基于地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的方法

摘要

本发明公开了一种地质路线（PRB）双重建模生成三维地质图的方法，包括根据PRB野外数据采集和实测剖面进行PRB平面建模的步骤，以及根据所述PRB平面建模得到地质实际材料图或编稿地质图的步骤，还包括：A、对PRB剖面进行逻辑约束的步骤；B、对PRB与实测剖面进行深部建模的步骤；C、根据PRB数据获取地质界线产状的步骤；D、生成三维地质构造/断层格架图的步骤；E、生成三维PRB剖面栅栏图的步骤；F、PRB剖面与地质图联合建模的步骤；以及G、生成三维地质图的步骤。采用本发明方法，能够将三维建模的过程与数字区域地质调查过程同步，并始于野外PRB数据采集和实测地质剖面采集同步进行建模，能够大幅提高建模效率。

说明书

技术领域

本发明涉及三维地质填图技术应用领域，尤其涉及一种基于地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的方法。

背景技术

野外地质路线和实测地质剖面三维地质填图建模，是一种应用于三维区域地质调查和矿产地质调查的建模方法。通过地质路线在水平方向（平面）和深度方向（剖面）的研究和地质建模，动态生成地质图，并在此基础上，在地质图框架和路线剖面框架双重约束下，通过面模型方法的建模工具，自动生成具有一定深度的三维地质图。

目前，在三维填图方面，国际国内发展总的现状是：1）在建模方法方面，分为两大类，一类是结构（也称面）建模，另一类是属性建模。2）在建模流程方面，特别是结构建模，是在已有数据的基础上（本次建模直接始于野外数据采集过程），通过地质、地球物理、地球化学等数据的综合分析，先形成地质剖面，然后根据剖面生成三维地质体。

但上述建模技术存在以下问题：1）建模过程与区域地质调查、区域矿产调查不能同步，即不能在地质调查过程中实时建模。2）建模的效率低下。据英国地调局提供的建模效率标准是1:5万，系统性建模平均约需200天。国内采用国外软件进行1:5万三维地质格架精度的建模需120天。可见，效率低下是目前建模软件的共性。如果没有新的建模方法，效率阻碍应用的瓶颈仍然无法解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的方法，将三维建模的过程与数字区域地质调查过程同步，并始于野外地质路线数据采集和实测地质剖面采集同步进行建模。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种地质路线PRB双重建模生成三维地质图的方法，包括根据PRB野外数据采集和实测剖面进行PRB平面建模的步骤，以及根据所述PRB平面建模得到地质实际材料图或编稿地质图的步骤，该方法还包括：

A、对PRB剖面进行逻辑约束的步骤；

B、对PRB与实测剖面进行深部建模的步骤；

C、根据PRB数据获取地质界线产状的步骤；

D、生成三维地质构造/断层格架图的步骤；

E、生成三维PRB剖面栅栏图的步骤；

F、PRB剖面与地质图联合建模的步骤；

G、生成三维地质图的步骤。

其中，步骤G后进一步包括：

H、利用地球物理、地球化学、钻孔数据的整合和综合分析的步骤，具体包括：根据岩性级别，使用剖面数据参与建模，包括根据钻孔数据连接的地质剖面、地球物理解释的剖面；在地质路线剖面与平面地质图建模成果的基础上，将地质剖面、地球物理解释的剖面组成栅状剖面，再将栅状剖面划分为一系列的独立单元；对于每一个独立单元，使用精细交互建模工具，得到精细三维结构模型，再将所有单元的精细三维模型进行合并，得到整个建模区域的精细三维模型。

其中，步骤A所述对PRB剖面进行逻辑约束，包括：

当PRB数据采集、剖面数据采集及平面地质图初步生成后，系统根据地质平面图、地质路线剖面图、地质实测剖面图，对地质路线剖面进行逻辑约束计算，为正确的地质体关系进行逻辑建模。

