基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法

摘要

本发明提供了一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法，本发明基于邻接实体整合模型，使用地质知识图谱推理出更新类型，并根据不同类型使用各自的更新策略实现三维地质体模型的局部动态更新，并从邻接实体整合模型转换为层面模型和构造面模型，完成层面模型的几何形状和拓扑关系的更新，实现三维地质体模型的局部动态更新，避免了原有地质模型推倒重建，有效保证更新后的地质模型正确性，提高地质体动态更新效率。

说明书

技术领域

本发明属于地质信息技术领域，涉及矿山地质、油气地质、灾害地质、城市地质、环境地质、水文地质等行业的地质体建模，特别是一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法。

背景技术

国外三维地质建模起始于20世纪70年代，第一次出现了基于三维线框模型(3Dwire frames)的三维地质建模系统，即“3D空间信息系统”。此系统首次将三维造型技术应用到地矿领域，实现的功能相对简单，能力有限。即便如此，此系统也有着不可取代的开创性意义。法国Nancy大学的J.L.Mallet教授，提出“离散光滑插值法”实现物理属性和空间位置的插值，使用结点之间的连接模拟拓扑关系，其带领的团队使用这种针对地质体的结构创新性地提出离散建模方法，将其运用到GOCAD三维地质建模软件中。A.B.Ekoule提出了非凸轮廓线三维物体重构的解决方法。随着总结推敲前人已有的技术成果，加拿大学者Houlding于1994年首次将三维地学建模(3D Geoscience modeling)的概念提出。这也意味着三维地质建模的发展开始朝着集成化的方向前进。最近，Calcagno等提出了一种利用地质界面位置和构造场方位数据建立地质模型的新方法。Caumon等提出了一种基于遥感数据和四面体网格的地层模型三维隐式建模方法，该方法允许把专家知识以及其它辅助的地上下数据集成进来参与模型的构建。Vollgger等提出了一种结合了基于大型钻孔数据集三维隐式建模与实地观测建模的矿床构造分析与评价方法。

尽管三维地质体建模取得了长足发展，也有些研究人员尝试了地质体动态更新的研究，但是仍存在很多问题有待深入研究，比如：有的研究是针对单个地质实体的更新，不能保证地质实体之间拓扑关系的正确性；有的研究是通过替换和连接表面的一部分，实现几何表面的更新，这种更新方式难以维持层面之间的拓扑，难以实现多层模型的更新；有些学者的设计是通过交互的方式更新，自动化程度不高，效率低，达不到动态的要求。有时候必须推倒整体模型全部重建，不能实现局部动态更新。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法，旨在解决现有技术中三维地质体模型自动动态更新难以保证更新后的地质模型正确性的问题，实现提高地质体动态更新效率，减少三维地质建模的工作量和成本。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法，所述方法包括以下操作：

S101、根据新的地质勘探数据，对原有的地质体模型划分更新区域，对更新区域内所有几何实体进行整合，转换为邻接实体整合模型；

S102、通过地质知识图谱推理推断更新区域内受新的地质勘探数据影响所造成的更新类型，包括无拓扑变化、增加地层和减少地层；

S103、针对不同更新类型采用不同的更新策略完成局部动态更新；

S104、从邻接实体整合模型转换为层面模型和构造面模型，完成层面模型的几何形状和拓扑关系的更新，实现三维地质体模型的局部动态更新。

优选地，所述通过地质知识图谱推理推断更新区域内受新的地质勘探数据影响所造成的更新类型具体为：

通过实体关系图谱中地层实体之间拓扑关系的查询，推理出新的地质勘探数据与原有模型构建时插值得到的地层序列之间的变化。

优选地，所述更新类型为无拓扑变化时，采用的更新策略为：

S201、将新增钻孔/剖面所在直线/平面与地质实体的交点/交线添加到地质实体的数据域和拓扑域中；

S202、计算新增钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层顶、层底交点/交线的空间位置在新增钻孔/剖面中沿钻孔/剖面方向变化的相对距离；

