地層連接關(guān)系自識(shí)別的剖面圖繪制算法

陳琛億,侯明勛,朱冬林

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430052)

地質(zhì)剖面圖是根據(jù)剖面線上各鉆孔的地層信息繪制各地層的輪廓線并以圖案進(jìn)行填充,以此展現(xiàn)鉆孔分布區(qū)域的地質(zhì)情況,這是工程勘察中掌握地下構(gòu)造情況的重要途徑和步驟[1-2]。傳統(tǒng)地質(zhì)剖面圖的繪制往往需要依賴手工完成,不僅消耗大量人力,且成圖精度取決于繪制者水平,紙質(zhì)文件也難以儲(chǔ)存[3-4]。目前可視化通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形在眾多領(lǐng)域取得了研究成果,因此利用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面圖的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制具有重要的研究意義[5]。

現(xiàn)有地質(zhì)剖面圖繪制的研究主要分為以下兩方面:(1)復(fù)雜斷層的處理;(2)地層的連接處理。在復(fù)雜斷層的處理方面,Wu等[6]提出根據(jù)斷層控制點(diǎn)、斷層走向以及斷層傾角等數(shù)據(jù)求解剖面圖中斷層線方程的方法;陳嶷瑛等[7]基于復(fù)雜斷層的空間關(guān)系對(duì)斷層級(jí)別進(jìn)行劃分,按照斷層級(jí)別依次處理斷層對(duì)地層的切割,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜斷層的處理;孫振明等[8]通過(guò)設(shè)計(jì)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有效處理了剖面圖繪制過(guò)程中斷層與地層間的空間關(guān)系。在地層的連接處理方面,文獻(xiàn)[9-10]中通過(guò)添加虛擬鉆孔有效處理了地層尖滅的問(wèn)題,這類方法要求構(gòu)建的虛擬鉆孔足夠精確,往往需要一定的專家經(jīng)驗(yàn),建模效率低下;田甜等[11]通過(guò)用戶交互的方式將專家經(jīng)驗(yàn)融入到地層連接過(guò)程中,有效解決了地層缺失、透鏡體等問(wèn)題,但連接過(guò)程中需要一定的人工干預(yù),自動(dòng)化程度較低;徐磊等[12]基于地層屬性及其語(yǔ)義關(guān)系推理了地層連接關(guān)系的6種基本模式并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的地層連接算法,但該算法只適用于鉆孔數(shù)據(jù)豐富、地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的情況。

由上述可見(jiàn),目前斷層線的構(gòu)建方法相對(duì)成熟,不僅能對(duì)復(fù)雜斷層進(jìn)行處理,同時(shí)也考慮了斷層與地層線的空間關(guān)系。但在地層連接處理方面,復(fù)雜地質(zhì)剖面圖的構(gòu)建需要添加虛擬鉆孔以及引入專家知識(shí),構(gòu)建的方法過(guò)于復(fù)雜,在大范圍的地質(zhì)建模中效率不高。針對(duì)常見(jiàn)的地層尖滅、地層缺失、地層透鏡體等現(xiàn)象,如何制定相應(yīng)的連接規(guī)則以提高算法的智能性有待于進(jìn)一步研究。為解決以上問(wèn)題,提出一種地層連接關(guān)系自識(shí)別的剖面圖繪制算法,并以廣州某隧道的地質(zhì)剖面圖為例進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明該算法在連接相鄰鉆孔地層時(shí)充分考慮了地層尖滅、地層缺失、透鏡體等現(xiàn)象,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、快速,實(shí)現(xiàn)了一般工程地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)繪制,能較好地為工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工和管理服務(wù)。

1 地層連接關(guān)系與推理

文獻(xiàn)[13]中將地層分布分為地層連續(xù)分布、尖滅、透鏡體、缺失、間斷缺失5種情況,其中將地層在中間鉆孔連續(xù)、在兩端分別發(fā)生缺失的現(xiàn)象視為透鏡體。鑒于該分類方法下各類地層分布的特點(diǎn),相鄰鉆孔的地層連接關(guān)系可分為4種(見(jiàn)圖1):①地層連續(xù)連接:地層在相鄰鉆孔中連續(xù)分布,分別連接地層的上下分界點(diǎn),連線即為該地層的上下分界線(見(jiàn)圖1(a));②地層缺失連接:鉆孔中某地層在其相鄰鉆孔相應(yīng)層位上發(fā)生缺失,該地層于相鄰鉆孔處發(fā)生尖滅,分別連接該地層的上下分界點(diǎn)與尖滅點(diǎn)(見(jiàn)圖1(b));③地層間斷缺失連接:兩相鄰鉆孔的地層均不連續(xù),且兩鉆孔缺失的地層不是同一地層,則視其為間斷缺失,需要將間斷缺失的地層按照一定的規(guī)則進(jìn)行連接(見(jiàn)圖1(c));④地層尖滅連接:鉆孔中某地層的上下地層巖性相同且在相鄰鉆孔中連續(xù),而該地層在相鄰鉆孔發(fā)生缺失,這種情況視為地層尖滅連接,需要合理確定其尖滅點(diǎn),分別連接地層的上下分界點(diǎn)與尖滅點(diǎn)(見(jiàn)圖1(d))。

