基于GIS空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法_宋仁波.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 钻孔数据；虚拟钻孔；空间分析 中图分类号P263文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.06.009 A for determining and implementing the virtual borehole based on GIS spatial analysis SONG Renbo, CUI Luyang, TAOYeqing, HE Qiaoning,YIN Biao, ZHANG Pengfei, LI Wenhui, WANGYuexiang, WANG Xiyuan School of Urban and Environmental Science of Huaiyin Normal University, Huai’an 223300, China Abstract In the process of 3D geological modeling, a certain amount of virtual boreholes are introduced for precisely controlling the interior and the boundary of the strata interfaces, which not only can effectively improve the mesh quality of the constructed model, but also can level up the model accuracy and its visual effects. This paper proposed a for determining and implementing of virtual borehole based on GIS since the existed approaches for introducing the virtual borehole are mainly implemented by manual operations, which are influenced by the subjective factors and have the defects of low automatic degree, time consuming and laborious. Firstly, the borehole data and geological maps collected by various geological exploration s are used as data sources, and two-dimensional2Dvirtual borehole points of faults ations and the modeling area are generated respectively by using the tools of ArcScan, FeatureToPoint, CreateTin, TinTriangle, CreateThiessenPolygons and Intersect under the support of ArcGIS plat; Then, the 2D points of virtual borehole points are projected into 3D points of virtual borehole by using the InterpolateShape tool by generating the strata surfaces. And then, the whole process of automatically creating virtual borehole is implemented by using the visual design tool of ModelBuilder. Finally, the acquired 3D virtual borehole are applied for the 3D geological and comparison experiments and have achieved good modeling results, which shows that the has a certain effectiveness, practicality and operability. Keywords 3D geological modeling; GIS; borehole data; virtual borehole; spatial analysis ChaoXing 68煤田地质与勘探第 46 卷 三维地质建模是运用现代空间信息理论研究 地质体及其环境的信息处理、数据组织、空间建模 及数字表达， 并运用科学可视化技术进行真三维再 现和可视化交互的科学技术[1]。