S203、遍历地质实体中所有三角形面，通过三角形面的法线找出该地层的上下表面；

S204、采用插值移动向量法，选取一种空间插值算法，分别对地质实体中每一个处于更新区域内的顶点进行空间插值，推算出应该沿钻孔/剖面方向移动的距离并移动。

优选地，所述钻孔/剖面所在直线/平面与地质实体的交点/交线在添加时，需保持两个邻接地质实体的相邻面之间的数据域相同，拓扑域保持面片法线方向相反。

优选地，所述处于更新区域内的顶点位于地层上表面时，按照钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层顶交点/交线在新增钻孔/剖面中移动的距离进行插值；顶点位于地层下表面时，按照钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层底交点/交线在新增钻孔/剖面中移动的距离进行插值；顶点既位于上表面又位于下表面时，保持不动。

优选地，所述空间插值算法为克里格或距离幂次反比方法。

优选地，所述更新类型为增加地层时，采用的更新策略为：

S301、根据新增地质勘探数据中的地层序列，找到新增地层的上下相邻地层；

S302、按照无拓扑变化的更新策略分别更新上下相邻地层的下/上表面，在无拓扑变化更新策略的第S204步骤中移动顶点时，通过整合模型的数据域中顶点的多面体ID列表字段查找共用该点的地质实体，若与新增地层共用，则正常移动；若与新增地层的另一个上下邻接地层共用，则通过裂点的方式移动，并记录下拓扑域中该顶点所在三角形面的反向拓扑；若与其他地层共用，则保持不动；

S303、若在步骤S302中，对新增地层的上下相邻地层的更新过程中存在与表示新增地层的地质实体共用顶点的情况时，则向表示新增地层的地质实体的拓扑域中增加步骤S302中记录的反向拓扑；若不存在与表示新增地层的地质实体共用顶点的情况时，则将步骤S302中记录的反向拓扑组合起来新建一个地质实体，并维护整合模型中顶点的多面体ID列表字段。

优选地，所述更新类型为减少地层时，采用的更新策略为：

S401、在更新区域内使用所有地质勘探数据，包括原有数据和新增数据，构建该减少的地层的上下表面；

S402、分别使用S401构建的上下表面对该减少的地层进行布尔剪切；

S403、将步骤S402中上下表面剪切掉的部分分别通过布尔操作与上下相邻地层合并。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明基于邻接实体整合模型，使用地质知识图谱推理出更新类型，并根据不同类型使用各自的更新策略实现三维地质体模型的局部动态更新，有效保证更新后的地质模型正确性，提高地质体动态更新效率；

由于利用地质知识图谱可快速准确的推理出局部动态更新所属的更新类型，然后针对每种更新类型采用不同的更新策略进行更新，避免了原有三维地质体模型的推倒重建；

由于采用邻接实体整合模型，该模型通过整合邻接地质实体，能在更新过程中自动保持邻接地质实体之间拓扑关系的正确性，克服了常规需要人工交互的方式保证更新后模型拓扑关系的正确性，更新速度快，提高了地质体局部动态更新的准确率和效率；

由于分别针对无拓扑变化、增加地层和减少地层三种更新类型提出了不同的更新策略，更新过程中采用插值移动向量法，可保证地质模型的几何形状和拓扑关系的变化符合地质语义的约束，最终实现三维地质体模型的自动局部动态更新，实现了局部动态更新的自动化，保证了自动动态更新的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种邻接实体整合模型数据结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法流程示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法进行详细说明。

