地下空间三维地质环境评价模型的建模方法、装置及设备

摘要

本发明公开了一种地下空间三维地质环境评价模型的建模方法、装置及设备，该方法包括：根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；将综合分析评价结果进行三维展示。该装置包括：特征表征单元、分析评价单元和三维展示单元，分别对应实现方法的各个步骤。本发明基于Voxler平台实现，对数据的兼容性好，支持多种类型的数据输入，并具有分析、计算和三维展示功能，可以实现地下空间开发地质环境适宜性的三维评价。

说明书

技术领域

本发明涉及地质评价及建模技术领域，特别涉及一种地下空间三维地质环境评价模型的建模方法、装置及设备。

背景技术

地下空间地质环境评价是一个综合性问题。评价内容应该涉及地理位置、区域稳定性、岩土体特征、水环境特征等，特别是考虑岩土体空间组合特征，每一影响因子含诸多指标因素，所涉及到的影响因素众多，因此评价难度很大。而且目前对于地下空间地质环境评价工作多基于图表信息类的编制与收集，采用人工处理数据的方式，其过程繁琐、工作量大、效率低、更新不及时等诸多问题。数据格式的不统一为后续工作造成诸多不便。不仅如此，地下空间是一个密封未开发的空间，其地质环境特征不能直观呈现在眼前，需要将其可视化才能更加真实客观的评价。因此，通过三维地质建模的方式可以很好的解决这一难题。

目前，三维地质建模的数据结构主要是面模型结构、体模型结构和混合模型结构三种。面模型结构是由点生成面法，结构简单、操作简单，但算法精度误差较大，很难表达地质体的内部地质特征。体模型包括规则单元体和不规则单元体，其能够准确表达地质体内部地质环境特征，且具备空间分析能力，但数据量较大时，运算效率低，误差也大。混合模型是指多个个体模型和面模型的混合，此方法可以提高地质体内部精度，但操作复杂，需操作人员对地质环境有全面的认识和了解，其理论技术仍需提高。

三维地质建模的软件应用在地下空间地质环境评价领域应用较少，多应用于矿山、能源等技术领域如GOCAD、3DMINE、EarthVision等，而可视化和定量化的大数据集成运算和信息提取技术也需要在各领域得到充分应用。因平台较多，缺乏统一建模标准，模型的数据与其他软件或平台兼容性较差，造成勘察数据无法直接应用于模型数据源，共享性差。各个平台建模的流程有所不同，专业性很强，操作流程较难，数据间的计算和衔接不够精确，可视化和数据之间相互转换建模的共享性和交换性较差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明基于Voxler软件所提供的一种三维数据处理及可视化平台，能够直观展示钻孔分布、地质体展布和各类原位测试、土工试验、物探数据等。通过Voxler数据处理模块对地下空间地质环境进行综合分析，将传统的二维评价方法与三维立体模块相结合，突出空间中每个评价单元体的地质环境特征，综合评价结果能够客观反映出地下空间资源赋存的地质环境特征，即产生出一种针对地下空间地质环境评价的新方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种地下空间三维地质环境评价模型的建模方法，包括以下步骤：

根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；

根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；

将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

进一步地，所述地质界面建模表征的步骤包括：

在Surfer中导入编辑好的地质界面初始数据后进行数据插值，并将插值结果导出为GRD格式的文件；

将GRD文件直接导入Voxler，然后点击模块管理窗口中的HeightField功能与导入的GRD文件相连；

选中Network Manger中的HeightField，在属性管理窗口中调整地质界面的显示效果。

进一步地，所述地质体建模表征的步骤包括：

通过地质界面的包围显示：地质体的边界即为地质界面，基于已知的地质界面，通过Math计算模块对地质界面包围的内部空间数据进行白化，最终连接到VolRender模块导出显示。

进一步地，所述地质体建模表征的步骤包括：

通过离散的属性点插值显示：基于已知的各个钻孔所揭露出的某个地层的位置及其厚度数据，通过Gridder计算模块对数据进行插值分析，最终连接到Isosurface模块导出显示。

