三维地质建模中的偏盖全成因分析

三维地质建模中的偏盖全成因分析

1基于钻孔、剖面的三维地质体建模方法随着城市地下空间作为重要资源的开发和使用，地铁、隧道、防洪工程、管道、地下停车场等地下工程日益增加，形成了复杂的三维空间，改变了现有的地质特征，如承载工和地下水流场。因此,三维地质体建模成为城市规划、建设中必不可少的环节之一。长期以来,三维地质体建模研究主要依赖于钻孔、剖面等勘察数据进行精细化建模。然而,在缺乏大区域宏观地质背景建模的前提下,仅考虑局部地区的精细建模,往往会导致以偏盖全,并且对数据过于依赖。在实际应用中,钻孔、剖面数据往往集中分布于工程较为密集的沉积地层区域,而在基岩地区则分布较为稀疏甚至完全缺失。这导致基于钻孔、剖面的三维地质体建模方法在很多实际工程应用当中难以发挥作用。平面地质图揭示了地区的岩石、地层和地质构造等信息,是人们了解区域地质、沉积地层,进行地质三维建模最易获取和最直接的数据源,更重要的是它融入了专家的知识和经验,是钻孔和剖面数据所不能比拟的。胡进娟应用地质界线的产状信息,以NURBS曲面技术拟合相应的断层面与地层面,对相交曲面做求交处理,以及生成封闭的且拓扑一致的地质块体。侯卫生、吴信才等在分析平面地质图数据特点的基础上,提出了以线框架模型为基础的断层面整体构建思路,较好地解决了复杂断层面三维构建问题,有效地表达了复杂断层的空间几何形态和相互之间的关系。可见,在其他地质数据匮乏的前提下,利用平面地质图构建区域三维地质体模型是一种有效的解决方法,既可以从整体上了解研究区域的地质构造,又可为后续增加钻孔、剖面数据后进一步精化模型作准备。目前,平面地质图的三维地质体建模方法仍处于探索阶段,直接以平面地质图进行三维地质体建模的方法可控性较弱,模型生成质量难以保证,构建的地质体模型存在较大的误差。因此,本文提出一种以平面质地质图为基础数据,用图切地质剖面为中介的三维地质体建模方法。首先,该方法通过平面地质图的图切地质剖面自动生成方法,构建研究区域的序列图切剖面,然后,以生成的图切地质剖面进行三维地质体模型的构建,有效地解决了三维地质体建模数据不足的问题,提高建模的可控性和质量,为三维地质体建模提供一种新的思路。2图切地质剖面的定义平面地质图综合了地质野外勘察工作成果与地质专家知识,不仅包含地层埋深、地质构造走向、规模等地质要素的空间几何信息,且能从平面上综合反映地层与地层、地层与地质构造、构造与构造之间的关系,以及地层面的延伸趋势,对宏观理解区域地质构造有其重要的作用。当地质工作者对区域地质构造了解到一定程度时,可以使用图切地质剖面的方式表达平面地质图中包含的地质信息。图切地质剖面是指在地质图上选择某一方向,根据各种地质、地理要素,按一定的比例尺,用投影方法编绘而成的地质剖面图。图切地质剖面其目的是同平面地质图配合,反映地质体与地质构造在空间上的相互关系及地质演化关系。通过对图切地质剖面的定义可以看出,如果在平面上沿着给定方向,按照一定间距连续地绘制一系列图切地质剖面,则将获得类似医学影像切片的系列数据,可较为简单地构建研究区域的三维地质体模型。因此,本文提出一种以图切地质剖面为中介,以平面地质图的三维地质体建模方法,其流程如图1所示。3计算模型的建立构建图切地质剖面的基础原始数据主要是平面地质图,包括采样点产状、地层线、地层面、断层线、河流、等高线、相应的属性数据及DEM。其通过计算和转换获得图切地质剖面的计算数据模型。结合图切地质剖面生成的方法和特点,构建流程如图2所示。