專利名稱：一種大地電磁三維地質結構模型的建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大地電磁勘探和三維地質建模領域，具體是涉及一種適用于大地電磁正反演的復雜三維地質結構模型的建模方法。
背景技術：
三維地質模型是大地電磁正反演的基礎，一個有效的三維地質模型應當能夠描述和表達地質對象的幾何特征、屬性特征和拓撲關系。隨著勘探研究的不斷深入，大地電磁正反演迫切需要建立真實的能夠反應地下復雜結構的三維地質模型，然而真實的地質結構復雜多樣，三維地質模型更為復雜。
傳統(tǒng)的層狀結構建模方法通過對已知層面的離散點進行曲面插值，僅僅能夠創(chuàng)建層狀地質模型，無法有效模擬斷層、透鏡體、侵入體等復雜地質結構，因而有很大的局限性。基于剖面重構的建模方法需要用戶預先解釋并建立二維剖面，根據(jù)剖面二維結構自動推導三維結構，重構三維模型，在剖面方向上可以建立任意復雜的地質結構模型，然而在垂直于剖面的重構方向上由于推導算法有一定局限性僅能夠推導幾種簡單的拓撲關系，因而不能建立任意復雜的三維模型。

發(fā)明內容
為了建立任意復雜的三維模型，應該以塊狀模型為基礎，在三維地質建模中塊狀模型是一種有效的三維地質模型，它能夠準確描述和表達地質對象的幾何特征、拓撲結構和屬性參數(shù)，三維塊狀地質體是一個由三角網面定義的封閉體，封閉體內的介質具有相同或近似的地質屬性。本發(fā)明的目的在于提供一種大地電磁三維地質結構模型的建模方法，該方法通過建立任意復雜的三維塊狀模型，以及將塊狀模型轉化為適合于大地電磁正反演的離散網格模型，可解決大地電磁復雜塊狀地質模型的生成和離散化問題。為達到上述目的，本發(fā)明采用的建模方法包括如下步驟(I)從原始資料(來自于鉆井、剖面解釋、層位解釋等)獲取原始層位和斷層的離散控制點P(x, y, z)的數(shù)據(jù),使用Delaunay三角形剖分算法先將同一層位或斷層上的三個相鄰控制點構成三角形T (pl，p2, p3)，再將一個或多個相連的三角形構成層位或斷層三角網s(i\，ιν··τη)，如果離散控制點較少，則采用曲面插值方法(如距離反比、徑向基函數(shù)、克里金等)對原始離散點插值，具體是建立曲面方程，利用曲面方程在已得到的三角網中插入合適數(shù)量的插值控制點，以對三角網進行細化，為了便于之后的求交計算，所建立的初始三角網應適當?shù)叵蛲馔卣挂恍?2)按照兩兩求交裁剪的原則對三角網模型進行求交裁剪，裁剪時先確定裁剪面和被裁剪面，求出它們對應三角網中所有相交三角形對的交線段，將交線段首尾相連拼接成完整的交線，然后根據(jù)交線對三角網重新進行剖分，構造在交線處相交的兩個三角網具有相同拓撲結構的三角網模型；
( 3 )建立模型外邊界三角網，所述模型外邊界三角網是指前、后、左、右、上、下六個外邊界面三角網，其中上、下兩個外邊界面三角網分別由地表和底層層面三角網確定，前、后、左、右四個外邊界面三角網由各自提取出的邊界線加入邊界面的外邊框線構成，其中前邊界面從所有層面、斷層面三角網上提取Y坐標為模型Y坐標最大值的邊界線，后邊界面提取Y坐標為模型Y坐標最小值的邊界線，左邊界面提取X坐標為模型X坐標最小值的邊界線，右邊界面提取X坐標為模型X坐標最大值的邊界線；(4)進行三維塊體追蹤，建立三維封閉塊體，所述三維塊體追蹤是逐三角形進行的，以某一三角形開始不斷搜尋鄰接的塊體三角形直至構成一個完整的封閉塊體，所述三維封閉塊體是由層面、斷層面和外邊界面三角網片構成的封閉塊體，塊體內部介質具有相同或近似的地質屬性；(5)使用掃描線方法將塊體模型轉化為離散網格模型。上述步驟(2)中所述根據(jù)交線對三角網重新進行剖分是指對于被切割三角網應 去除切除部分的控制點，將剩余控制點加上交線控制點重新進行三角網剖分，以得到一張服從交線的三角網；對于切割三角網由于交線上存在原三角網上不存在的控制點，應找出這些控制點并將其加入到切割三角網中，重新進行剖分，并且進行限定，使三角網在交線處的拓撲一致。