结 语通过对 的功能、建模原理进行分析并结合实际工程进行三维地质建模总结分析出 的优缺点如下()能实现复杂地质情况的三维地质模型及任意方向的二维剖切面创建与可视化 因软件采用机器学习及贝叶斯推理使创建的模型可信度较高能反映实际地质情况()建模数据获取困难但软件并没有提供解决方案 通过在外部提取已有地质资料的方法效率很低精度也不够如何获取建模数据成为使用 建模的关键 模型分辨率低网格分辨率受限软件不能设置精细网格()无交互式界面需要用 代码实现交互功能导致建模操作不够便捷 没有独立的数据库管理系统数据的存储与调用不方便()软件算法需进一步优化由于三维地质建模处理的数据量非常大 在进行克里金插值运算时需占用较大内存无法制作分辨率较精细的模型同时利用 语言编写的软件进行插值运算非常耗时运算效率较低参考文献:刘顺昌李黎徐德馨等.复杂地质条件下高精度三维地质建模研究.人民长江():.陈国旭田宜平张夏林等.基于勘探剖面的三维地质模型快速构建及不确定性分析.地质科技情报():.:.郭甲腾刘寅贺韩英夫等.基于机器学习的钻孔数据隐式三维地质建模方法.东北大学学报(自然科学版)():.郭甲腾代欣位刘善军等.一种三维地质体模型的隐式剖切方法.武汉大学学报(信息科学版)():.吴林波杨天亮王建秀等.各向异性地质体精细三维建模的新方法.人民长江():.:.:.():.郭甲腾吴立新周文辉.基于径向基函数曲面的矿体隐式自动三维建模方法.煤炭学报():.():.邹艳红黄望阳宽达等.基于杨赤中推估法空间插值的三维地质隐式建模.地质学刊():.张志武.三维矢量数据矿山模型算法研究及在 中的应用.武汉:武汉科技大学.曹勇苏晓慧孙梦梦等.开源建模软件在水利工程 领域中的应用.水利规划与设计():.王世举.基于 的三维地质体可视化系统的设计与开发.绵阳:西南科技大学.:.():.:.():.人 民 长 江 年():.孙丙阳.基于开源 岩体体素地质模型建立与流形元分析方法研究.天津:河北工业大学.王博贺康钟德云.基于钻孔数据的地质体隐式建模约束规则自动构造方法.黄金科学技术():.:.():.:.张美玲李培楠石来等.基于潜势场理论的三维复杂地质模型参数精细化建模与分析.土木建筑工程信息技术():.周文辉郭甲腾吴立新等.基于剖面约束的区域地质体隐式三维建模方法研究 中国地理信息科学理论与方法学术年会论文集深圳:中国地理信息产业协会.姬广军张永波朱吉祥等.三维地质建模精度影响因素及质量控制.桂林理工大学学报():.(编辑:高小雲)(.):.(.).: