一种大地电磁三维地质结构模型的建模方法

摘要

本发明公开了一种适用于大地电磁正反演的复杂三维地质结构模型的建模方法，在三维地质建模中块状模型是一种有效的三维地质模型，它能够准确描述和表达地质对象的几何特征、拓扑结构和属性参数，三维块状地质体是一个由三角网面定义的封闭体，封闭体内的介质具有相同或近似的地质属性。本发明提供了一种构建大地电磁复杂三维地质块状的方法，并在块状模型的基础上使用扫描线技术将其离散化为大地电磁正反演算法可以直接使用的网格模型。该方法能够构建任意复杂的地质结构模型，包括层状、正逆断层、尖灭、透镜体、侵入体等各种复杂结构，具有很强的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及大地电磁勘探和三维地质建模领域，具体是涉及一种适用 于大地电磁正反演的复杂三维地质结构模型的建模方法。

背景技术

三维地质模型是大地电磁正反演的基础，一个有效的三维地质模型应 当能够描述和表达地质对象的几何特征、属性特征和拓扑关系。随着 勘探研究的不断深入，大地电磁正反演迫切需要建立真实的能够反应 地下复杂结构的三维地质模型，然而真实的地质结构复杂多样，三维 地质模型更为复杂。

传统的层状结构建模方法通过对已知层面的离散点进行曲面插值，仅 仅能够创建层状地质模型，无法有效模拟断层、透镜体、侵入体等复 杂地质结构，因而有很大的局限性。基于剖面重构的建模方法需要用 户预先解释并建立二维剖面，根据剖面二维结构自动推导三维结构， 重构三维模型，在剖面方向上可以建立任意复杂的地质结构模型，然 而在垂直于剖面的重构方向上由于推导算法有一定局限性仅能够推导 几种简单的拓扑关系，因而不能建立任意复杂的三维模型。

发明内容

为了建立任意复杂的三维模型，应该以块状模型为基础，在三维地质 建模中块状模型是一种有效的三维地质模型，它能够准确描述和表达 地质对象的几何特征、拓扑结构和属性参数，三维块状地质体是一个 由三角网 面定义的封闭体，封闭体内的介质具有相同或近似的地质属性。

本发明的目的在于提供一种大地电磁三维地质结构模型的建模方法， 该方法通过建立任意复杂的三维块状模型，以及将块状模型转化为适 合于大地电磁正反演的离散网格模型，可解决大地电磁复杂块状地质 模型的生成和离散化问题。

为达到上述目的，本发明采用的建模方法包括如下步骤：

（1）从原始资料(来自于钻井、剖面解释、层位解释等)获取原始层位 和断层的离散控制点P(x, y, z)的数据，使用Delaunay三角形剖分 算法先将同一层位或断层上的三个相邻控制点构成三角形T(p1, p2,  p3)，再将一个或多个相连的三角形构成层位或断层三角网S(T₁,  T₂…T_n)，如果离散控制点较少，则采用曲面插值方法（如距离反比、 径向基函数、克里金等）对原始离散点插值，具体是建立曲面方程， 利用曲面方程在已得到的三角网中插入合适数量的插值控制点，以对 三角网进行细化，为了便于之后的求交计算，所建立的初始三角网应 适当地向外拓展一些；

（2）按照两两求交裁剪的原则对三角网模型进行求交裁剪，裁剪时先 确定裁剪面和被裁剪面，求出它们对应三角网中所有相交三角形对的 交线段，将交线段首尾相连拼接成完整的交线，然后根据交线对三角 网重新进行剖分，构造在交线处相交的两个三角网具有相同拓扑结构 的三角网模型；

（3）建立模型外边界三角网，所述模型外边界三角网是指前、后、左 、右、上、下六个外边界面三角网，其中上、下两个外边界面三角网 分别由地表和底层层面三角网确定，前、后、左、右四个外边界面三 角网由各自提取出的边界线加入边界面的外边框线构成，其中前边界 面从所有层面、断层面三角网上提取Y坐标为模型Y坐标最大值的边界 线，后边界面提取Y坐标为模型Y坐标最小值的边界线，左边界面提取 X坐标为模型X坐标最小值的边界线，右边界面提取X坐标为模型X坐标 最大值的边界线；

(4) 进行三维块体追踪，建立三维封闭块体, 所述三维块体追踪是 逐三角形进行的，以某一三角形开始不断搜寻邻接的块体三角形直至 构成一个完整的封闭块体，所述三维封闭块体是由层面、断层面和外 边界面三角网片构成的封闭块体，块体内部介质具有相同或近似的地 质属性；

