多重分形与Kriging插值在地层模型生成中的应用

为了建立三维数字地层,采用钻孔信息构建三棱柱,以适合工程地质和岩土工程特点。钻孔数据具有局部的、随机的、异常的特征,另外,钻孔数据具有一定的结构特点。传统的数理统计方法无法很好地解决空间样本点的选取、空间估值和2组以上空间数据的关系等问题,借鉴地质统计学的Kriging方法给出全局区域内一种距离加权插值算法,先根据空间数据得到统计特征,再根据统计特征进行插值,并引入多重分形理论弥补Kriging方法的滑动加权平均缺陷,度量区域化变量的局部奇异性。通过对地层模型插值结果的观察,得出该算法可以获得良好的全局和局部特征插值效果     

三维地层建模钻孔数据预处理研究

钻孔数据是三维地层建模的主要数据来源之一,在三维地层建模中,地层界面一般基于钻孔数据插值而成,正确处理钻孔数据是构建理想三维地层模型的前提和基础。三维地层拓扑关系极其复杂,地层界面插值数据在数学上选择也不是惟一的,因此,常导致构建地层模型出现与事实相悖的情形。针对这一点,根据地层地质演变历史,建立地层层序序列,此序列记录地层地质年代顺序及其拓扑关系。根据地层地质特征,可将地层拓扑关系概化为两类：“覆盖”和“侵蚀”。据此地层层序序列可惟一确定地层界面插值数据,从而构建正确地层模型。采用python语言实现了该钻孔数据预处理算法,实例表明,该预处理方案能正确地预测实际地层。     

带约束的体元属性插值方法与可视化表达

在地质体体元剖分、属性插值中如何实现属性模型和空间结构模型的一致性,体现地质知识的表达,是一个难点问题。融合边界表示法和角点网格模型,以B-Rep表达地质体空间形态,以角点网格模型离散化地质体,建立地质体三维结构模型及其属性模型。充分考虑到地质原理和相关的地质约束条件,对位于断层面两边同一地层插值时,采用"距离环绕法"求点对距离参与插值计算。在地质体建模时引入"等时地层"的概念,纵向上采用分层插值的方式对属于同一等时地层的地质体属性数据进行求值,横向上采用分区域插值的方法,通过提取沉积相边界来添加控制线约束插值,很好地解决了地质体结构模型对地质体属性模型的插值约束问题。将理论与实践相结合,利用福州三维城市地质数据,将基于角点网格的体元模型和三维属性插值算法实际应用到三维城市地质系统的建模中。     

基于地质雷达和钻孔数据的三维地层建模

为了结合地质雷达探测图像和钻孔数据共同用于地层的三维建模,根据反射波组的同相性和反射波形的相似性,通过与钻孔采样数据的对比,从处理后的地质雷达数据中提取出虚拟钻孔数据用于建模;基于该类数据的一般分布特点,根据曲面光顺的条件构建了网格的插值算法。采用该方法对某区域进行了三维地层建模。     

基于机器学习的地层序列模拟

地层结构及其分布的模拟是地质信息化研究与工程规划设计建造的迫切需求。现有的研究方法主要以钻孔数据为基础,选择插值方法进行二维剖面绘制和三维地层建模。插值方法是决定模拟结果准确程度的重要因素,但插值方法的选取受主观因素影响,缺乏科学合理性,难以推广应用。针对这一问题,本文提出一种基于钻孔数据进行机器学习的地层序列模拟方法,即将钻孔地层数据处理为地层类型序列与地层层厚序列,利用循环神经网络与序列-序列架构建立地层序列模拟模型。通过将模拟结果与实际钻孔数据对比分析,发现地层序列模型可以较准确地模拟地表到基岩面之间的地层类型与厚度范围。研究可为地层模拟提供新方法。     

地层数据的常用空间插值方法介绍和比较分析——以上扬子区宝塔组厚度重建为例

基于地理信息系统的空间插值是利用离散数据研究地质体及其属性特征的空间分布模式和规律的重要技术方法。本文系统介绍空间插值的原理、工作步骤以及地层学数据在插值中的相关特点,并以华南上扬子区广泛分布的一套碳酸盐岩——奥陶系宝塔组的地层厚度重建为例,介绍反距离权重法、样条函数法和克里格法3种常用插值方法各自的特点。反距离权重法的插值结果位于已知最大值和最小值之间,能保留细节特点,但易出现"牛眼"效应;样条函数的插值结果较平滑,但是预测值会出现超出已知最大值或最小值的现象,因此适用于属性值渐变的情况;克里格法不属于精确性插值,其预测值与实测值之间存在一定的误差,但是能较好地反映数据的整体变化趋势。综合来看,数据点数量越多、分布越均匀、值变化越平缓,插值效果就越好。但在数据条件给定的情况下,根据数据的统计特点和空间分布特征,选择合适的插值方法,是保证插值结果质量的重要前提。     

地层特性随机场插值方法应用研究

地质勘探中钻孔的数量常是有限的,钻孔以外未知的地质特性需要进行插值或推断。实践中一般假定两钻孔之间的地质特性为线性分布,用直线连接。线性连接方法简单,但精度难以保证。因此,有必要进一步研究简便且精度高的插值方法。对常用的空间插值数学方法作一简要评价,认为Kriging法更适用于地质特性随机场的插值。并尝试将Kriging法应用于南水北调穿黄工程砂土地基标准贯入击数及液化范围的空间插值,采用合适的变差函数以反映砂层的空间相关特性,由插值结果得到地基砂层标贯击数及液化范围的沿线分布,从而可以更好地了解地层特征的变化情况。     

地层三维建模及面模型插值方法对比研究

通过面模型进行实体建模是构建三维地层模型的有效方法之一,为了更好的选取面模型插值方法,本文对距离幂次反比方法、克里格插值方法以及离散光滑插值方法进行了对比研究。实例结果显示,离散光滑插值方法既可以保持插值区面的光滑,又能与原始数据最大程度的拟合,较其他两种插值方法对于表现局部的非连续空间特征具有更大优势。同时本文通过将离散光滑插值方法与地质剖面信息相结合,通过面模型与三维实体模型之间的空间运算来获得倾入、尖灭等地层之间的空间关系,并结合地层的年代信息,建立了一套可以减少人为干预,提高建模精度和合理性的三维地层建模流程。实践证明,该流程能较好应用于安徽省钟姑矿田白象山矿区的地层三维建模工作。     

基于杨赤中推估法空间插值的三维地质隐式建模

杨赤中推估法是一种对空间域复合变量通过连续的几何滤波过程来建立核函数的最小二乘推估法,建模过程简便且能基于少量已知数据点取得好的建模效果。针对地质勘查中离散、稀疏而不规则分布的地质特征点数据难以构建地质体三维模型的难点问题,提出了一种基于杨赤中推估法的三维地质空间插值与模型建立的自动化方法。该方法首先以地质特征点数据库为基础,选用负幂指数函数模型建立适合三维地质空间插值的杨赤中推估法估值数学模型;在此基础上,构建一套基于杨赤中推估法的三维地质空间插值计算和地质体隐式建模的自动化实现流程与程序;最后以实例矿化插值数据为基础,采用基于移动立方体算法的三维隐式建模方法,快速构建实例矿体三维模型。与人工交互圈定地质体边界和进行矿体推断的三维地质显式建模相比,这种方法能快速直观地分析地质特征并处理样品分析数据,方法可行且高效。     

