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邹艳红-三维地质隐式建模技术与应用_图文

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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中南大学士学位论文答辩三维地质隐式建模技术与实例应用邹 艳 红41102204)资助中南大学总结与讨论中南大学质体三维建模研究现状与存在问题三维地质建模( 3技术的发展:间数据模型与数据结构、地质体三维表达等三维地质建模理论,其中,规则三维格网 (D 非规则块 (断面 (体 (据结构等是后来三维地质建模软件实现的基础。此后,国内外许多学者对三维地质建模与可视化技术进行了大量的研究与实际应用工作,如:基于 类三棱柱体 的三维数据模型, 广义三棱柱构模 技术,三维断层模拟和 复杂地质体三维建模的线框模型 以及 三维地质多体建模 方法等的研究与应用。目前,地质体三维建模与可视化技术得到了快速发展并已进入 实用化阶段 。中南大学 出现了大量的 三维地质建模软件 , 如国外的澳大利亚 英国 澳大利亚 法国 澳大利亚 内的三地曼公司的 3 迪迈公司的 以及 三维地质建模 ( 3技术经过多年的发展已日趋成熟 。1 地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学有的三维地质建模软件能够对各种复杂地质体(如地层、构造、矿体等)进行三维建模,但建模过程一般是按照 显式模拟 的方法,即 首先基于勘探工程数据绘制勘探线剖面,再在三维可视化环境下按剖面人机交互圈定地质界线并生成地质体三维模型 , 过程较为繁琐 ,且不同的人 圈定的地质体有时差异较大。1 地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学质体三维建模研究现状与存在问题基于现有三维地质建模软件的 地质体三维显式建模过程 :确定需要建模的地质体建模数据处理人机交互建模人机交互圈定导入勘探工程数据生成单项工程数据导入 质体三维建模研究现状与存在问题基于 南大学式 建模实例:中南大学着 三维可视化各种算法 的发展与成熟,一些研究工作者试图通过三维隐式建模方法:首先对已有地质体样品数据进行样品数据组合并按 一定的插值方法 来确定空间分布函数;然后利用空间分布函数和已知数据来预估未知数据 ,从而获得整个空间的相对完备的地质体数据;最后使用 三维地质体曲面重建算法对地质体进行三维建模与可视化, 快速自动生成三维可视化模型。研究意义 :相对显式模拟的地质体界线推断和交互式圈定,隐式模拟方法可省去烦琐的人工操作过程, 生成三维模型高效且直观,便于对矿体进行概略性研究和进行储量的快速估算1 地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学部分学者结合几何、函数或空间统计的 空间插值方法 (如:径向基插值、反距离加权、多项式插值、样条插值、克立格插值、相似变形插值等)利用 三维数据重构算法 进行 三维地质体曲面重建 ,再 基于面或体模型的地质体构模方法进行三维地质体模拟 ;还有部分学者基于不规则的地质体离散数据, 结合空间插值方法构建连续的三维数据场 ,进行 三维地质体重构或隐式模拟 的尝试 。1 地质体三维建模研究现状与存在问题中南大学质体三维建模研究现状与存在问题1) J, K, , et ]. ( ], 2003: P. G. A. D. P. D o ]. I 田宜平,袁艳斌,李绍虎,吴冲龙 . 建立盆地三维构造 地球科学 2000,25(2): 191邢延涛,李利军 . 三维地质体重构中空间数据插值方法的研究 [J]. 计算机与数字工程 ,2006, 34(12): 45杨鸿翼,刘亮明,赵义来 维形态模拟 [J]……….. 中南大学三维地质隐式建模技术用 户笔 记 本个 人 计 算 机O D B 剖 面 图勘 探 工 程 数 据各 种 样 品 化 验 表 格 数 据„ „数 据 库三 维 地 质 体 数 据提 取空 间 插 值 计 算建 立 三 维 地 质空 间 数 据 场地 质 体 数 据三 维 重 建地 质 体 三 维可 视 化中南大学)空间插值• 空间插值方法的适应性• 如:克立格 (、距离反比加权法 (、杨赤中滤波与推估法 (和径向基人工神经网络 (称 等作为插值方法在地学建模和矿产资源储量估算中都有广泛的应用,如何选择?• 空间插值模型的自动实现2) 地质体三维重建• 地质体三维曲面重构算法• 地质体的三维表达与可视化2 三维地质隐式建模技术中南大学空间插值依据空间插值的基本假设和数学本质可将空间内插分类为:几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法、随机模拟方法、物理模型模拟方法和综合方法,其中以 几何方法和空间统计方法在地学领域最为常用 。克立格 (、距离反比加权法 (、杨赤中滤波与推估法 (和径向基人工神经网络 (称 等作为插值方法在 地学建模和矿产资源储量估算 中都有广泛的应用问题研究 :由于地质体的大尺度特征,以及受地质条件与勘查技术的局限性,取样数据的数目及空间分布存在很大差异,对空间插值结果产生较大影响;同时,不同的空间插值方法由于插值原理不同,对插值结果也会产生不同程度的差异。需要研究 不同空间插值方法在三维地质建模应用中的影响 。空间插值方法中南大学克立格 法( 最初由南非矿业工程师 D. G. 由法国数学家 成一套完整的理论体系。 将空间上连续性变化的属性称为“区域性变量”,用协方差函数和半变异函数描述区域性变量的变化规律 。γ(点 常采用球面模型进行拟合:   0 11 1i x w z x w              ,  1 T 1 1 1 2 12 1 2 2 212( , ) ( , ) ( , ) 1( , ) ( , ) ( , ) 1( , ) ( , ) ( , ) 11 1 1 0n n nx x x x x xx x x x x xx x x x x x      A    10200( , )( , ), )1b 12λ301010 ( 0 )31( ) ( 0 )22()c c h c h a              几种空间插值方法比较分析中南大学值方法 :径向基函数最早由 971年在对散乱地形点数据进行插值时首次引入,是一类沿原点或其中心径向对称且单调的函数。实际应用多以径向基网络的形式进行。本研究使用的 基函数为 其中 Y 为网络的输出, f( X )为基函数, 第 为隐含层各个基函数单元间的输出矩阵, 层 X 隐 含 层 Φ 输 出 层 F 1R B F 2R B F 3R B F ...) = 1+ || || 1()n X Φ 2 1 11 2 2 2 212( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )n n X      Φ   12w12()()()f几种空间插值方法比较分析中南大学 20世纪 60年代由中南大学(原中南矿冶学院)杨善慈教授提出并发展起来的空间估值方法。该方法以矿床地质变量统计理论为基础,按我国南宋数学家发现推演的二项系数“杨辉三角形”,是在 二项系数加权游动平均 的基础上,进一步建立估值数学模型,是通过 一种连续的几何滤波过程来建立核函数 的最小二乘推估法。基本原理 :设抽样观测值为: ……, Q n,待估点为 O,其待估值为值系数为 ……, P n,则:根据杨赤中方法,根据不同游动区间半径,可以计算出不同的随机特征函数值 ,估值和差协方函数可表达为: .....10001112112221211211121n)G()G(),G( n,n ))G ( n,)G ( n,,n )G(),G(),G(,n )G(),G(),G(n)()()(  )0 )(求得待估值 质体三维重建基于三维空间规则数据场构建三维曲面的方法很多, 典型的有采用三维等值面构建算法 实现由网格离散点到三维等值面的模拟,实现三维曲面重建。本 研究以 现三维地质体等值面的重建,采用 是隐式模拟技术的代表,被用于三维重建方面的相关研究。地质体三维重建中南大学究区范围来自于凤凰山矿田深边部隐伏矿体预测的研究项目,考虑到矿田已有的地质工作程度、研究工作的目标及范围,项目定义了一个巨大的立方体空间作为地质空间的包集。实验中为了与显示模拟的矿体三维可视化模型进行比较,选取了 钻孔所钻深度范围 75 三维地质隐式建模实例中南大学 1)地质体数据获取;( 2)基于网格化空间插值,构建三维空间规则数据场;( 3)采用三维等值面构建算法实现由网格离散点到地质体三维等值面的模拟,实现地质体三维曲面重建;( 4)通过三维可视化技术实现地质体三维空间形态模型的可视化。3 三维地质隐式建模实例中南大学1)地质体数据获取 : 勘探工程原始地质编录数字化软件开发由于钻孔等勘探工程原始地质编录资料的收集困难,而综合地质编录图件(勘探线剖面图、中段地质图等)是地质勘探工程编录数据的直接反映,对这些图件进行编码数字化可直接获取钻孔地质编码等数据。研究中,勘探工程编录数据的获取, 采用由综合地质编录图件(勘探线剖面图、中段地质图等)数字化地质界线点,结合钻孔等勘探工程的测斜数据,进行反向计算的方法 。