与传统的二维地质 剖面图相比，三维地质模型能够更加直观、立体地 展示地下岩层的空间结构和分布情况， 在地学研究 和工程实践领域都具有重要应用价值，因此，近些 年来，三维地质建模技术一直吸引矿山、地质、测 绘和 GIS 等领域专家和学者的广泛关注[2-3]，围绕 数据预处理、建模方法、可视化技术和系统开发方 法等方面已取得大量成果[4-13]。在三维建模过程 中，由于建模数据的不足、甚至稀少，导致生成 的地层面网格粗糙，模型可视化效果差；而采用 插值或网格细分的方法虽然能够生成光滑的地层 面网格[14-16]，但会产生地层网格上下交错的情形， 不利于模型的后期编辑和修改， 模型的不确定性增 加的同时，其数据量也会成倍增长。上述因素都严 重制约了三维地质建模在工程领域的推广和应用。 针对这一问题， 在建模中通过引入一定量的虚拟钻 孔[17-21]， 对地层分界面网格的几何形态实现更精确 的控制，从而达到改善模型网格质量，同时提高模 型的精度和可视化效果的目的， 这对后续的地质解 译、分析和补充勘测等都起到了积极的促进作用。 目前，对于虚拟钻孔的空间分布规律已有一定认 识，并确定其主要分布于地质构造如断层、透镜 体的边界上[19]，但仍然缺少自动化实现方法。因 此， 非常有必要对虚拟钻孔的确定与实现方法进行 深入研究。 通过对现有虚拟钻孔的确定方法进行深入的分 析，其主要实现途径是通过手工方式在建模区域添 加虚拟钻孔，该方法主要依赖专家的知识和经验， 受主观因素影响较大，缺少客观参考依据，且实现 方式自动化程度较低，耗时、费力；考虑 GIS 系统 不仅提供基础的数据处理和制图功能，而且还提供 强大的空间分析和建模能力，可为虚拟钻孔的确定 与实现提供便利的条件。因此，笔者提出基于 GIS 空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法，通过探索虚 拟钻孔的空间分布规律，并综合运用 GIS 的数据处 理、空间分析和建模功能实现了虚拟钻孔的自动构 建。下面对其确定的原理、实现流程、操作步骤和 建模实验进行详细介绍和分析。 1虚拟钻孔确定的原理 虚拟钻孔是指在地质建模区域内部特定位置构 建的虚拟点位，并根据原始采样点的空间坐标确定 虚拟点位的空间坐标，利用空间插值方法拟合出虚 拟点位的地层信息，需要通过对勘查区域进行补充 勘测预以确认。在工程地质领域，主要采用交叉验 证的方法布设验证钻孔即虚拟钻孔，其空间位置 通常位于相邻钻孔采样点连线的中点上[22]，该处恰 好是钻孔采样点的Delaunay三角剖分获得的三角形 三条边的中点。同时，从每个钻孔采样点的影响范 围考虑，虚拟钻孔点应处于其影响范围的边界上， 这个边界恰好是钻孔采样点的泰森多边形Vironoi 图。此外，为对地层的边界进行更加精确的控制， 虚拟钻孔还包括断裂、露头和透镜体等构造的边界 点位，其原理如图 1 所示。 图 1虚拟钻孔确定的原理示意图 Fig.1The sketch of determining the position of the 2D points of virtual borehole 2基于 GIS 空间分析的虚拟钻孔实现 2.1实现流程 基于 GIS 的空间分析功能实现虚拟钻孔，其技 术流程主要包括以下步骤 ① 以钻孔数据和地质剖 面图为数据源， 经过一定预处理后， 将其保存至 GIS 数据库；② 利用 3D 分析创建的 TINCreate Tin和 文件转换的 TIN 转三角形Tin Triangle生成建模区 域的三角网格； ③ 利用邻域分析的泰森多边形工具 Create Thiessen Polygons创建区域的 Vironoi 图； ④ 利用叠加分析的相交Intersect工具生成区域的 二维2D虚拟钻孔点，并利用 3D 分析的图形插值 Interpolate Shape工具将二维2D虚拟钻孔点投影 到相应的地层 TIN 表面，从而生成其三维3D虚拟 钻孔点；⑤ 通过建模对比实验对结果进行分析，其 主要实现技术流程如图 2 所示。 ChaoXing 第 6 期宋仁波等 基于 GIS 空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法69 图 2虚拟钻孔实现的技术流程图 Fig.2The technique flow chart of implementing the virtual boreholes 2.2实验区概况与数据预处理 选择南京仙林地区作为实验区，该区域位于紫 金山东麓，北抵 312 国道，南达沪宁高速公路，东 至规划中的三环公路，西以绕城公路为界。