多源数据融合的规则体元分裂三维地质建模方法

针对传统地质建模方法中地层模型表达不精确,地层边界存在锯齿现象和模型数据量大,不能在Web端流畅加载和渲染等问题,提出了一种基于规则体元分裂的三维地质建模方法。该方法首先利用地质勘察中的钻孔与地质剖面资料进行数据转换融合,通过插值算法加密地层矢量点,然后构建规则体元并进行体元类划分,设计5种不同的规则体元分裂类型,与此同时进行体元分裂模型的数据结构设计,并通过Three.js对不规则体元数据结构进行解析和展示。在此基础上,以郑州市某区域的勘测资料为基础数据构建了三维地质模型,并进行了Web端可视化。试验证明,所构建的模型能够精确、光滑地表达不同地层结构,且能够在浏览器中实现地质体内部信息的快速渲染、空间查询和分析。     

基于指示和普通克里金的不连续地层厚度估计方法

因为克里金插值方法考虑了样本的空间统计特征而被广泛应用于地层建模。但对于地层尖灭、缺失等不连续地层情况,常用的克里金方法（如普通克里金方法）通常给出较为平滑的地层厚度估计结果,在地层分布边缘的局部范围内与实际情况相差较大。针对不连续地层,提出一种采用指示克里金和普通克里金相结合的地层厚度估计方法。该方法首先采用指示克里金方法估计地层分布范围,然后采用普通克里金方法估计分布范围内的地层厚度,并根据估计标准差来评价地层厚度的不确定性。将提出的方法应用于上海长江隧道的地层建模,通过交叉验证,证明了该方法在地层分布边缘的局部范围内能明显改善地厚度估计结果,标准差降低了15%～18%,得到了比普通克里金和线性插值方法更接近真实情况的地层厚度估计值。     

层状地质体的三维模拟与可视化

文中探讨了层状地质体的三维模拟与可视化方法和技术。地质数据通常是有限的、空间上分布不均匀的点数据 ,需要大量使用插值技术来形成合理的模型。简单层状实体可在二维插值的基础上 ,按照这些面的空间位置叠加 ,形成三维体模型。复杂的层状体包括沉积相以及一些物性参数的空间变化 ,断层等形成的不连续以及复杂的褶皱等。这些实体的模拟与可视化 ,需要进行三维插值 ,并根据不同现象的特点选择合适的方法。合理的专家知识或地质解释的交互加入 ,是形成合理的三维模型的关键。     

基于钻孔数据的三维地层建模关键技术

在基于钻孔数据进行三维地层建模方法中,钻孔样本间地层层序不一致导致建模时难以确定各地层的拓扑关系,快速准确地确定各地层层序和充分利用钻孔数据是建模的关键难点之一。拟通过综合考虑区域内所有钻孔数据,基于地质解释方法理论,以地层出现次数频率高原则进行全自动确定地层层序。首次引入子钻孔递归思想,利用表面建模方法,自下而上逐层创建三维地层模型,可确保钻孔数据不丢失且准确地应用于地层建模中,并能适应地层尖灭、地层超覆、透镜体等复杂地质构造。该方法地学意义明确,具有鲁棒性好、运行效率高及可操作性强等特点,算法已在同济曙光软件中实现,并已在多个实际地质建模工程中得到了验证。研究结果表明,该算法能充分利用已有钻孔信息,建模过程全自动完成,对复杂地层建模亦具有较强的适应性。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987111001411

正Three-dimensional geological modeling(3DGM) assists geologists to quantitatively study in three-dimensional(3D) space structures that define temporal and spatial relationships between geological objects.The 3D property model can also be used to infer or deduce causes of geological objects.3DGM technology provides technical support for extraction of diverse geoscience information,3D modeling,and quantitative calculation of mineral resources.Based on metallogenic concepts and an ore deposit model, 3DGM technology is applied to analyze geological characteristics of the Tongshan Cu deposit in order to define a metallogenic model and develop a virtual borehole technology;a BP neural network and a 3D interpolation technique were combined to integrate multiple geoscience information in a 3D environment. The results indicate:(1) on basis of the concept of magmatic-hydrothermal Cu polymetallic mineralization and a porphyry Cu deposit model,a spatial relational database of multiple geoscience information for mineralization in the study area(geology,geophysics,geochemistry,borehole,and cross-section data) was established,and 3D metallogenic geological objects including mineralization stratum,granodiorite, alteration rock,and magnetic anomaly were constructed;(2) on basis of the 3D ore deposit model,23,800 effective surveys from 94 boreholes and 21 sections were applied to establish 3D orebody models with a kriging interpolation method;(3) combined 23,800 surveys involving 21 sections,using VC++ and OpenGL platform,virtual borehole and virtual section with BP network,and an improved inverse distance interpolation(IDW) method were used to predict and delineate mineralization potential targets (Cu-grade of cell not less than 0.1%);(4) comparison of 3D ore bodies,metallogenic geological objects of mineralization,and potential targets of mineralization models in the study area,delineated the 3D spatial and temporal relationship and causal processes among the ore bodies,alteration rock,metallogenic stratum,intrusive rock,and the Tongshan Fault.This study provides important technical support and a scientific basis for assessment of the Tongshan Cu deposit and surrounding exploration and mineral resources.     