按照交線重新剖分的三角網在交線處具有相同的拓撲結構，在一個三角網上以交線段為邊界的三角形一定會找到它在相交三角網上以該交線段為臨邊的三角形，為了便于之后進行塊體追蹤，需要將三角形鄰接關系記錄到對應的三角形中。步驟(2)中三角網模型進行求交時可以采用包圍盒測試法來判斷三角形是否能相交，具體是為三角形建立一個外包圍盒子，如果兩個三角形的外包圍盒子不相交，那么說明這兩個三角形一定不相交，如果外包圍盒子相交說明兩個三角形有相交的可能性，可以繼續(xù)進行三角形求交算法。對于給定的兩個三角形，首先計算出各自的平面方程，如果這兩個平面不平行，則求出一個三角形與另一三角形所在平面的交線，然后判斷這段交線是否落在這兩個三角形中，如果在三角形中，說明兩個三角形相交，并得到交線。對所有網中的三角形進行上述檢測和求交算法，可以得到多個交線段，將這些交線段首尾連接起來可以得到完整的交線。上述步驟(4)中三維塊體追蹤的具體方法如下I)將除外邊界、地表、底層三角形外的其余層面、斷層面三角形復制一份，改變其旋向，并將所有三角形的訪問標志都置為False ；2)新建一個空的三維地質塊體Bi,選擇一個訪問標志為False的起始三角形，將它加入可用三角形隊列Q ；3)取出Q隊列的隊頭三角形T ；4)將T加入到塊體中，并將其訪問標志置為True ；5)遍歷三角形T的三條棱邊EpE2和E3執(zhí)行步驟6)和步驟7)；6)根據(jù)棱邊Ei找出以此為公共棱邊的相鄰三角形，如果相鄰三角形只有一個則將其作為追蹤的下一個三角形Tb，若有多個，則確定一個垂直于棱邊Ei的平面，將當前三角形T和多個相鄰三角形都投影到該平面上，三角形投影到平面上以后縮為一條線段，找出與三角形T投影線段L夾角最小的三角形，將其作為追蹤的下一個三角形Tb ；7)檢查待追蹤的相鄰三角形，如果其訪問標志為False則將其加入到隊列Q中；
8)如果隊列Q為空說明當前塊體追蹤已結束執(zhí)行步驟9)，否則返回步驟3)處理下一個可用三角形；9)如果還存在未被追蹤的三角形返回步驟2)，否則退出。上述步驟(5)中所述使用掃描線方法將塊體模型轉化為離散網格模型的具體步驟是I)自動劃分或導入網格模型；I) 2)遍歷所有的網格單元，從網格單元中心向下引一條垂直射線，計算射線與各個地質塊體的交點，找出交點為奇數(shù)個的塊體，將該塊體的電阻率屬性值設置到網格單元中。本發(fā)明方法由于是基于三維塊狀地質模型的建模方法，因此能夠構建任意復雜的地質結構模型，包括層狀、正逆斷層、尖滅、透鏡體、侵入體等各種復雜結構，具有很強的實 用性。本發(fā)明方法中所提出的基于包圍盒子的三角網求交算法，以及利用三角網重新剖分有效解決了拓撲一致的地質層面的求交和裁剪；所提出的自動追蹤建立三維封閉塊體的方法，可實現(xiàn)通過層面三角網模型自動構造封閉塊體模型；所提出的掃描線方法可以將塊體模型轉化為適用于大地電磁正反演的離散網格模型。


圖I為利用原始資料建立的初始三角網模型效果圖。圖2為進行求交裁剪后的三角網模型效果圖。圖3為構造外邊界后的三角網模型效果圖。圖4為最終構造的封閉塊體模型效果圖。
具體實施例方式(I)從原始資料獲取原始層位、斷層離散點P(x，y, z)的數(shù)據(jù)，提取同一層位或斷層的離散控制點，通過Delaunay三角網剖分算法構造初始的三角網模型，初始的三角網要向外延展一些，以方便之后的求交和裁剪，如果原始控制點較少，則使用曲面插值方法對原曲面進行插值，通過所建立的曲面方程將適當密度的插值點插入原三角網中，以構造平滑的加密三角網。圖I給出了利用原始離散點建立的初始三角網模型效果圖，該模型尺寸為IOOOmX 500mX 500m，利用徑向基函數(shù)插值方法加密三角網后最大三角形邊長<=50m。(2)對三角網模型進行求交裁剪，根據(jù)交線對三角網重新進行剖分，構造拓撲一致的三角網模型。求交裁剪用于將初始模型中曲面的多余部分裁掉，同時確保交線處三角網拓撲結構的一致性，記錄三角形的邊鄰關系。