研究基于 C#和 针对地质剖面图、中段平面图和地形地质图来进行勘探工程地质编码数据、坑道数据、地表地形数据的提取并存储到相应的数据库中。3 三维地质隐式建模实例中南大学 三维地质隐式建模实例中南大学 三维地质隐式建模实例( 1)地质体数据获取 :中南大学 三维地质隐式建模实例( 2) 基于网格化空间插值,构建三维空间规则数据场数据网格化是对连续量或连续体按一定精度进行抽样的过程,一般采用 三维栅格的方法 对地质空间进行分割抽样,分割后得到的各个栅格称为立体单元。 地质空间分割的精度决定立体网格单元的大小,与矿床勘探程度等因素相关 。地质空间经过抽样分割网格化后, 对地质体与空间作用分布按网格单元进行属性数据量化取值与编码 ,从而构建地质体三维空间规则数据场。实例选取钻孔所钻深度范围 75研究区按 50m*50m*50共分成159,030个立方体单元。中南大学 三维地质隐式建模实例已知含矿单元矿化值的计算实例数据主要来自于 钻孔勘探数据 ,通过钻孔测斜计算,采用线性内插的方法可计算出钻孔采样点的空间坐标,从而编程实现采样点品位数据的空间标注。基于网格立体单元的划分和落入该单元的采样点品位数据,可直接计算出已知含矿单元的品位值。按 采样点坐标 找出落在相应网格立方体单元中的采样点,对落在每个单元的所有采样点的 获得 6,317个已知含矿立方体单元数据中南大学 三维地质隐式建模实例空间插值方法的适应性和未知立体单元矿化值的推估由于地质数据有其特殊的特点,在进行空间数据插值时,不能简单地套用现成的自动插值方法,必须考虑许多制约因素及相关的地质学原理 。如 克立格法不可能根据较少的数据建模进行估值,且克立格法对大量勘探资料数据,须经过大量的结构分析,在套合结构变异函数的基础上进行统一估值解算,其计算非常复杂,对于多成因、多期次成矿的大矿体,被研究的变量在矿体不同深度和不同部位的变化性往往有较大的差异,其估值结果具有不确定性,所以在进行数据估值时用一个数学模型也得不到比较稳定的估值精度,在进行数据插值时必须考虑分区或分段建模,而 杨赤中法 能够分区分层进行建模,且容易实现。实例中 如果仅仅只 对钻孔所钻深度范围进行网格化 ,而不对地质体深、边部进行推估的话,克立格方法和杨赤中推估法都已被证明可用于三维立体单元品位推估与储量计算(见后面的实验)。 由于实例数据来自于深边部隐伏矿体预测项目,采用克立格建模方法和杨赤中法对已知点很少且分布不均匀或没有已知点的地质体深、边部属性外推并不适应 。中南大学 三维地质隐式建模实例未知立体单元矿化值的推估考虑到成矿地质条件的复杂性, 未知单元含矿性的推估经过了从成矿信息定量提取到控矿因素与矿化分布的定量分析,以及隐伏矿体立体定量预测建模的过程。(毛先成,邹艳红,陈进等 . 危机矿山深部、边部隐伏矿体的三维可视化预测 J]. 地质通报, 2010, 29(2 401中南大学 三维地质隐式建模实例网格化立体单元的绘制根据数据库中不同水平标高间的已知单元信息和预测单元信息为基础绘制了三维预测体空间,实现了不同水平标高单元( 50× 50× 50化指标信息的查询与显示。中南大学 三维地质隐式建模实例中南大学3) 以 现三维地质体等值面的重建。此算法在 三维空间规则数据场 的基础上,对数据场中的每个体元 次找出 每个体元 中所包含的 等值曲面 。等值曲面是指三维空间中的一张曲面,在该曲面上的点的函数值等于一个给定的 阈值 c。{(x ,y ,z )|f (x ,y ,z )=c}其中 个体元中并非都存在等值面,当体元的八个顶点值都大于或都小于阈值 元的内部不存在等值面。 只有在既包含大于3 三维地质隐式建模实例体元 下:1)每次读出两张切片,形成一层 )两张切片上下相对应的四个点构成一个立方体 )依次从左至右,从前到后,顺序处理每一层中的 取出各个 从下到上逐步处理 (。对每个 个顶点的灰度值可以直接从输入数据中得到,并 设定抽取的等值面的域值 。如果一个顶点的灰度值大于域值,则将它标记,小于域值则不标记。所以 等值面的分布总共可能有 256种 。由于 不影响等值面的拓扑关系,可以总结出 15种基本的立方体 。3 三维地质隐式建模实例基本立方体的 15种拓扑关系消除等值面连接二义性的单元剖分中南大学4)通过三维可视化技术实现地 质体三维空间形态模型的可视化 。3 三维地质隐式建模实例中南大学维地质隐式建模实例中南大学本反映了矿体的 3维空间分布规律,参考手工勾绘的勘探剖面图资料, 3个主要的曲面群对应着矿山三个矿区矿体的位置,与在 形状和大小相近 。但从细节上看有些差异, 隐式模拟的矿体边界相对光滑 ,同时模拟结果中有一些零星的小曲面。