基于钻孔数据的三维可视化快速建模技术的研究

为了实现三维建模过程的智能化以及自动化,以及使复杂地质体三维建模过程变得简单,针对CAD图形资料编写了能够直接将地表、钻孔等地质信息读入到数据库的DXF接口程序,提出了一种利用GA-Kriging插值手段对地层属性进行插值并最终实现三维可视化快速建模的方法,并且在此基础上基于VTK图形库实现了三维建模、等值线绘制、钻孔显示、切片以及特定地层的提取以及体积的计算等功能。在编写Kriging插值算法时,为了实现块金常数、变程等常数取值的自动化、最优化,应用GA智能算法求解。最后,通过地铁隧道的一个工程实例,对建模方法以及相应的算法模块进行了验证,表明方法具有一定的优越性。     

半变异函数及取样间距对克里金法在海洋地层分析中的影响研究

以浅剖数据为源数据,钻孔实测数据为验证数据,利用普通克里金法对海底地层厚度进行空间插值得到地层分布特征,采用3种半变异函数模型和不同取样间距对某井场3组地层厚度进行普通克里金插值并验证其插值效果。结果表明:普通克里金是一种有效的海底地层厚度预测方法;结构分析最佳的模型不一定是误差最小的模型,应对不同模型下的插值结果进行综合分析来选择最合适的模型,并提出球状模型在该井场厚度估计中最优,高斯模型次之;对于球状模型,增大取样间距对地层厚度变化剧烈的地层回归效果影响较小,对地层厚度变化不大的地层回归效果影响较大;同时,SE预测值变化率分析表明对于地层厚度变化剧烈的地层,减小取样间距可以大幅度地减少插值误差,而对于地层厚度变化不大的地层,减小取样间距对插值精度提高的意义不大。     

基于超前钻探测试的隧道地层智能识别方法

可靠地识别掌子面前方地层是保证隧道工程稳定与安全的重要因素之一。传统的超前地质预报方法不能同时保证有高识别精度、低实施成本和占用少的施工时间,对于不同地质情况的地层识别通用性不强。在传统超前钻孔的同时获取掌子面前方围岩钻探测试数据,实时获取不同深度岩层情况,将大大提高超前预报效率,方便快捷,不影响施工,但目前缺乏客观、准确的地层识别方法。提出了一种基于神经网络的钻探测试数据智能分析和地层识别方法,对楚大高速公路九顶山隧道超前钻探测试数据进行了深入分析,通过隧道开挖后所揭示地层对分析方法进行了验证。结果表明：单一钻进参数用于地层识别的错误率在35%左右,打击能和打击数、送水压力和送水流量的参数组合不能显著提升地层识别准确率;钻进速度、扭矩、回转数、推进力的参数组合可降低地层识别错误率至22%。在神经网络模型中引入钻进参数的标准差,可大幅降低错误率,可使地层划分错误率下降9%～12%;多参数组合下的神经网络钻探测试神经网络模型对随机抽样的地层识别错误率小于10%,对单个钻孔的地层识别错误率小于14%。