进一步地，所述钻孔建模表征的步骤包括：

导入Collars数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

导入Trajectories数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

导入Sample数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

点击模块管理窗口中的Well功能，并将其与上面步骤导入的Collars、Trajectories和Sample数据连接；

点击模块管理窗口中的WellRender功能，与以上步骤生成的Well数据连接；

选定WellRender文件，在属性管理窗口可调整钻孔的显示效果。

进一步地，所述岩土属性建模表征的步骤包括：

导入整理好的散点岩土属性数据，注意在Property Manager中的Output部分将输出类型设置为Points，而不是Wells；

点击模块管理窗口中的ScatterPlot功能，与以上步骤生成的Points数据连接；

选定ScatterPlot文件，在属性管理窗口中调整属性点的显示效果，HDF格式的物探数据可直接导入模型中。

进一步地，所述根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果的步骤，包括：

使用Gridder模块将评价空间离散为立体网格；

根据各评价因素的空间变异特征对立体网格进行属性赋值；

对立体网格附着的多个属性值按综合评价的数学模型进行计算，根据计算获得的属性值按一定阈值划分后即可获得综合分析评价结果。

进一步地，所述将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型的步骤，包括：

将综合分析评价结果在Voxler平台中进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型，该地下空间三维地质环境评价模型可进行任意比例的放缩和任意角度的观察；

采用ClipPlane模块对地下空间三维地质环境评价模型进行任意切割，观察评价结果在垂向上的变化特征。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种实现上述方法的地下空间三维地质环境评价模型的建模装置，包括以下单元：

特征表征单元，用于根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；

分析评价单元，用于根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；

三维展示单元，用于将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的地下空间三维地质环境评价模型的建模方法的步骤。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

利用Voxler平台擅长处理X、Y、Z、C形式的数据类型，将地下三维空间中的某一点赋予属性值C，通过Voxler平台内的数据处理模块对地下空间地质环境进行综合分析，将传统的二维评价方法与三维立体模块相结合，突出空间中每个评价单元体的地质环境特征。该方法所构建的三维模型操作简单，思路清晰，容易上手，且精度较高，突破以往在二维平面上泛泛评价的不足，更加符合地质环境特征三维变化的实际，具有良好的推广应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一种地下空间三维地质环境评价模型的建模方法的总体流程图；

图2为本发明实施例中Voxler中地质界面的初始化数据格式；

图3为本发明实施例中Voxler中地质界面可视化的数据组织形式；

图4为本发明实施例中Voxler中地质体可视化的数据组织形式和显示效果；

图5为本发明实施例中Voxler中钻孔可视化的数据组织形式；

图6为本发明实施例中Voxler中钻孔可视化的效果；

图7为本发明实施例中Voxler中地质体属性数据的可视化效果；

图8为本发明实施例中三维评价实现的概念模型；

图9是本发明实施例中基于Voxler平台地下空间开发地质环境适宜性三维评价效果；

图10是本发明实施例中一种地下空间三维地质环境评价模型的建模装置的结构示意图；

图11是本发明实施例中一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，本发明提供了一种地下空间三维地质环境评价模型的建模方法，包括以下步骤：

S1：根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；

S2：根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；

S3：将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

基于但不限于上述方法，其中的S1具体实现步骤如下：

S11：地质界面建模表征

①在Surfer中导入编辑好的数据(地质界面的初始数据格式，见图1)，并将插值结果导出为GRD格式的文件。②将GRD文件直接导入Voxler，然后点击模块管理窗口中的HeightField功能与导入的GRD文件相连。③选中Network Manger中的HeightField，在属性管理窗口中调整地质界面的显示效果(见图3)。

应当说明的是：Surfer与Voxler均为Golden Software公司推出的软件，Voxler擅长处理x，y，z：C型的数据，Surfer擅长处理x，y，z型的数据(反应地质界面形态的控制点数据为x，y，z型的)。

在Voxler、Surfer中，提供了13种插值方法：克里金插值法、改进克里金插值法、反距离加权插值法、线性插值三角网法、最小曲率法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、局部多项式法、径向基函数法、多元回归法、改进谢别德法、数据度量法、移动平均法。应根据不同地质体情况合理选择插值方法。

本实施例中优选其中的反距离加权插值法，其特点是在任何一个观测值都对邻近的区域有影响，且影响的大小随距离的增大而减小，可以通过调整权重来改变空间插值的结构。克里格法是根据相邻变量的值，利用变差函数揭示区域变量的内在联系来估算空间变量数值，其网格化精度高。

S12：地质体建模表征

方式1：通过地质界面的包围显示。地质体的边界即为地质界面，基于已知的地质界面，通过Math计算模块(算式格式为Z>B？0:A或Z

方式2：通过离散的属性点插值显示。比如已知各个钻孔所揭露出的某个地层的位置及其厚度数据，基于这些数据，通过Gridder计算模块对数据进行插值分析，最终连接到Isosurface模块导出显示(见图4)。