（5）使用扫描线方法将块体模型转化为离散网格模型。

上述步骤（2）中所述根据交线对三角网重新进行剖分是指：对于被切 割三角网应去除切除部分的控制点，将剩余控制点加上交线控制点重 新进行三角网剖分，以得到一张服从交线的三角网；对于切割三角网 由于交线上存在原三角网上不存在的控制点，应找出这些控制点并将 其加入到切割三角网中，重新进行剖分，并且进行限定,使三角网在交 线处的拓扑一致。按照交线重新剖分的三角网在交线处具有相同的拓 扑结构，在一个三角网上以交线段为边界的三角形一定会找到它在相 交三角网上以该交线段为临边的三角形，为了便于之后进行块体追踪 ，需要将三角形邻接关系记录到对应的三角形中。

步骤（2）中三角网模型进行求交时可以采用包围盒测试法来判断三角 形是否能相交，具体是为三角形建立一个外包围盒子，如果两个三角 形的外包围盒子不相交，那么说明这两个三角形一定不相交，如果外 包围盒子相交说明两个三角形有相交的可能性，可以继续进行三角形 求交算法。对于给定的两个三角形，首先计算出各自的平面方程，如 果这两个平面不平行，则求出一个三角形与另一三角形所在平面的交 线，然后判断这段交线是否落在这两个三角形中，如果在三角形中， 说明两个三角形相交，并得到交线。对所有网中的三角形进行上述检 测和求交算法，可以得到多个交线段，将这些交线段首尾连接起来可 以得到完整的交线。

上述步骤（4）中三维块体追踪的具体方法如下：

1）将除外边界、地表、底层三角形外的其余层面、断层面三角形复制 一份，改变其旋向，并将所有三角形的访问标志都置为False；

2）新建一个空的三维地质块体B_i，选择一个访问标志为False的起始 三角形，将它加入可用三角形队列Q；

3）取出Q队列的队头三角形T；

4）将T加入到块体中，并将其访问标志置为True；

5）遍历三角形T的三条棱边E₁、E₂和E₃执行步骤6）和步骤7）；

6）根据棱边E_i找出以此为公共棱边的相邻三角形，如果相邻三角形只 有一个则将其作为追踪的下一个三角形T_b，若有多个，则确定一个垂 直于棱边Ei的平面，将当前三角形T和多个相邻三角形都投影到该平面 上，三角形投影到平面上以后缩为一条线段，找出与三角形T投影线段 L夹角最小的三角形，将其作为追踪的下一个三角形T_b；

7）检查待追踪的相邻三角形，如果其访问标志为False则将其加入到 队列Q中；

8）如果队列Q为空说明当前块体追踪已结束执行步骤9），否则返回步 骤3）处理下一个可用三角形；

9）如果还存在未被追踪的三角形返回步骤2），否则退出。

上述步骤（5）中所述使用扫描线方法将块体模型转化为离散网格模型 的具体步骤是：

1）自动划分或导入网格模型；

1）   2）遍历所有的网格单元，从网格单元中心向下引一条垂直 射线，计算射线与各个地质块体的交点，找出交点为奇数个的块体， 将该块体的电阻率属性值设置到网格单元中。

本发明方法由于是基于三维块状地质模型的建模方法，因此能够构建 任意复杂的地质结构模型，包括层状、正逆断层、尖灭、透镜体、侵 入体等各种复杂结构，具有很强的实用性。本发明方法中所提出的基 于包围盒 子的三角网求交算法，以及利用三角网重新剖分有效解决了拓扑一致 的地质层面的求交和裁剪；所提出的自动追踪建立三维封闭块体的方 法，可实现通过层面三角网模型自动构造封闭块体模型；所提出的扫 描线方法可以将块体模型转化为适用于大地电磁正反演的离散网格模 型。

附图说明

图1为利用原始资料建立的初始三角网模型效果图。

图2为进行求交裁剪后的三角网模型效果图。

图3为构造外边界后的三角网模型效果图。

图4为最终构造的封闭块体模型效果图。

具体实施方式

（1）从原始资料获取原始层位、断层离散点P(x, y, z)的数据，提 取同一层位或断层的离散控制点，通过Delaunay三角网剖分算法构造 初始的三角网模型，初始的三角网要向外延展一些，以方便之后的求 交和裁剪,如果原始控制点较少，则使用曲面插值方法对原曲面进行插 值，通过所建立的曲面方程将适当密度的插值点插入原三角网中，以 构造平滑的加密三角网。图1给出了利用原始离散点建立的初始三角网 模型效果图，该模型尺寸为1000m×500m×500m，利用径向基函数插值 方法加密三角网后最大三角形边长<=50m。