步骤B所述对PRB与实测剖面进行深部建模，包括：

B1、根据PRB数据生成原始路线剖面，并在三维场景显示；

B2、根据研究精度，在深度方向完善路线剖面；

B3、根据综合分析或深部数据，进行地质路线剖面深度方向建模，并动态生成有一定深度的三维地质图。

步骤C所述根据PRB数据获取地质界线产状的步骤，包括：

采用最邻近点的产状，或设定一定距离的缓冲区进行样本搜索，或采用距离加权进行产状插值，同时考虑地质界线的分段走向，有效纳入地质语义约束。

步骤D所述生成三维地质构造/断层格架图的步骤，包括对填图区域的断层进行单独建模，将分段的断层线作为一个整体，进一步包括：

D1、利用断层框架三维建模工具进行处理的步骤；以及，

D2、对断层相交进行处理的步骤。

步骤F所述PRB剖面与地质图联合建模的步骤，包括：

F1、从近似平行剖面扩展到以水平地质图地质界线为框架，以路线剖面为约束，自动根据水平地质界线面构成的体，根据剖面深度方向的地质界线形态调整地质体深度方向的形态和关系，自动构成体；同时根据剖面深度方向的地质界线形态和关系，确定地质体的逻辑关系；

F2、第四系覆盖层，岩脉的处理过程。

步骤F1进一步包括采用多交叉路线剖面与产状约束下的地质界线连续分块积分方法，推断出地表以下各分层的连续三维地质界线。

步骤G所述生成三维地质图的步骤，包括：采用全区域地质体三维模型无缝建模技术与拓扑一致性检测融入三维建模流程中，生成三维地质图。

一种地质路线PRB双重建模生成三维地质图的方法，采用剖面建模技术，包括：

a、模型数据(钻孔数据或钻孔之间连成的剖面数据)的预处理步骤；所述预处理步骤为必要条件，否则无法生成，地质填图是无钻孔的；

b、剖面的定义、解释与圈定和生成的步骤；

c、由剖面生成栅栏图，交互生产体元进而生成地质模型的步骤；

d、地质模型的可视化及三维空间查询和分析过程。

本发明所提供的基于地质路线（PRB）双重建模生成三维地质图的方法，具有以下优点：

本发明方法通过地质路线（PRB）在水平方向（平面）和深度方向（剖面）的研究和地质建模，动态生成地质图（实际材料图、编稿地质图）和3D地质路线栅栏图，并在此基础上，在地质图（或实际材料图、编稿地质图）框架和3D地质路线栅栏图框架双重约束下，通过面模型方法的建模工具，自动生成具有一定深度（取决调查精度）的3D地质图（PRB双重建模主体）。与现有建模效率相比，可提高30倍以上。同时，在3D地质图深部建模中，根据工程、地球物理等方法所获取的数据进行，分别对“目标地质要素”建模并自动与3D地质图集成一体，形成地表与地下不同尺度的多源信息3D地质图。

附图说明

图1为本发明的地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的过程示意图；

图2为本发明从野外采集地质路线（PRB）—>经过深度综合处理—>三维地质路线栅栏图—>地质图（或实际材料图、编辑地质图）框架和三维地质路线栅栏图框架双重约束下通过面模型方法的建模工具生成具有一定深度的三维地质图等的具体实施过程示意图；