S13：钻孔建模表征

①导入Collars数据。单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件(Collar文件为XLSX格式，初始数据格式如图5所示)，将数据添加到Network Manger窗口。在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points。②导入Trajectories数据，步骤同上。③导入Sample数据，步骤同上。④点击模块管理窗口中的Well功能，并将其与上面步骤导入的Collars、Trajectories和Sample数据连接。⑤点击模块管理窗口中的WellRender功能，与以上步骤生成的Well数据(图5中所示的BoreholeData)连接。⑥选定WellRender文件(图5中所示的BoreholeRender)，在属性管理窗口可调整钻孔的显示效果(见图6)。

S14：岩土属性建模表征

反应岩土属性的点数据处理方法：①导入整理好的散点属性数据(初始岩土属性数据的格式如图7所示)，注意在Property Manager中的Output部分将输出类型设置为Points，而不是Wells。②点击模块管理窗口中的ScatterPlot功能，与以上步骤生成的点数据连接。③选定ScatterPlot文件，在属性管理窗口中调整属性点的显示效果。HDF格式的物探数据可直接导入模型中。

基于但不限于上述方法，其中的S2具体实现步骤如下：

①使用Gridder模块将评价空间离散为立体网格；②根据各评价因素的空间变异特征对立体网格进行属性赋值(理论上网格划分的越密，属性变化的边界越光滑)；③对立体网格附着的多个属性值按综合评价的数学模型(如加权求和)进行计算(使用Math运算模块)，根据计算获得的属性值按一定阈值划分后即可获得综合评价结果(见图8)。

网格化的流程为：右键单击数据源，选择“计算模块”中的“网格化”模块，在属性设置中选择“开始网格化”或者“重新网格化”。在联络图管理器中添加“网格化”模型时，应与上游数据源进行连接。应考虑网格数据节点的密度、间距等问题对网格化模型的属性进行设置，选择合适的插值方法。

对于重复点组合成单个代表值的情况可以通过“过滤器”模块来完成，不需要重新整理数据源数据，减少重复工作量。

过滤器模块的操作一般是将数据源数据网格化，将空间上的点数据转化为离散点，通过“数学”模块中的“过滤”模块对平面坐标数据进行筛分，过滤起伏跳跃较大的数据，使得模型表面平滑。

处理重复点的步骤为：

a、单击联络图管理器中的数据源模块。

b、在“模块管理器”的“计算”文件夹部分中，双击“重复过滤器”模块将其添加到网络管理器。

c、单击联络图管理器中的“重复过滤器”模块以选择它。

d、在属性管理器中，将“保留数据”选项更改为“中位数Z”。

e、在属性管理器中，输入固定值作为Z容差。

基于但不限于上述方法，步骤S3是这样实现的：

将最终综合分析评价结果在Voxler平台中可进行意比例的放缩和任意角度的观察。采用ClipPlane模块可对三维评价结果进行任意切割，观察评价结果在垂向上的变化特征。从而实现地下空间三维地质环境评价模型的构建(见图9)。

本实施例中，S3所述的地下空间三维地质环境评价模型的构建的详细实施步骤如下：

a：按照传统评价方法，选择合适的评价因子并计算其权重；

b：制作导入Voxler中的数据源，此表格信息包括：钻孔编号、钻孔平面坐标、高程、评价因子分别评分数值；

c：修改数据源属性表，修改输出方式和将属性表一一对应；

d：将数据源模块网格化，在网格化属性管理器中选择“输出内容”时选择评价因子一进行网格化；

e：在网格化后连接“数学”模块，网格化后的数据作为数学表达式中的A参数；

f：导入研究区内的地形图，作为数学表达式中的B参数。在“数学”模型的属性管理器中将表达式更改为“IF Z>B OR Z

g：以上步骤是针对评价因子一的数据处理方式，重复以上操作可完成评价因子二、三的数据处理；

h：运用一个新的“数学”模型将评价因子一、二、三网格化后的模块连接起来，将评价因子一、二、三网格化后的数据作为新数学模块中的参数ABC，此时将数学表达式与评价因子权重联系，数学表达式的形式为：A*评价因子一的权重+B*评价因子二的权重+C*评价因子三的权重；

i：“数学”模块的上游输入端最多只能连接3个数据源，若评价因子多于3个时，只需重复以上操作，将评价因子网格化，白化处理后，与权重结合，分清输入端网格化的数据源，正确填写数学表达式；

j：在步骤f后添加图形输出模块，通过“变换”模块改变模型高度、角度等性质，再通过体渲染即可得到根据评价因子得分和权重所控制的空间赋值模型；

k：在“体渲染”模块属性管理器中修改颜色等性质。

导出各类成果表格

(1)该模块能导出各种文件格式，图片、表格、还可以使用“捕获视频”来记录。通过修改观察者窗口属性更改导出文件背景颜色，图例式样和模型的角度，同时可以任意比例缩放模型大小。