这主要是因为通过推估模型获得的某些空间网格矿化值存在偏差,同时,基于 相对显式模拟的地质体界线推断和交互式圈定,隐式模拟方法可省去烦琐的人工操作过程,生成三维模型高效且直观,便于对矿体进行概略性研究和进行储量的快速估算 。3 三维地质隐式建模实例中南大学行基于空间网格插值的矿体三维隐式建模实验研究,并选用 不同空间插值方法 进行对比分析。选取数据 :原始样品铜品位化验数据记录 708条,以样品平均长度 去除异常值并保证样品的均一性,共得到组合样品 744个。分别对原始样品和组合样品进行统计分析:样品类型 样品数 (个 ) 最小值 (%) 最大值 (%) 平均值 (%) 方差 标准差变异系数原始样品 708 44 待 插 值 网 格品 位 = =  1 ? 样 品 点 样 品 数 据( x , y , z ) , 样 品 数 > 0 ? 矩 阵 A , 方 程 组求 解   01x w z x 0 0输 出样 品 数 据Φ , f 方 程 组求 解输 出遍 历 待 插 值 网 格计 算 矩 阵 Φ , f ()i X计 算1* ( ) X 输 出 层 权 重品 位 = =  1 ?格插值实现流程图•空间网格插值的实现流程中南大学划 分 矿 体 空 间 规 则 格 网 , 小 格网 大 小 为 L * L * 每 个 小 立 方 体 块 的 初 始铜 品 位 值 , k = 1求 出 第 k 遍 每 个 小 立 方 体 块 的加 权 游 动 平 均 值选 定 作 为 随 机特 征 函 数 R ( L ) 的 拟 合 函 数 模 型拟 合 随 机 特 征 函 数 R ( L ) k > 4否k = k + 1求 出 第 k 遍 的 随 机 特征 值 R ( k L )求 解 极 限 半 径 a = N c第 k 遍 游 动 区 间 半 径为 k L    L R ( 1 )是N = 2 是N = N + 1否根 据 不 同 的 区 间 半 径 值 L 和 对应 的 特 征 函 数 值 R ( L ) 求 解 A 、 式 G ( L ) = R ( a ) - R ( L ) ,求 出 估 值 和 差 协 方 函 数 G ( L )根 据 式 , 求 出每 个 小 立 方 体 块 中 心 和 其 8 个 顶 点的 的 铜 品 位 值输 出根 据 式 G P = C 求 出 与 待 求 点相 关 小 立 方 体 块 的 权 系 数 P 00 %C 0 kl r 2( 1 )V杨赤中推估法 空间网格插值实现流程示例图•空间网格插值的实现流程中南大学值结果验证与分析方法:对各种插值方法进行 交叉验证 ,即每次去掉一个已知网格的铜品位值,用剩余的已知网格样品对其品位进行估算,直到对所有已知网格样品都进行了一次估算,最终得到一组和实际值对应的估算值。采用统计模型: 均方根 ( 决定系数 关系数的平方)对两组数值进行分析与评价。统计模型 50米 网格赤中值结果验证与对比分析 )与径向基函数网络 (右 )网格插值交叉验证结果散点图( 50 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 . 60 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6A c t u a 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 . 60 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6A c t u a 值结果验证与对比分析 )与杨赤中 (右 )网格插值交叉验证结果散点图( 50南大学三维隐式建模实例中南大学地质体数据不足的情况下,利用 空间插值方法 实现数据的网格化,推断并预测未知区域及研究较少区域的地质体信息的分布趋势,利用 三维曲面重建算法及三维可视化技术 相结合,能有效对不规则勘查数据自动实现 地质要素的三维形态模拟 。这种三维隐式建模方法在 矿业开发前期能够快速地得到地下要素信息的三维可视化表达 ,直观展示地下不规则分布的地质体几何结构,帮助地质工作者形象直观地分析地质特征并处理大量的野外测量和样品分析数据,有效地指导矿业开发。总结和讨论中南大学 1)空间数据插值方法的应用分析需要进行 大量不同实例数据插值分析 研究,如何选择合适的空间插值方法与模型,实现三维空间插值建模的自动化以及地质体三维自动重构还有待进一步 研究和验证。( 2)三维地质隐式建模的 精度分析与评价总结和讨论中南大学!
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