图3为PRB数据逻辑约束涉及三大类36项元素示意图；

图4为自动根据PRB数据生成原始路线（信手）剖面示意图；

图5为图4的原始路线（信手）剖面在三维场景显示效果示意图；

图6、图7为根据研究精度，在深度方向完善路线剖面示意图；

图8为根据综合分析或深部数据进行地质路线剖面深度方向建模过程示意图；

图9为图8所示建模动态生成有一定深度的三维地质图示意图；

图10为产状点选取方法过程示意图；

图11为基于缓冲区的产状点选择过程示意图；

图12为通过地质体的逻辑关系分析，考虑断层、岩体隔断的影响，对含有产状的自然连续地层界线进行产状参数传递过程示意图；

图13为实际材料图中的断层数据示意图；

图14为断层框架三维结构模型示意图；

图15为三维地质构造（断层）格架图在三维场景显示效果示意图；

图16为图19所示三维地质构造（断层）格架图放大效果（局部）示意图；

图17为形成地质块体的过程示意图；

图18为第四系地层在剖面的封闭处理过程示意图；

图19为将第四系地层剥离的处理情况示意图；

图20为形成的三维地质图示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的方法作进一步详细的说明。

本发明是始于野外地质路线和实测地质剖面三维地质填图建模的一种建模方法。通过地质路线在水平方向（即平面）和深度方向（即剖面）的研究和地质建模，动态生成地质图，并在此基础上，在地质图框架和路线剖面框架双重约束下，通过面模型方法的建模工具，自动生成具有一定深度的三维地质图。能够应用于三维区域地质调查和矿产地质调查等技术领域。

本发明的三维填图地质路线（PRB）双重建模的关键技术有：

1、三维填图地质路线（PRB）双重建模流程与方法。

建立了与数字地质调查流程一致的三维数字地质填图流程方法。根据野外路线地质调查数据采集，自动生成路线剖面。通过地质路线（PRB）在水平方向（平面）和深度方向（剖面）的研究和地质建模，动态生成地质图（实际材料图、编稿地质图），并在此基础上，在地质图（或实际材料图、编稿地质图）框架和路线剖面框架双重约束下，通过面模型方法的建模工具，自动生成具有一定深度（取决调查精度）3D地质图（PRB双重建模主体）的完整流程和工具。

2、地质路线剖面与平面地质图建模过程。

1）产状与路线剖面地质界线的约束原则；路线界线形态约束强度大于地面产状。

2）地质界线产状推断方法；选定穿过地质体路线首尾（或相邻）产状，按倾角和倾向逐渐分段过渡，在分段地质图地质界线，充分考虑分段选取相邻产状的影响。

3）地质断层构建及相交处理方法；先按分段考虑，自动根据断层代码整体统一考虑，根据属性确定新老切割关系。

3、与相邻地质体拓扑关系的处理方法：从路线剖面到地质图界线在三维方向的一体化处理。

4、非路线地质体与地质路线剖面上地质体相交的关系处理，剖切计算后，对体分割后的多余部分进行重处理。

5、路线剖面多层结构建模初步策略，标准化代码自动连接。

6、结构模型与属性模型的融合构建技术，结构模型约束属性模型边界，为地质模型与属性模型综合分析提供条件。

7、属性建模与精细结构建模成果与地质路线剖面与平面地质图建模成果的融合，数据库级直接交换。

下面结合附图对本发明的三维填图地质路线（PRB）双重建模流程、方法与关键部件功能进行详细说明。

图1为本发明的地质路线（PRB）过程双重建模生成三维地质图的过程示意图。图2为本发明从野外采集地质路线（PRB）—>经过深度综合处理—>三维地质路线栅栏图—>地质图（或实际材料图、编辑地质图）框架和三维地质路线栅栏图框架双重约束下通过面模型方法的建模工具生成具有一定深度的三维地质图等的具体实施过程示意图。

如图1、图2所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤11：对地质路线PRB剖面进行逻辑约束的步骤。

当地质路线（PRB）数据采集、剖面数据采集及平面地质图（建模）初步生成后，系统根据地质平面图、地质路线剖面图、地质实测剖面图，对地质路线剖面进行逻辑约束计算，为正确的地质体关系进行逻辑建模。

PRB数据逻辑约束涉及三大类36项元素，如图3所示，根据“检查项设置”页面的检查项，如产状点数据检查项、分段路线数据检查项、地质界限数据检查项，选择各检查项中的一个或多个选项对所述PRB数据逻辑进行约束。

步骤12：对地质路线（PRB）与实测剖面深部建模。具体包括：

步骤121：自动根据PRB数据生成原始路线（信手）剖面，并在三维场景显示。如图4、图5所示。

步骤122：根据研究精度，在深度方向完善路线剖面。如图6、图7所示。

步骤123：根据综合分析或深部数据，进行地质路线剖面深度方向建模，并动态生成有一定深度的三维地质图。如图8、图9所示。

步骤13：根据PRB数据获取地质界线产状的步骤，即地质语义约束的产状点影响域与地质界线产状推估方法。

在地质调查平面地质图中，地质界线和有限的产状点是建立三维地质体模型的主要信息来源和建模依据。因此，能否根据有限的产状点，并综合考虑多种空间几何与地质语义的约束，正确、合理地推估出地质界线的产状，直接关系到所建立三维地质体模型的正确性与合理性。