(2)在数据管理方面可以与AutoCAD、Surfer、Strater、Grapher.MapGIS、ArcGIS等专业软件的数据互相转换；实现地下空间工程数字化管理及动态查询一体化功能。

下面对本发明提供的一种地下空间三维地质环境评价模型的建模装置进行描述，下文描述的建模装置与上文描述的建模方法可相互对应参照。

如图10所示，一种地下空间三维地质环境评价模型的建模装置，包括以下单元：

特征表征单元001，用于根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；

分析评价单元002，用于根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；

三维展示单元003，用于将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

基于但不限于上述装置，所述特征表征单元001进一步可分为：地质界面建模表征单元、地质体建模表征单元、钻孔建模表征单元和岩土属性建模表征单元；

所述地质界面建模表征单元，具体可用于执行以下步骤：

在Surfer中导入编辑好的地质界面初始数据后进行数据插值，并将插值结果导出为GRD格式的文件；

将GRD文件直接导入Voxler，然后点击模块管理窗口中的HeightField功能与导入的GRD文件相连；

选中Network Manger中的HeightField，在属性管理窗口中调整地质界面的显示效果。

作为一种可选的实施方式，所述地质体建模表征单元，具体可用于执行以下步骤：

通过地质界面的包围显示：地质体的边界即为地质界面，基于已知的地质界面，通过Math计算模块对地质界面包围的内部空间数据进行白化，最终连接到VolRender模块导出显示。

作为一种可选地实施方式，所述地质体建模表征单元，具体可用于执行以下步骤：

通过离散的属性点插值显示：基于已知的各个钻孔所揭露出的某个地层的位置及其厚度数据，通过Gridder计算模块对数据进行插值分析，最终连接到Isosurface模块导出显示。

所述钻孔建模表征单元，具体用于执行以下步骤：

导入Collars数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

导入Trajectories数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

导入Sample数据，单击import命令，在导入对话框中选择已编辑好的Collar文件，将数据添加到Network Manger窗口，在Property Manager中查看其属性，注意在Output部分将输出类型设置为Wells，而不是Points；

点击模块管理窗口中的Well功能，并将其与上面步骤导入的Collars、Trajectories和Sample数据连接；

点击模块管理窗口中的WellRender功能，与以上步骤生成的Well数据连接；

选定WellRender文件，在属性管理窗口可调整钻孔的显示效果。

所述岩土属性建模表征单元，具体用于执行以下步骤：

导入整理好的散点岩土属性数据，注意在Property Manager中的Output部分将输出类型设置为Points，而不是Wells；

点击模块管理窗口中的ScatterPlot功能，与以上步骤生成的Points数据连接；

选定ScatterPlot文件，在属性管理窗口中调整属性点的显示效果，HDF格式的物探数据可直接导入模型中。

基于但不限于上述装置，所述分析评价单元002，具体用于执行以下步骤：

使用Gridder模块将评价空间离散为立体网格；

根据各评价因素的空间变异特征对立体网格进行属性赋值；

对立体网格附着的多个属性值按综合评价的数学模型进行计算，根据计算获得的属性值按一定阈值划分后即可获得综合分析评价结果。

基于但不限于上述装置，所述三维展示单元003，具体用于执行以下步骤：

将综合分析评价结果在Voxler平台中进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型，该地下空间三维地质环境评价模型可进行任意比例的放缩和任意角度的观察；

采用ClipPlane模块对地下空间三维地质环境评价模型进行任意切割，观察评价结果在垂向上的变化特征。

如图11所示，示例了一种电子设备的实体结构示意图，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610、通信接口620、存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行上述地下空间三维地质环境评价模型的建模方法的步骤，具体包括：根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random15 Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

又一方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述地下空间三维地质环境评价模型的建模方法的步骤，具体包括：根据区域地质环境调查数据，基于Voxler平台完成地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征；根据地质界面、地质体、钻孔、岩土属性建模表征结果，基于Voxler平台对地下空间开发地质环境进行综合分析评价，得到综合分析评价结果；将综合分析评价结果进行三维展示，得到地下空间三维地质环境评价模型。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。