本发明实施例公开了一种基于知识图谱推理的三维地质体模型局部动态更新方法，所述方法包括以下操作：

S101、根据新的地质勘探数据，对原有的地质体模型划分更新区域，对更新区域内所有几何实体进行整合，转换为邻接实体整合模型；

S102、通过地质知识图谱推理推断更新区域内受新的地质勘探数据影响所造成的更新类型，包括无拓扑变化、增加地层和减少地层；

S103、针对不同更新类型采用不同的更新策略完成局部动态更新；

S104、从邻接实体整合模型转换为层面模型和构造面模型，完成层面模型的几何形状和拓扑关系的更新，实现三维地质体模型的局部动态更新。

本发明实施例创新性的提出了一种能在更新过程中自动保持邻接地质实体之间拓扑关系正确性的模型，即邻接实体整合模型。该模型通过整合邻接地质实体，使得更新过程中相邻接的地质实体可同时更新，保证各个地质实体之间的拓扑关系保持不变。

获取需要局部动态更新的原有地质体模型，进行数据预处理，从而将三维地质体模型整合为邻接实体整合模型。其中数据预处理过程如下：

载入新的地质勘探数据，包括局部新的钻孔、剖面等数据，根据新旧地质原始数据在三维空间中的位置信息划分更新区域，对更新区域内所有几何实体进行整合，转换为邻接实体整合模型。在预处理过程中，选取钻孔时需遵循钻孔信息的全面性和钻孔空间分布的均匀性两个原则，选择好钻孔后根据孔口坐标和地层分层属性进行投影，然后对输入的剖面进行选择和投影。

所述邻接实体整合模型的数据结构如图1所示，包括点对象、数据域和拓扑域，点对象包含点坐标以及多面体ID列表Polyhedron ID List字段，数据域存放对象数据，拓扑域存放拓扑关系。

在将三维地质体模型整合为邻接实体整合模型后，载入用于三维地质体模型更新的数据，通过地质知识图谱推理出更新类型，该过程主要通过不同地层之间的上下层接触关系进行推理。在知识图谱中，节点表示实体、边表示关系，在本应用场景下，可用实体表示地层，关系描述不同地层之间的接触关系。知识图谱在逻辑上可分为概念关系图谱以及实体关系图谱。概念关系图谱表达了经过验证的知识，包含明确的概念以及概念之间的关联关系，可对地层的上下层接触关系等公理进行表达；实体关系图谱则还包含实体及其关系，通过实体关系图谱中地层实体之间拓扑关系的查询，可推理出新的地质勘探数据与原有模型构建时插值得到的地层序列之间的变化，进而推理出更新类型属于无拓扑变化、增加地层或减少地层中的哪一种类型。

对于不同更新类型，包括无拓扑变化、增加地层或减少地层类型，采用不同的更新策略进行更新。

对于无拓扑变化更新类型，新旧勘探数据之间没有发生拓扑变化，新增勘探数据中存在地层与旧勘探数据中该地层对应，只是勘探数据中地层的层顶、层底的空间位置发生变化，其动态更新步骤如下：

S201、将新增钻孔/剖面所在直线/平面与地质实体的交点/交线添加到地质实体的数据域和拓扑域中，可以使新增地质原始数据参与更新过程。在添加交点/交线时需保持两个邻接地质实体的相邻面之间的数据域相同，拓扑域保持面片法线方向相反，防止出现两个地质实体之间发生重叠、空洞等不合理情况，因此添加交点时邻接的两个地质实体的拓扑域应同时添加；

S202、计算钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层顶、层底交点/交线的空间位置在新增钻孔/剖面中沿钻孔/剖面方向变化的相对距离；

S203、遍历地质实体中所有三角形面，通过三角形面的法线找出该地层的上下表面；

S204、采用插值移动向量法，选取一种空间插值算法，克里格或距离幂次反比等方法，分别对地质实体中每一个处于更新区域内的顶点进行空间插值，推算出应该沿钻孔/剖面方向移动的距离并移动，其中位于地层上表面的顶点按照钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层顶交点/交线在新增钻孔/剖面中移动的距离进行插值；位于地层下表面的顶点按照钻孔/剖面所在直线/平面与该地层层底交点/交线在新增钻孔/剖面中移动的距离进行插值；既位于上表面又位于下表面的点保持不动。由于不同地层之间的模型已经整合在一起，所以当移动一个顶点时，共用该顶点的实体仍然保持邻接关系。