现有产状推估算法或直接采用最邻近点的产状，或设定一定距离的缓冲区进行样本搜索，或采用距离加权进行产状插值，却较少考虑地质界线的分段走向，更未有效纳入地质语义约束。因此，如何综合考虑地质界线走向、挖掘出产状点的隐含地质语义，确定出有限产状点的合理影响域，推估出地质界线的精细产状是关键技术所在。

我们采用最邻近点的产状，或设定一定距离的缓冲区进行样本搜索，或采用距离加权进行产状插值，同时考虑地质界线的分段走向，有效纳入地质语义约束。

步骤131：求解每条地质界线的拐点的步骤，所述地质界线分段包括封闭线和未封闭线。

A、地质界线分段。对于一条地质界线，可采用相应的规则进行分段。

B、封闭区域。如图10所示，可采用基于象限划分搜索方式的产状点选择与赋值方法。

如图11所示。采用基于缓冲区分析方式的产状点选择与赋值方法中，其采用地质界线端点产状直接取线上离端点最近产状点的产状的规则。

步骤132：通过地质体的逻辑关系分析，考虑断层、岩体隔断的影响，对含有产状的自然连续地层界线进行产状参数传递。如图12所示。

图中红色产状通过空间分析对含有产状的自然连续地层界线进行产状参数传递对含有产状的自然连续地层界线进行产状参数传递，而不会跨越断层传递产状参数。

步骤133：对未获取产状参数的地质界线，采用交互方式由地质专家给定。

对于极端复杂的区域或通过3～5次的遍历，发现还未有产状参数的地质界线，采用交互方式由地质专家给定。

步骤14：生成三维地质构造/断层格架图的步骤。

对填图区域的断层进行单独建模的步骤。重点是将分段的断层线作为一个整体考虑。

A.利用断层框架三维建模工具进行处理。如图13所示。

依据构造纲要图，先建立地质框架模型，该模型从整体上作为填图区三维地质结构的框架，再依据数据源所反映的地质情况精细程度从粗到细，依次构建不同粒度的三维地质结构模型，并最终实现不同粒度地质体在相应地质框架内的约束成体。

根据实际材料图中断层接触界线及其记录的产状信息，采用三角面片的方式，自动构建断层框架模型。实际的二维制图过程中，一条断层数据往往被分为若干段进行表达，每一段分别具有不同的产状信息。因此，在构建断层面三维模型时，需要先断层数据的筛选与连接处理，不同段的断层模型在构建的过程中，采用“角度平滑渐变”方法，进行断层面的平滑过渡。

B.对断层相交进行处理的步骤。

如图14所示。将地质断层分为隐伏断层与出露断层两种，每种断层均结合给定的倾向、倾角以及断裂深度信息，构建断层面。对于隐伏断层，要先构建其上的第四系覆盖层，然后以第四系覆盖层的底面作为断层的起始位置向下延伸，构建断层面模型。

考虑到断层面与地质体的拓扑关系与公共面的处理，每一条断层采用分段构建的方式构建，通常一条断层界线由具体不同产状信息的若干段组成，断层倾向变化可能由堵变缓，也可能由缓变堵，通常采用角度渐变技术来实现断层面三维模型的平滑处理。同时，对于多条断层相交的情况，要考虑断层的主辅关系，先构建主断层，再构建辅断层，辅断层要沿着主断层构建。

构建的主辅断层面在三维空间下应该保持无缝连接。

因此，在构建辅断层前，要先对辅断层进行延伸，求出辅断层与主断层之间的交线，再构建辅断层的断层面。

步骤15：生成三维地质路线（PRB）剖面栅栏图的步骤。

将上述步骤14的结果，在三维场景显示，如图15所示。其放大显示效果，如图16所示。

步骤16：地质路线（PRB）剖面与地质图联合建模的步骤。

其中，地质体构成包括：

传统近似平行剖面的地质面构建方法的基本思路是：在两个相邻的剖面上选择两组可以对应拼接的弧段，采用轮廓线拼接的方式建立地质面，其主要过程为从两个相邻的地质剖面上寻找两组对应的剖面线进行拼接构建地质面。