3.1求交断续法当在平面地质图上确定剖面线空间形态后,通过与地层分界线、断层线等线要素进行求交打断,将剖面线分割为多条连续的线段。通过判断分割后的剖面线段中点所在的地层岩性属性,为所有剖面线段赋上相应的属性值,如图3所示。3.2求煤层的倾角在平面地质图上,由于野外调查信息的不足,产状属性不完善或标志过少的情况时有发生,而图切地质剖面的生成对地层产状信息的要求较高,仅仅依靠地质图上已有的产状信息难以满足实际应用的需求,因此,本文利用间接法对地层产状进行加密。其原理如下:按走向线的定义,在图4(a)的立体透视图中,某砂岩的上层面与100m和150m高程的两个水平面相交得II′和IIII′两条走向线,沿层面作其垂线AB为倾斜线,AB与其水平投影AC的夹角α为岩层的倾角,CA方向为倾向。在直角三角形ABC中,BC为两条走向线的高差。因此,只要能作出同一层面的不同高程且相邻的两条平行的走向线,再根据其高程和水平距,即可求出岩层在该处的产状要素,其平面图如图4(b)所示。具体求解步骤如下:(1)选取与剖面线相交的一条地层出露线为当前地层线;(2)对当前地层线和等高线数据求交,选取其中交点个数等于2的两条,高程分别记为H1、H2,两条走向线L1、L2和等高线的交点分别记为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4),转步骤(3);(3)按照公式(1)求出岩层的倾角tanα=√(x1-x2)2+(y1-y2)2|Η1-Η2(x1-x2)y3-(y1-y2)x3+x2y1-x1y2|(1)tanα=(x1−x2)2+(y1−y2)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−√∣∣H1−H2(x1−x2)y3−(y1−y2)x3+x2y1−x1y2∣∣(1)令k=(y1-y2)/(x1-x2),当k>0时,若H1>H2,则倾向β=0.5π+tan-1k,反之β=1.5π+tan-1k;当k≤0时,若H1>H2,则倾向β=0.5π-tan-1k,反之β=1.5π-tan-1k。3.3地层线/断层线的确定地层线与断层线的空间形态是图切地质剖面所表达的主要地质信息。本文按照图5流程自动生成地层线与断层线。具体步骤如下:(1)从数据库中读取产状、地层线、断层线、地层面及DEM数据,对剖面线与地层线/断层线图层进行求交运算,获取交点集P,再通过DEM地表栅格图层可给交点赋高程值从而得到有三维坐标的交点集P′;(2)遍历点集P′,对当前点p进行如下处理:①选取当前点p所在的地层线/断层线,根据前文所述间接法求点p处产状信息;②由于平面地质图上的产状信息是视倾角,因此,要将其按公式(2)转换为真倾角;β=arc[tanα*cos(χ-δ)](2)β=arc[tanα*cos(χ−δ)](2)其中,χ为剖面线走向,δ为真倾向。由此可根据视倾角计算出地层线的斜率;(3)根据给定地层厚度h,按照公式h′=h/tanβ这样可得到点q的坐标,以交点p为起始点,得到以q为终点的线段pq;(4)根据交点p是剖面线与平面地质图地层线的交点或是与断层线的交点,即可确定线段pq为剖面中的地层线或断层线。如果是断层线,则可能会出现如图6所示情况,因此,需要判断断层线与地层线是否相交,若相交,利用断层线将地层线打断,并以交点作为地层线的终点,同时将交点插入断层线形成新的弧段。3.4治污工具的改进由于褶皱构造的复杂性,由程序控制自动生成的图切地质剖面不能直接反映出实际的构造情况,需要根据专家经验通过人工干预的方式进行修编。