对于增加地层更新类型，增加地层是指相比于原有地层序列，新增勘探数据的地层序列中存在之前不存在的地层，出现这种变化的情况有尖灭过早、增加透镜体等，这两种情况均可通过下述动态更新算法进行更新，具体动态更新步骤如下：

S301、根据新增地质勘探数据中的地层序列，找到新增地层的上下相邻地层；

S302、按照无拓扑变化的更新算法分别更新上下相邻地层的下/上表面，在无拓扑变化更新算法的第S204步骤中移动顶点时，通过整合模型的数据域中顶点的PolyhedronID List字段查找共用该点的地质实体，若与新增地层共用，则正常移动；若与新增地层的另一个上下邻接地层共用，则通过裂点的方式移动，并记录下拓扑域中该顶点所在三角形面的反向拓扑；若与其他地层共用，则保持不动；

S303、若在步骤S302中，对新增地层的上下相邻地层的更新过程中存在与表示新增地层的地质实体共用顶点的情况时，对应尖灭过早的情况，则向表示新增地层的地质实体的拓扑域中增加步骤S302中记录的反向拓扑；若不存在与表示新增地层的地质实体共用顶点的情况时，对应需要增加透镜体的情况，则将步骤S302中记录的反向拓扑组合起来新建一个地质实体，并维护整合模型中顶点的Polyhedron ID List字段。

对于减少地层更新类型，减少地层是指相比于原有地层序列，新增地质勘探数据的地层序列减少了之前存在的地层，出现这种变化的情况有尖灭过晚、地层存在空洞等，这两种情况均可通过下述动态更新算法进行更新，具体动态更新步骤如下：

S401、在更新区域内使用所有地质勘探数据，包括原有数据和新增数据，构建该减少的地层的上下表面；

S402、分别使用S401构建的上下表面对该减少的地层进行布尔剪切；

S403、将步骤S402中上下表面剪切掉的部分分别通过布尔操作与上下相邻地层合并。

从邻接实体整合模型转换回更新后的层面模型，完成层面模型的几何形状和拓扑关系的更新，从而实现地质体地层面、构造面及拓扑关系的同步更新。

如图2所示，本发明实施例以QuantyView平台为例，对三维地质体模型进行局部动态更新：

S501、输入某个建模区域地质勘探数据集合；

S502、将地质勘探数据投影到三维场景中；

S503、根据新旧地质勘探数据在三维空间中的位置信息划分更新区域；

S504、对更新区域内所有原始几何实体进行整合，转换为邻接实体整合模型；

S505、使用地质知识图谱推理出局部动态更新所属的更新类型；

S506、采用插值向量法，分别针对无拓扑变化、增加地层和减少地层三种不同的更新类型采用不同的动态更新策略进行几何、拓扑以及语义关系的更新；

S507、重复步骤S501-S506完成所有新勘探数据的更新；

S508、从邻接实体整合模型转换回更新后的层面模型，完成层面模型的几何形状和拓扑关系的更新，从而实现地质体地层面、构造面及拓扑关系的同步更新。

其中，步骤S501-S504是数据预处理阶段，步骤S505-S507是局部动态更新阶段，步骤S508是数据后处理阶段。

本方法不同于常规需要大量人工交互才能保证地质实体之间拓扑关系正确性的局部动态更新，通过发挥邻接实体整合模型的优势，使用地质知识图谱推理更新类型，针对不同类型采用特定的更新策略，实现局部动态更新的自动化，并且保持地质实体之间拓扑关系符合地质语义约束，有效的解决了现有三维地质体模型动态更新难以保证更新后地质模型正确性的问题，可以提高地质体动态更新效率，极大的减少了三维地质建模的工作量和成本。

本发明将邻接实体整合模型的数据结构以及基于地质知识图谱推理分类进行更新的思路引入后，有效解决了地质体模型局部动态更新的难题，可在各种三维地质建模系统、油气信息系统、矿山信息系统、地质调查系统或者灾害信息系统等软件中推广使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。