在进行拼接的过程中平台提供合并添加线、添加尖灭点、提取子弧段、添加控制线、生成透镜体、相交面切割等一系列交互建模工具，用于三维环境下交互建模。

当地质面都生成以后，就可以形成地质块体了。首先创建一个空的地质体，选择相应的地层编号，然后把相应的地质面跟剖面区添加到该块体中去，就形成一个封闭的地质体。

我们采用改进后的建模方法。其地质体构成的不同点有：

（1）从近似平行剖面扩展到以水平（地质图）地质界线为框架，以路线剖面为约束，自动根据水平地质界线面构成的体，根据剖面深度方向的地质界线形态调整地质体深度方向的形态和关系，自动构成体。同时要根据剖面深度方向的地质界线形态和关系，确定地质体的逻辑关系，如图17所示的火山口环状中心位置切穿外围地质体。

关键技术有还包括：采用多交叉路线剖面与产状约束下的地质界线分块积分方法，推测出地表以下各分层的连续三维地质界线。也是本发明的技术核心。

采用分块积分方法建立三维地质体的精细模型，其关键是根据地表地质界线，在综合研究的路线剖面和地表已有产状点约束下，根据比例尺确定分块积分的精度与步距，逐层往下推断出连续下层地质界线。路线剖面，能够较为精细地反映出地质人员根据经验推断的地下地层情况。n个交叉路线剖面，一般可确定出2n个下方分层地层界线推断约束点，根据这些约束点，采用曲线拟合技术，可以计算出分层地质界线，各层之间通过三角面构建方法形成地质界面。需要注意的是，地质界线的形态不仅受剖面约束，同时受产状点约束，如何将产状点信息结合到多边形的平面推估与拟合中，最终推测出地表下方分层的连续三维地质界线。

（2）第四系覆盖层，岩脉的处理过程。

第四系覆盖层要作为独立的地层，与其他地层区分构建。其中，第四系覆盖层的分布范围从地质图上获取，厚度从综合钻孔柱状剖面图中获取。虽然不同位置第四系的覆盖厚度不同，但因数据有限，所有第四系地层的构建将从综合钻孔柱状剖面图中获取的地层厚度作为平均厚度（可将该厚度作为地质图中地层区的一个属性字段进行记录），然后向两侧推断。对于第四系地层，将多边形重心点/质心点作为第四系地层的最大厚度，然后向两侧推断，逐渐尖灭；其底面要基本与地表起伏保持一致，可固定少数几个点，直接从地形上进行推断，其他位置点通过插值获得，插值方法可选择距离反比、比样条等。

采用地质图与基岩地质图共同约束的方式，对第四系地层进行剥离，并能有依据的判断第四系覆盖层下的基岩分布情况。

将第四系地层在剖面的封闭处理的情况，如图18所示。

将第四系地层剥离的处理情况，如图19所示。

步骤17：最后生成三维地质图的步骤。

在步骤16的基础上，形成3D地质图，如图20所示。同时，还提供模型的爆炸分析，模型的拖拽分析工具和全区域地质体三维模型拓扑一致性检测工具。

在技术流程研究中，需要将模型拓扑一致性检测技术作为分析建模精度的一种手段和工具，并融入三维建模流程中。拓扑一致性是检验三维地质建模质量与正确性的一个重要标准，无论采取何种三维模型及相应建模方法建立的三维地质体模型，均不允许存在相邻地质体有交叠或者分离的情况。受制于有限的建模数据来源及建模区内原始数据的密度与质量的非均一性（如产状点不均匀、路线剖面影响的地质体有限），即使同一调查区域内也需采用不同的建模方法建立不同部分的地质体模型，其建模精细程度可能导致相邻地质体公共面的拓扑非一致性。因此，对地质体三维模型进行拓扑检测与修正，避免单一地质体自相交，并确保相邻地质体公共面的拓扑一致性。