（2）对三角网模型进行求交裁剪，根据交线对三角网重新进行剖分， 构造拓扑一致的三角网模型。求交裁剪用于将初始模型中曲面的多余 部分裁掉，同时确保交线处三角网拓扑结构的一致性，记录三角形的 边邻关系。

模型求交裁剪应遵循两两求交裁剪的原则，先进行地表裁剪，再进行 断层面间裁剪，尖灭层面裁剪，最后进行断层面对层面的裁剪，以避 免多次反复裁剪。

在三角网裁剪时先确定裁剪面和被裁剪面，求出它们对应三角网中所 有相交三角形对的交线段，将交线段首尾相连拼接成完整的交线。对 于被切割三角网应该去除切除部分的控制点，将剩余控制点加上交线 控制点重新进行三角网剖分，这样就可以得到一张服从交线的三角网 ；对于切割三角网由于交线上存在原三角网上不存在的控制点，找出 这些控制点把他们加入到切割三角网中，重新进行剖分，并且进行限 定，确保三角网在交线处的拓扑一致性。图2给出了求交裁剪处理后的 三角网模型效果图，通过求交裁剪去除了层面和断层面的多余部分， 并且确保了在交线处相交的两个三角网有相同的拓扑结构。

（3）建立模型外边界三角网，所述模型外边界三角网是指前、后、左 、右、上、下六个外边界面三角网，其中上、下两个外边界面三角网 分别由地表和底层层面三角网确定，前、后、左、右四个外边界面三 角网由各自提取出的边界线加入边界面的外边框线构成，其中前边界 面从所有层面、断层面三角网上提取Y坐标为模型Y坐标最大值的边界 线，后边界面提取Y坐标为模型Y坐标最小值的边界线，左边界面提取 X坐标为模型X坐标最小值的边界线，右边界面提取X坐标为模型X坐标 最大值的边界线，所构造的三角网满足所有提取出的边界线的限定。 图3给出了构造外边界面后的三角网模型效果图。

（4）自动追踪建立三维封闭块体。三维块体追踪是逐三角形进行的， 以某一三角形开始不断搜寻邻接的块体三角形直至构成一个完整的封 闭块体，三维块体追踪方法如下： 

1）除外边界、地表、底层三角形外，将其余层面、断层面三角形多复 制一份，改变其旋向，并将所有三角形的访问标志都置为False；

2）新建一个空的三维地质块体B_i，选择一个访问标志为False的起始 三角形，将它加入可用三角形队列Q；

3）取出Q队列的队头三角形T；

4）将T加入到块体中，并将其访问标志置为True；

5）遍历三角形T的三条棱边E₁、E₂和E₃执行步骤6）和7）；

6）根据棱边E_i找出以此为公共棱边的相邻三角形，如果相邻三角形只 有一个则将其作为追踪的下一个三角形T_b，若有多个，则确定一个垂 直于棱边Ei的平面，将当前三角形T和多个相邻三角形都投影到该平面 上，三角形投影到平面上以后缩为一条线段，找出与三角形T投影线段 L夹角最小的三角形，将其作为追踪的下一个三角形T_b;

7）检查待追踪的相邻三角形，如果其访问标志为False则将其加入到 队列Q中；

8）如果队列Q为空说明当前块体追踪已结束执行步骤9），否则返回步 骤3）处理下一个可用三角形；

9）如果还存在未被追踪的三角形返回步骤2），否则退出。

图4给出了进行三维块体自动追踪后得到的块状模型效果图。

（5）使用扫描线方法将块体模型转化为离散网格模型。具体步骤是：

1）自动划分或导入网格模型；

2）遍历所有的网格单元，从网格单元中心向下引一条垂直射线，计算 射线与各个地质块体的交点，如果射线起点在块体内部则射线与块体 的交点数目为奇数，反之若在块体外部则交点数目必然为偶数，根据 交点数目的奇偶性可以判断网格单元中心点在哪个地质块体中，找出 交点为奇数个的块体，将该块体的电阻率属性值设置到网格单元中。