规划建 设的地铁 2 号线和 4 号线分别从紫金山的南侧和北 侧分别进入仙林。 实验数据来源于城市地质勘查获取的钻孔数据 和地质剖面图。其中，钻孔数据主要包括地质勘探、 工程地质、浅震和高密度电法采集的钻孔数据；而 地质剖面图主要包括岩层构造图和断裂线分布图。 一方面， 利用 ArcMap 从钻孔数据的 Excel 文件中提 取出钻孔数据的点要素类，并将其导出独立的 Shpfile 文件表 1；另一方面，利用 ArcScan 自动矢 量化工具，从平面地质图中分别提取出岩层构造的 边界面和断裂构造的二维2D矢量线；然后，利用 最小外包几何Minimum Bounding Geometry–凸包 Convex_Hull工具提取出建模区域的矢量边界，并 将其保存至 GIS 数据库, 实验区数据分布的情况如 图 3 所示。 表 1钻孔数据分布表 Table1Borehole data distribution table FIDShape钻孔编号顶层高程/m底层高程/m厚度/m地层岩性地层代号X 投影坐标Y投影坐标 0PointZM1012017152地表盖层Q4-46787863553106 1PointZM101211413.50.5地表盖层Q46799543553317 2PointZM101221511.53.5地表盖层Q46804723553948 3PointZM101241210.51.5地表盖层Q46815793555069 105PointZM1011435.7133.212.5素填土Q4-46787493554881 图 3实验区数据的分布概况图 Fig.3The map of the distribution of data in the experimentation area 2.3生成 2D 虚拟钻孔点 一方面，通过组合创建 TIN 和 TIN 转三角形工 具生成建模区域的三角网格图 4a；其次，利用邻 域分析的泰森多边形Create Thiessen Polygons工具 生成钻孔采样点的 Voronoi 图图 4b；然后，利用 叠置分析的交集Intersect工具结合前一步生成的 三角网格与 Voronoi 图生成二者交点的集合，即是 建模区域内的 2D 虚拟钻孔点图 4c； 进一步利用要 素结点转点Feature Vertices To Points工具提取 2D 断裂线的结点生成 2D 矢量点，即是断裂线上的 2D 虚拟钻孔点图 4d；最后，将两种类型的虚拟钻孔 点要素类进行合并，并保存为 Shpfile 文件。 另一方面，利用克里金Kriging插值工具结合 原始钻孔点要素类生成各地层的 TIN 表面，同时结 合 TIN 转三角形工具将其转换成地层面的三角网。 然后，将相邻地层面的三角网分为一组，利用 ArcScene 符号化工具，通过顶视图对地层进行深度 ChaoXing 70煤田地质与勘探第 46 卷 图 42D 虚拟钻孔点的生成过程 Fig.4The process of generating the 2D points of virtual boreholes 空间分析图 4e，并将结果存储为栅格图像。最后， 利用 Arc Scan 自动矢量化工具从中提取出各地层的 露头边界多边形图 4f 和图 4g，并结合要素结点转 点工具提取出露头边界虚拟钻孔点，如图 4h 所示。 此外，为实现整个创建过程的自动化，利用 Model Builder 可 视 化 建模 工具 ，结 合创 建 TIN Create Tin、TIN 转三角形Tinto Triangle、泰森多 边形Create Thiessen Polygons和求交分析Intersect 等空间分析工具，通过设计模型自动生成 2D 虚拟 钻孔点，设计的模型如图 5 所示。 图 52D 虚拟钻孔点的自动创建方法 Fig.5The for automatically creating the 2D points of virtual boreholes 2.43D 虚拟钻孔点的生成 采用同样的方法，将钻孔采样点要素类图 6a和 断裂线要素类的Shpfile文件导入Model Builder建模环 境，并结合要素选择Iterater Feature Selection迭代器、 选择Select工具、克里金Kriging插值工具，依次生成 各地层分界面的栅格表面图 6b, 设计的模型如图 6c 所示。其中，克里金插值的参数配置如图 6d 所示。 