一种GIS-MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法技术

本发明专利技术属于三维地质建模技术领域，特别是涉及一种GIS

【技术实现步骤摘要】
一种GIS
‑
MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法


[0001]本专利技术属于三维地质建模
，特别是涉及一种GIS
‑
MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法。

技术介绍

[0002]三维地质建模是新一代地质调查及深部资源勘探的核心技术之一，同时也是开展地质空间分析、地质现象解释、地质过程模拟等工作的重要基础。然而，目前针对三维地质建模的研究正处于一个从静态模型逐步向动态模型发展的阶段，传统三维地质模型的静态展示、度量、统计、分析等功能，尚不能有效地处理空间和时间数据结构的可变性，无法满足工程应用中复杂多变的分析需求。
[0003]与此同时，各种数值模拟方法正在逐渐被应用于地质工作中，数值模拟方法可以通过定量计算解析各种复杂的物理过程，在三维地质模型中集成适合模拟岩土体大变形的数值模拟方法，可以极大地提高模型的计算分析能力以及动态仿真能力，使模型真正具有“生命力”。因此，结合先进的数值模拟理论，建立动态三维地质模型构建方法，对增强模型的计算分析与动态仿真能力，具有重要的现实意义和应用价值。

技术实现思路

[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的是提供一种GIS
‑
MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法，以解决传统静态建模方法中存在的不足。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种GIS
‑
MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法，包括以下步骤：
[0006]1)将钻孔数据导入ArcGIS，在地统计分析模块中对每个地层的钻孔点进行插值，得到每个地层的高程栅格数据图层(即DEM图层)；
[0007]2)在每个地层的DEM图中，以每个栅格单元的中心点为节点，水平连线后形成四边形单元网格，并在地层间将对应节点垂直连线并适当分割，从而生成六面体空间网格，该空间网格不用于计算，仅用于布置物质点空间位置；
[0008]3)在每个空间网格中规则布置适当数量的物质点，并为每个物质点标记所属地层编号，同时按照研究区域范围对物质点进行裁剪；
[0009]4)覆盖整个计算区域布置规则的立方体背景网格，该背景网格用于物质点法计算；
[0010]5)将各地层岩土参数数据导入ArcGIS，同样生成每个地层的岩土参数栅格数据图层，提取各地层每个栅格单元岩土参数数据，并赋值给栅格单元下方属于该地层的所有物质点，包括密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、抗拉强度等；
[0011]6)设定物质点模型的初始条件、边界条件、荷载条件；
[0012]7)利用物质点法进行岩土体变形计算；
[0013]8)在每一步物质点法计算结束后，针对新的物质点空间分布，遍历每个地层的每
个栅格单元下方属于该地层的所有物质点，找到高程最大的物质点，利用该物质点高程覆盖该栅格单元原高程数据，同时将该物质点的计算结果，包括应力、应变、位移、速度等数据添加至该栅格单元；
[0014]9)在每一步物质点法计算结束后，在ArcGIS中利用更新后的各地层高程栅格数据，通过构建三角网实时生成三维实体地质模型，同时利用不同颜色表征应力、应变、位移、速度等计算结果的大小分布情况。
[0015]作为优化，步骤7)中，物质点法以自定义工具脚本的形式完全集成于GIS平台，其每一时间步的计算流程为：将物质点上存储的物理量映射到背景网格节点上。在背景网格上求解动量方程。将求解后的物理量再次映射回物质点，更新物质点运动状态。
[0016]作为优化，步骤7)中，物质点采用自适应技术，当物质点某一方向上的等效长度满足式(1)条件时，则将物质点沿该方向一分为二，分裂后质量、体积减半：
[0017][0018]式中，mp为物质点质量，ρ0为物质点初始密度，Δt为每一步的计算时长，为每一步的体积应变率，α为分裂因子，d为背景网格间距。
[0019]作为优化，步骤7)中，背景网格采用自适应技术，当背景网格应变能满足式(2)条件时，则将网格一分为四，同时分裂其中所有物质点：
[0020][0021]式中，n为含物质点的背景网格数量，Ω为计算域，Ω
i
为背景网格i的计算域，σ为应力张量，D为应变张量，η为给定的容许分裂系数。
[0022]作为优化，步骤7)中，岩土体采用D
‑
P本构模型，模型屈服函数如式(3)与式(4)所示：
[0023][0024][0025]式中，f
s
与f
t
为屈服函数，I1为应力张量第一不变量，J2为偏应力张量第二不变量，σ
t
为抗拉强度，参数α与k可由粘聚力c及内摩擦角确定。
[0026]作为优化，步骤9)之后，还包括改变不同岩土参数、初始条件、边界条件和荷载条件，重复步骤，根据不同的岩土体变形计算结果动态更新三维实体地质模型的步骤。
[0027]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：
[0028]A.将GIS与MPM无缝集成，充分发挥了GIS在三维建模与可视化技术方面优势，以及MPM在计算分析与动态仿真方面的优势，从而使三维地质模型拥有动态展示功能；
[0029]B.利用物质点模拟方法克服了传统有限元模拟方法对于岩土体大变形模拟时因网格畸变而产生的数值困难，能够更好地模拟滑坡、塌陷等地质灾害；
[0030]C.利用物质点及背景网格自适应技术，在应变大的区域会自动加密网格与质点，具有较好的灵活性，能保证计算精度与计算效率；
[0031]D.所有计算过程均通过二次开发在GIS平台实现，包括DEM向物质点模型的转换以及物质点模型向三维实体地质模型的转换均可在GIS平台自动完成；
[0032]可以在模型中任意调整岩土参数、初始条件、边界条件和荷载条件等，从而根据不同的模拟结果得到不同的三维地质模型动态响应情况。
附图说明
[0033]图1为实施方法流程图。
[0034]图2为实施例中高程栅格数据图层。
[0035]图3为物质点生成方法示意图。
[0036]图4为实施例中物质点计算模型。
[0037]图5为实施例中初始三维地质模型。
[0038]图6为实施例中动态展示2s时的三维地质模型。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，需注意的是，在本专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0040]参见图1，本实施例公开一种GIS
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MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法，包括以下步骤：
[0041]1)整理钻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GIS
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MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将钻孔数据导入ArcGIS，在地统计分析模块中对每个地层的钻孔点进行插值，得到每个地层的高程栅格数据图层，即得到DEM图层；2)在每个地层的DEM图中，以每个栅格单元的中心点为节点，水平连线后形成四边形单元网格，并在地层间将对应节点垂直连线并适当分割，从而生成六面体空间网格，该空间网格不用于计算，仅用于布置物质点空间位置；3)在每个空间网格中规则布置适当数量的物质点，并为每个物质点标记所属地层编号，同时按照研究区域范围对物质点进行裁剪；4)覆盖整个计算区域布置规则的立方体背景网格，该背景网格用于物质点法计算；5)将各地层岩土参数数据导入ArcGIS，同样生成每个地层的岩土参数栅格数据图层，提取各地层每个栅格单元岩土参数数据，并赋值给栅格单元下方属于该地层的所有物质点，包括密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比和抗拉强度；6)设定物质点模型的初始条件、边界条件、荷载条件；7)利用物质点法进行岩土体变形计算；8)在每一步物质点法计算结束后，针对新的物质点空间分布，遍历每个地层的每个栅格单元下方属于该地层的所有物质点，找到高程最大的物质点，利用该物质点高程覆盖该栅格单元原高程数据，同时将该物质点的计算结果，包括应力、应变、位移、速度等数据添加至该栅格单元；9)在每一步物质点法计算结束后，在ArcGIS中利用更新后的各地层高程栅格数据，通过构建三角网实时生成三维实体地质模型，同时利...

【专利技术属性】
技术研发人员：范泽英，孙帆，曹聪，杨洵，徐高海，
申请(专利权)人：重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，
类型：发明
国别省市：