而褶皱不论是向斜构造还是背斜构造,在地质剖面图上的形态都是光滑的曲线。因此,本文设计了人机交互的工具,将褶皱部位自动生成的直线地层线转换成弧线表达。根据地层分界线的倾角得到褶皱曲线在A、B点的切线与水平线的夹角∠OAD与∠OBD角度,即褶皱两翼倾角(图7)。根据褶皱曲线在A、B点的切线与水平线的夹角与角度,以及A、B点的坐标,即可采用三次样条函数拟合皱褶曲线。3.5封闭地层多边模型为了满足后续建模算法的需要,依据图切地质剖面的地层线与断层线要素,对图切地质剖面进行多边形拓扑重建,以得到封闭的地层多边形,算法流程如图8所示。具体步骤如下:(1)读取所有地层线/断层数据,判断是否相交,若相交,则将其按交点打断;(2)更新弧段数据,更新弧段-结点、结点-弧段的对应关系;(3)按坐标方位角从小到大将弧段排序;(4)根据多边形左转算法生成地层多边形;(5)将地层属性赋值给各地层多边形。3.6地质勘探的输出根据前面生成的图切地质剖面进行打印输出,在图面上标示图名、比例尺、走向,对各种要素进行渲染和符号填充,对纵标尺及图例进行绘制输出。4图切地质剖面的栅格化处理常见的基于剖面的三维地质体建模研究多采用轮廓线算法。这类算法可概括为4个主要问题:即对应问题、构网问题、分支问题和光滑问题。但经过研究发现,由于平面地质图反映的是研究区域宏观的地质构造信息,因此,图切地质剖面图上反映的是横向上地层的变化,不具备一般剖面纵向上良好的成层性,加上图切地质剖面反映的地质构造更加丰富,在进行轮廓线对应时,会产生比一般剖面还要多的多解情况,造成建模算法过于复杂,必须借助于人工干预才能得到比较合理的模型。因此,本文采取将系列图切地质剖面进行栅格化处理,构建规则体元的三维地质体模型。基本流程如图9所示。4.1地质属性f对图切地质剖面进行栅格化处理的第一步是定义格网参数。对于每一剖面所在的平面,都具有相同定义Nx×Ny的二维格网。在与一系列剖面相垂直的方向上定义Z轴后,每一个格网点可被认为是Nx×Ny×Nz空间中的一个采样点。对于图切地质剖面所在平面上的每个采样点(x,y),都可被视为函数f(x,y),其取值决定于剖面上该点所对应的地质对象的属性,具体赋值如公式(3)所示。f(x,y)={-1‚该点位于图切地质剖面外部k‚该点位于图切地质剖面内部(3)f(x,y)={−1‚该点位于图切地质剖面外部k‚该点位于图切地质剖面内部(3)其中,k≥0,值为地层岩性或断层属性。图切地质剖面中除了包含地层多边形外,还可能含有断层线。但若采用直接对图切地质剖面进行栅格化处理则会丢失其中包含的断层线信息。因此,需要在对剖面中的地层多边形进行栅格化处理后,单独对断层线进行处理,以保证剖面中地质信息的完整性。本文采用Bresenham直线算法在给定的栅格分辨率下将剖面中的断层线进行栅格化,修改已得到的地层对象多边形栅格化结果,最终得到的栅格化的图切地质剖面图。4.2剖面线xy坐标鉴于本文所使用的图切地质剖面均为直剖面(剖面线为直线),故在实现二维向三维的转化时,可借助剖面线将二维剖面进行投影、翻转,从而简单的实现转换。如图10所示,设剖面线起始点坐标为(X0,Y0,Z0),终点坐标为(X1,Y1,Z1),剖面线与XY轴的夹角为θ。其中,剖面数据在二维空间中坐标为(X2d,Y2d),在三维中的坐标为(Xc,Yc,Zc),采用公式(4)实现二维坐标向三维坐标的映射。其中,Zc的值与任何一个图切地质剖面上的点Y相同,不随角度变化。