本发明的地质路线（PRB）双重建模生成三维地质图的方法，还可以采用比较成熟的剖面建模方法，基于剖面的地质建模可分为四个基本过程：

第一，模型数据(钻孔数据或钻孔之间连成的剖面数据)的预处理步骤。

这里，所述预处理步骤为必要条件，否则无法生成，地质填图是无钻孔的，这是与前任三维建模方法最大的不同。

第二，剖面的定义、解释与圈定和生成的步骤。

第三，由剖面生成栅栏图，交互生产体元进而生成地质模型的步骤。

第四，地质模型的可视化及三维空间查询和分析过程。

本发明的地质路线（PRB）双重三维地质填图建模的主要特点有如下几点：

1）三维建模与业务流程一致，地质人员的概念建模型与可视化是动态一体联动的，不是相互独立的。

2）在3D地质图建模中，PRB双重建模在形成可视化的过程中，不存在大量低效和复杂的操作，软件根据地质路线（PRB）剖面、地质图约束及体模型规则，几乎是实时生成三维模型，适合地质人员自已完成建模全过程。

3）三维建模工具是数字地质调查软件的一部分。地质人员只要会用过数字填图软件，稍加培训即可操作。如果对该软件的矿体建模工具熟悉，则可实现地面地下一体化各种精细建模的一体化集成。

本发明的三维地质填图地质路线（PRB）双重建模与现有二维填图的主要区别有如下几点：

1）3D地质填图建模始于地质路线和实测地质剖面。由于地质体建模的相互约束，要求地质员采全采准野外观察数据。

2）每个地质体的（B）边界产状要尽量观察、收集和准确获得，以保证地质体正确的相互关系。

3）在计算机自动生成每一条地质路线剖面之后，地质员需根据区内地质体的演化特点或深部资料，在深度方向上，完善地质体向下延伸的走向、形态及其相互关系。其延伸的深度取决与资料和地质人员综合分析。

4）对野外手图、野外总图和实际材料图的地质调查成果一致性要求更高，建模过程将会直观暴露不合理的地质体关系。

5）根据地质图框架的约束和关系，可以完善和细化路线剖面深度的内容。

6）在三维基岩建模中，对于第四系覆盖的区域，地质人员可通过综合分析，采用剥离法，给出覆盖区下的基岩关系，使3D地质图更为完整。

较佳地，本发明方法还包括利用地球物理、地球化学、钻孔数据的整合和综合分析的步骤，具体为：

通过浅地表数据，使用地质图、剖面等信息，能够快速的构建三维地质结构模型，对填图区域的所有填图单元均能以三维实体的方式进行展示。能够快速构建工作区初始三维地质模型。然而，要构建更为精细的三维结构模型，如细分到岩性级别，必须使用剖面数据参与建模，包括根据钻孔数据连接的地质剖面、地球物理解释的剖面等。在地质路线剖面与平面地质图建模成果的基础上，可将地质剖面、地球物理解释的剖面等组成栅状剖面，再将栅状剖面划分为一系列的独立单元；对于每一个独立单元，使用精细交互建模工具，得到精细三维结构模型，再将所有单元的精细三维模型进行合并，得到整个建模区域的精细三维模型。

其中，对于深部资料，通过钻孔、地球物理等手段能够获取，通过对深部资料的综合分析（该过程由地质人员利用其他相关研究手段，融入其专业知识），结合基于钻孔和剖面信息建立三维模型方法（利用不同剖面间的地质时代或岩性信息建模），形成的解释性成果（比如剖面），利用数字填图系统空间建模工具，转换为空间上能可视化化的信息（如三维剖面），同时可以结合深部的其他类的属性模型（用于分析判断）。最后利用轮廓线构面、体元构建等工具，充分整合这些钻孔与剖面数据、物化探解释性成果信息，根据约束边界，进一步优化形成地质、地球物理、钻探多专业数据约束的三维地质精细模型。这个整合过程是数据整合和综合分析的过程。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。