然后，通过导入 2D 虚拟钻孔点，并结合栅格 数 据 集 Iterater Rasters 迭 代 器 和 图 形 插 值 Interpolate Shape工具，将其投影到各地层栅格表 面， 分别生成各地层的 3D 虚拟钻孔点图 7a； 最后， 利用 ArcPy 脚本编程生成虚拟钻孔 3D 矢量线，并 结合圆柱体符号化工具进行可视化，生成的虚拟钻 孔柱三维模型，如图 7b 所示，设计的模型如图 7c ChaoXing 第 6 期宋仁波等 基于 GIS 空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法71 所示。 图 6地层栅格表面自动创建过程 Fig.6The processes of automatically creating 3D raster strata surfaces 图 73D 虚拟钻孔点的自动创建过程 Fig.7Process of automatically creating virtual borehole points 3建模实验与结果分析 3.1建模实验 为测试本文方法的可靠性和有效性，将原始钻 孔采样点要素类和虚拟钻孔点要素类分成两组并分 别存储为 Shpfile 文件，然后，将其分别导入 Model Builder 建模环境，分别采用矩形网格插值生成钻孔 的方法分别生成虚拟钻孔，并通过构建地质模型进 行对比实验，其结果如图 8 所示。 图 8三维地层建模对比实验 Fig.8The contrastive experiment of creating 3D strata models 其中， 一组实验只采用原始钻孔采样点要素类， 并通过要素选择迭代器Iterate Feature Selection、 选 择Select、克里金Kriging插值、栅格转点Raster To Points、创建 TINCreat Tin和 TIN 转三角形 Create Tin等工具分别生成各地层的三角网格，并 结合 TIN 拉伸工具生成地层的实体模型图 9a；另 一组实验，采用同样的方法，将原始钻孔采样点和 虚拟钻孔点进行合并，然后，组合要素选择迭代器、 选择、创建 TIN 和 TIN 转三角形，同时结合 TIN 拉 伸工具生成其实体模型，生成的结果如图 9b 所示。 图 9地层模型的可视化效果对比 Fig.9Comparison of the visualization effects of the constructed strata models 3.2结果分析 本文主要从模型的数据量和可视化效果两方 面，对构建的模型结果进行对比分析一方面，通 过对地层网格数据量统计结果来看，插值地层方式 生成地层的三角形数量与插值网格的形状、尺寸大 小相关，而采用虚拟钻孔生成地层的三角形数量与 虚拟钻孔点的数量成正比，即引入的虚拟钻孔点越 多则生成模型的三角网数据量越大；同时，常用的 ChaoXing 72煤田地质与勘探第 46 卷 插值方法主要采用矩形网格插值方法，在插值时网 格的尺寸不能太大，否则容易造成斑块效应，若要 提高模型网格质量，需要缩小网格尺寸，因此，该 方式生成的网格数量较大，如表 2 所示。 另一方面，通过对两组构建的三维地层模型进 行局部放大观察和分析，插值生成的地层网格由于 缺少钻孔采样点控制，局部的三角网格起伏较大， 这与插值模型、搜索图形形状和搜索半径相关，并 且不易观察到误差出现的位置；而引入虚拟钻孔建 模获得的地层网格，在全局尺度和局部尺度都具有 更好的表现力，在虚拟钻孔显示的指引下，构建的 模型更具参考和指示意义。 表 2地层三角形数量分组统计 Table2The number of strata triangles by grouping statistics 项目地层层数三角形数量/个 插值地层918 576 虚拟钻孔地层912 618 4结 论 a. 以钻孔数据和地质剖面图为数据源，综合运 用 GIS 的 TIN、泰森多边形、相交和图形插值等多 种空间分析工具，通过探索虚拟钻孔的空间规律， 在确定虚拟钻孔空间方位的基础上，利用 Model Builder 可视化建模工具，通过设计模型实现了虚拟 钻孔的自动构建。该方法避免了人机交互添加虚拟 钻孔而缺少工具参考、自动化程度低等缺陷，所有 操作在同一 GIS 平台下完成，具有一定的实用性和 可操作性。 b. 提出了 GIS 空间分析的虚拟钻孔确定与实 现方法，一方面，通过确定虚拟钻孔的空间分布规 律，为地质勘查或工程勘察方案的设计提供借鉴； 另一方面，通过虚拟钻孔的自动实现，为改进模型 精度提供有效的技术途径，从而促进三维地质建模 技术在矿山、地质和石油等领域的推广和应用。 c. 文中所述方法对断裂、露头构造和补充勘测 虚拟钻孔的空间分布规律进行了探讨，对透镜体的 虚拟钻孔的提取方法未做讨论，这将是今后研究的 重点。 参考文献 [1] SIMON W H ． 3D geoscience modeling[M]. 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