{Xc=(X1-X0)X2d/D+X0Yc=(Y1-Y0)Y2d/D+Y0Ζc=Y2d(4)D=√(x0-x1)2+(y0-y1)2根据以上转换可以得到如图11所示的一系列相互平行的栅格化的三维图切地质剖面。4.3体元的数量计算根据上述步骤所得到的三维空间序列图切地质剖面和相关参数,可获得构成规则体元表达的三维地质体模型相关参数。(1)边界角点的x、y、z坐标;(2)X轴、Y轴、Z轴方向上的体元数量xdim、ydim、zdim;(3)X轴、Y轴、Z轴方向上的体元边长xstep、ystep、zstep;(4)获取规则范围内体元的值;(5)建立体元值(岩性、断层)的编号到具体地质语义的映射关系。通过以上步骤即可建立以规则体元所表达的三维地质体模型,也可称为三维栅格化模型。5实验仪器和模型构建为了验证平面地质体的三维地质体建模方法的有效性与实用性,以C#语言和ArcEngine10.0开发了图切地质剖面图自动绘制实验系统,用C++语言和VTK5.10开发了三维地质体模型构建与可视化实验系统。系统运行软件环境为Windows7SP1,硬件环境为:CPU主频2.53GHz,内存容量4GB,硬盘容量500GB。5.1研究区构造环境本文以重庆市北培区星岗地区为实验区域,选取1∶50000星岗地区地形地质图为数据源(图12)。该研究区地形以低山丘陵为主,中山主要分布在西北角,地势起伏较大,呈现北高南低的分布。研究区地层主要包括奥陶系、志留系、下泥盆系、石炭系、二叠系、下白垩系、中新统和上新统,其中,下泥盆统、下白垩统、中新统与下伏地层之间,分别为角度不整合接触关系。晚奥陶世到早泥盆世,研究区稳定沉降,呈同水体不断加深状态,研究区发育碳酸盐岩-细碎屑岩建造。早泥盆世之后(或早泥盆世末),研究区受到从SSW向NNE方向的挤压作用,导致上奥陶统-下泥盆统褶皱变形,形成NNW-SSE向的石家向斜和松村背斜。石家向斜的枢纽向NNW倾伏,轴面近直立。松村背斜的枢纽近水平,轴面向SSW倾斜。在石家向斜和松村背斜形成之后,研究区还受到过NEE-SWW向的伸展作用,在下奥陶统-下泥盆统构造层中形成NNW-SSE向的F4正断层,该正断层的断面近直立。早泥盆世末的挤压作用不仅导致上奥陶统-下泥分盆统被褶皱变形,还使研究区处于隆起状态,致使研究区缺失中-上泥盆统。早石炭世初,研究区中部和北部开始沉降并依次发育完整的石炭-二叠系碳酸盐岩-细碎屑岩建造,反映一个完整的海进-海退沉积系列。晚二叠世沉积之后(或晚二叠世末),研究区受到从NNE向SSW方向的挤压作用,导致石炭-二叠系形成向NE方向倾斜的单斜构造,并在石炭-二叠系中形成F3走向逆断层,在研究区上奥陶统-上二叠统中形成NNE-SSW向的F2左行平移断层。晚二叠世末的挤压作用还使研究区处于隆起状态,致研究区缺失上白垩统和古近系。中新世初,研究区西北部开始沉降,在峻岭一带沉积近水平状态的中新统粗碎屑岩和上新统细碎屑岩。在中新统沉积之后,峻岭西北侧发生重力滑动构造,在中新统与上新统中形成F1正断层。5.2计算机自动编码图切地质剖面图加载平面地质图数据,选取剖切位置,利用交互工具在图面绘制剖面线(图13),设置生成图切地质剖面所需要的相关数据路径和参数值(图14),生成图切地质剖面图,并可根据专家经验判断生成的图切地质剖面是否符合实际,如需修改,可人机交互修编。最后,将生成的图切地质剖面图输出。图15是以实验系统自动生成的图切地质剖面图,没有经过人工修编,是计算机自动计算的结果。图16是在大致相同剖切位置,由专家手工绘制出的图切地质剖面图,对比两幅图切地质剖面图,可以发现,实验程序