模型求交裁剪應遵循兩兩求交裁剪的原則，先進行地表裁剪，再進行斷層面間裁剪，尖滅層面裁剪，最后進行斷層面對層面的裁剪，以避免多次反復裁剪。在三角網裁剪時先確定裁剪面和被裁剪面，求出它們對應三角網中所有相交三角形對的交線段，將交線段首尾相連拼接成完整的交線。對于被切割三角網應該去除切除部分的控制點，將剩余控制點加上交線控制點重新進行三角網剖分，這樣就可以得到一張服從交線的三角網；對于切割三角網由于交線上存在原三角網上不存在的控制點，找出這些控制點把他們加入到切割三角網中，重新進行剖分，并且進行限定，確保三角網在交線處的拓撲一致性。圖2給出了求交裁剪處理后的三角網模型效果圖，通過求交裁剪去除了層面和斷層面的多余部分，并且確保了在交線處相交的兩個三角網有相同的拓撲結構。( 3 )建立模型外邊界三角網，所述模型外邊界三角網是指前、后、左、右、上、下六個外邊界面三角網，其中上、下兩個外邊界面三角網分別由地表和底層層面三角網確定，前、后、左、右四個外邊界面三角網由各自提取出的邊界線加入邊界面的外邊框線構成，其中前邊界面從所有層面、斷層面三角網上提取Y坐標為模型Y坐標最大值的邊界線，后邊界面提取Y坐標為模型Y坐標最小值的邊界線，左邊界面提取X坐標為模型X坐標最小值的邊界線，右邊界面提取X坐標為模型X坐標最大值的邊界線，所構造的三角網滿足所有提取出的邊界線的限定。圖3給出了構造外邊界面后的三角網模型效果圖。(4)自動追蹤建立三維封閉塊體。三維塊體追蹤是逐三角形進行的，以某一三角形開始不斷搜尋鄰接的塊體三角形直至構成一個完整的封閉塊體，三維塊體追蹤方法如下I)除外邊界、地表、底層三角形外，將其余層面、斷層面三角形多復制一份，改變其·旋向，并將所有三角形的訪問標志都置為False ；2)新建一個空的三維地質塊體Bi,選擇一個訪問標志為False的起始三角形，將它加入可用三角形隊列Q ；3)取出Q隊列的隊頭三角形T ；4)將T加入到塊體中，并將其訪問標志置為True ；5)遍歷三角形T的三條棱邊Ep E2和E3執(zhí)行步驟6)和7);6)根據(jù)棱邊Ei找出以此為公共棱邊的相鄰三角形，如果相鄰三角形只有一個則將其作為追蹤的下一個三角形Tb，若有多個，則確定一個垂直于棱邊Ei的平面，將當前三角形T和多個相鄰三角形都投影到該平面上，三角形投影到平面上以后縮為一條線段，找出與三角形T投影線段L夾角最小的三角形，將其作為追蹤的下一個三角形Tb;7)檢查待追蹤的相鄰三角形，如果其訪問標志為False則將其加入到隊列Q中；8)如果隊列Q為空說明當前塊體追蹤已結束執(zhí)行步驟9)，否則返回步驟3)處理下一個可用三角形；9)如果還存在未被追蹤的三角形返回步驟2)，否則退出。圖4給出了進行三維塊體自動追蹤后得到的塊狀模型效果圖。(5)使用掃描線方法將塊體模型轉化為離散網格模型。具體步驟是I)自動劃分或導入網格模型；2)遍歷所有的網格單元，從網格單元中心向下引一條垂直射線，計算射線與各個地質塊體的交點，如果射線起點在塊體內部則射線與塊體的交點數(shù)目為奇數(shù)，反之若在塊體外部則交點數(shù)目必然為偶數(shù)，根據(jù)交點數(shù)目的奇偶性可以判斷網格單元中心點在哪個地質塊體中，找出交點為奇數(shù)個的塊體，將該塊體的電阻率屬性值設置到網格單元中。
權利要求
1.一種大地電磁三維地質結構模型的建模方法，其特征在于包括如下步驟 (1)從原始資料獲取原始層位和斷層的離散控制點P(X，y,z)的數(shù)據(jù)，使用Delaunay三角形剖分算法先將同一層位或斷層上的三個相鄰控制點構成三角形T (pl，p2, p3)，再將一個或多個相連的三角形構成層位或斷層三角網SCT1, IV·· Tn)，如果離散控制點較少，則采用曲面插值方法在已得到的三角網中插入合適數(shù)量的插值控制點，以對三角網進行細化； (2)按照兩兩求交裁剪的原則對三角網模型進行求交裁剪，裁剪時先確定裁剪面和被裁剪面，求出它們對應三角網中所有相交三角形對的交線段，將交線段首尾相連拼接成完整的交線，然后根據(jù)交線對三角網重新進行剖分，構造在交線處相交的兩個三角網具有相同拓撲結構的三角網模型； (3)建立模型外邊界三角網，所述模型外邊界三角網是指前、后、左、右、上、下六個外邊界面三角網，其中上、下兩個外邊界面三角網分別由地表和底層層面三角網直接確定，前、后、左、右四個外邊界面三角網由各自提取出的邊界線加入邊界面的外邊框線構成，其中前邊界面從所有層面、斷層面三角網上提取Y坐標為模型Y坐標最大值的邊界線，后邊界面提取Y坐標為模型Y坐標最小值的邊界線，左邊界面提取X坐標為模型X坐標最小值的邊界線，右邊界面提取X坐標為模型X坐標最大值的邊界線； (4)進行三維塊體追蹤，建立三維封閉塊體，所述三維塊體追蹤是逐三角形進行的，以某一三角形開始不斷搜尋鄰接的塊體三角形直至構成一個完整的封閉塊體； (5)使用掃描線方法將塊體模型轉化為離散網格模型。
2.根據(jù)權利要求I所述的大地電磁三維地質結構模型的建模方法，其特征在于步驟(2)中所述根據(jù)交線對三角網重新進行剖分是指對于被切割三角網應去除切除部分的控制點，將剩余控制點加上交線控制點重新進行三角網剖分，以得到一張服從交線的三角網；對于切割三角網由于交線上存在原三角網上不存在的控制點，應找出這些控制點并將其加入到切割三角網中，重新進行剖分，并且進行限定，使三角網在交線處的拓撲一致。
3.根據(jù)權利要求I所述的大地電磁三維地質結構模型的建模方法，其特征在于步驟(4)中三維塊體追蹤的方法如下 1)將除外邊界、地表、底層三角形外的其余層面、斷層面三角形復制一份，改變其旋向，并將所有三角形的訪問標志都置為False ； 2)新建一個空的三維地質塊體Bi,選擇一個訪問標志為False的起始三角形，將它加入可用三角形隊列Q ; 3)取出Q隊列的隊頭三角形T; 4)將T加入到塊體中，并將其訪問標志置為True； 5)遍歷三角形T的三條棱邊EpE2和E3執(zhí)行步驟6)和步驟7)； 6)根據(jù)棱邊Ei找出以此為公共棱邊的相鄰三角形，如果相鄰三角形只有一個則將其作為追蹤的下一個三角形Tb，若有多個，則確定一個垂直于棱邊Ei的平面，將當前三角形T和多個相鄰三角形都投影到該平面上，三角形投影到平面上以后縮為一條線段，找出與三角形T投影線段L夾角最小的三角形，將其作為追蹤的下一個三角形Tb ； 7)檢查待追蹤的相鄰三角形，如果其訪問標志為False則將其加入到隊列Q中； 8)如果隊列Q為空說明當前塊體追蹤已結束執(zhí)行步驟9)，否則返回步驟3)處理下一個可用三角形； 9)如果還存在未被追蹤的三角形返回步驟2)，否則退出。
4.根據(jù)權利要求I所述的大地電磁三維地質結構模型的建模方法，其特征在于步驟(5)所述使用掃描線方法將塊體模型轉化為離散網格模型的具體步驟是 O自動劃分或導入網格模型； O2)遍歷所有的網格單元，從網格單元中心向下引一條垂直射線，計算射線與各個地質塊體的交點，找出交點為奇數(shù)個的塊體，將該塊體的電阻率屬性值設置到網格單元中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于大地電磁正反演的復雜三維地質結構模型的建模方法，在三維地質建模中塊狀模型是一種有效的三維地質模型，它能夠準確描述和表達地質對象的幾何特征、拓撲結構和屬性參數(shù)，三維塊狀地質體是一個由三角網面定義的封閉體，封閉體內的介質具有相同或近似的地質屬性。本發(fā)明提供了一種構建大地電磁復雜三維地質塊狀的方法，并在塊狀模型的基礎上使用掃描線技術將其離散化為大地電磁正反演算法可以直接使用的網格模型。該方法能夠構建任意復雜的地質結構模型，包括層狀、正逆斷層、尖滅、透鏡體、侵入體等各種復雜結構，具有很強的實用性。
文檔編號G06T17/05GK102819865SQ20121028241
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2012年8月9日
發(fā)明者鄧飛, 王緒本, 簡興祥, 曹禮剛, 李軍 申請人:成都理工大學