圖1 相鄰鉆孔地層連接關(guān)系Fig.1 The relations of strata connection between adjacent boreholes

基于相鄰鉆孔地層連接關(guān)系的分析,可按照以下方法對(duì)地層缺失連接、間斷缺失連接以及尖滅連接等非連續(xù)分布地層的連接關(guān)系進(jìn)行推理。為了方便推理,將地層缺失連接分為左側(cè)缺失連接和右側(cè)缺失連接,將地層尖滅連接分為左側(cè)尖滅連接和右側(cè)尖滅連接。設(shè)有兩相鄰的鉆孔A和鉆孔B,若已確定鉆孔A中第i-1、i+1個(gè)分層A[i-1]、A[i+1]的屬性分別與鉆孔B中第m、n個(gè)分層B[m]和B[n]的屬性相匹配,且鉆孔A中的第i個(gè)分層A[i]為非連續(xù)連接,如圖2所示。

圖2 地層連接關(guān)系推理過(guò)程Fig.2 Inference process of strata connection relations

地層A[i]連接關(guān)系有5種基本模式(見(jiàn)圖3):

(1) 若A為左鉆孔,B為右鉆孔,n-m=0,則A[i]采取右側(cè)尖滅連接,如圖3(a) 所示;

(2) 若A為右鉆孔,B為左鉆孔,n-m=0,則A[i]采取左側(cè)尖滅連接,如圖3(b)所示;

(3) 若A為左鉆孔,B為右鉆孔,n-m=1,則A[i]采取右側(cè)缺失連接,如圖3(c)所示;

(4) 若A為右鉆孔,B為左鉆孔,n-m=1,則A[i]采取左側(cè)缺失連接,如圖3(d)所示;

(5) 若滿足以下條件之一:①A為左鉆孔,B為右鉆孔,n-m≥2;②A為右鉆孔,B為左鉆孔,n-m≥2,則地層A[i]與B中相應(yīng)的地層應(yīng)采取間斷缺失連接,如圖3(e)所示。

圖3 非連續(xù)分布地層連接關(guān)系5種基本模式Fig.3 Five basic patterns of discontinuous strata connection relations

在確定相鄰鉆孔中連續(xù)分布地層的前提下,該推理方法可以對(duì)非連續(xù)分布地層的連接關(guān)系做出準(zhǔn)確的識(shí)別,識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)單快速。因此基于該推理方法提出地層連接關(guān)系自識(shí)別的剖面圖自動(dòng)繪制算法:首先確定相鄰鉆孔中連續(xù)分布的地層;然后對(duì)非連續(xù)分布的地層搜索其上下鄰近的連續(xù)分布地層并找出在相鄰鉆孔中對(duì)應(yīng)分層的層號(hào),以層號(hào)的差值為依據(jù)推理當(dāng)前地層的連接關(guān)系;以此方法處理余下相鄰鉆孔的地層連接,從而實(shí)現(xiàn)剖面圖的繪制。

2 剖面圖的繪制算法研究

2.1 基本處理策略

上述推理方法中非連續(xù)分布地層的連接關(guān)系的識(shí)別與其上下鄰近的連續(xù)分布地層緊密關(guān)聯(lián),這就需要以合理的方法確定相鄰鉆孔中連續(xù)分布地層并確保任意非連續(xù)分布地層上下都存在連續(xù)分布地層,主要包括鉆孔數(shù)據(jù)的預(yù)處理、相鄰鉆孔中連續(xù)分布地層的確定和地層的連接處理3種關(guān)鍵方法。

(1) 鉆孔數(shù)據(jù)的預(yù)處理 由于鉆孔頂端(底端)地層可能為非連續(xù)分布地層,則該地層上(下)不存在連續(xù)分布地層,上述的判斷方法無(wú)法適用于該種情況下首(末)地層連接關(guān)系的識(shí)別。針對(duì)該問(wèn)題,研究采用在鉆孔頂部和底部添加0厚度層的方法,具體情況如下:

①在各鉆孔頂部添加同一屬性的地層,令地層的上下分界點(diǎn)等于原始鉆孔首個(gè)地層的上分界點(diǎn),從而使該地層的厚度為0;

②在各鉆孔底部添加同一屬性的地層,令地層的上下分界點(diǎn)等于原始鉆孔末端地層的下分界點(diǎn),從而使該地層的厚度為0。

該方法處理后的鉆孔的首末地層均為連續(xù)分布地層,這為相鄰鉆孔中非連續(xù)分布地層的連接關(guān)系的識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

(2) 連續(xù)分布地層的確定 相鄰鉆孔中連續(xù)分布地層的確定是該推理方法實(shí)現(xiàn)的前提,需采用科學(xué)合理的方法進(jìn)行確定?？紤]地層在沉積的過(guò)程中基本保持水平且地層不相交,可將保持地層連接線的平緩作為確定連續(xù)分布地層所遵循的原則。研究采用如下的方法確定連續(xù)分布的地層:

①將相鄰兩鉆孔中屬性相同的地層層底進(jìn)行連接;

②統(tǒng)計(jì)各連接線與其余連線的交點(diǎn)數(shù)目(交點(diǎn)不包括兩端端點(diǎn)),刪去交點(diǎn)最多的連接線,當(dāng)多根線的交點(diǎn)數(shù)相同時(shí),先刪除斜率較大的連線,若斜率一樣,先刪除所連的地層序號(hào)相差最多的連接線;

③重復(fù)②直至不存在相交的連接線為止,將相連的地層作為相鄰鉆孔連續(xù)分布的地層。

連續(xù)分布地層在兩鉆孔中的分層主要有一對(duì)一、一對(duì)二這2種對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖4所示。其中一對(duì)二的對(duì)應(yīng)關(guān)系中連續(xù)分布地層在相鄰鉆孔中有2個(gè)對(duì)應(yīng)分層。若其上(下)地層為非連續(xù)分布地層(見(jiàn)圖5),此時(shí)其上(下)地層連接關(guān)系的識(shí)別無(wú)法進(jìn)行,需按照一定的規(guī)則確定其在相鄰鉆孔中的對(duì)應(yīng)分層:若需識(shí)別的地層位于該地層之上,則在相鄰鉆孔中選擇序號(hào)較小的分層為其對(duì)應(yīng)分層,如圖5(a)所示;若需識(shí)別的地層位于該地層之下,則在相鄰鉆孔中選擇序號(hào)較大的分層為其對(duì)應(yīng)分層,如圖5(b)所示。上述處理方法確定了兩鉆孔中連續(xù)分布的地層,并確保了非連續(xù)分布地層連接關(guān)系的識(shí)別順利進(jìn)行。

圖4 連續(xù)分布地層對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correspondence of continuously distributed strata

圖5 地層識(shí)別時(shí)相鄰連續(xù)分布地層搜索規(guī)則Fig.5 Search rule of adjacent continuous distribution atrata during formation identification

(3) 地層的連接處理 假設(shè)地層缺失連接和間斷缺失連接時(shí)尖滅點(diǎn)位于相鄰鉆孔處,其中地層連續(xù)連接和缺失連接按照?qǐng)D3的處理方法可正確連接地層,因此不具體討論。以下主要討論地層間斷缺失連接以及地層尖滅連接的處理方法。

若地層與相鄰鉆孔中的地層構(gòu)成間斷缺失,則相鄰鉆孔中與其構(gòu)成間斷缺失的各地層的分界點(diǎn)都可能是該地層的尖滅點(diǎn),則需按照一定的規(guī)則從中選取最合適的點(diǎn)?？紤]到地層連接線的平緩,通過(guò)連線斜率的大小確定該點(diǎn),分別計(jì)算該地層的上下分界點(diǎn)與上述各點(diǎn)的連線的斜率,取兩連線的斜率較大值作為平緩的參考值,取參考值最小(即地層連線最平緩)的點(diǎn)作為尖滅點(diǎn)。

地層尖滅連接比較特殊,該地層尚未延伸到相鄰一個(gè)鉆孔就已經(jīng)發(fā)生尖滅。此時(shí)可根據(jù)尖滅地層厚度確定處理規(guī)則[11]:

規(guī)則1:若存在厚度小于2 m的夾層,則該層可忽略不計(jì),尖滅位置按距離該鉆孔1/10d處確定(d為相鄰鉆孔之間的距離,下同);

規(guī)則2:若存在尖滅的地層厚度為2～5 m,則尖滅位置距離該鉆孔1/3d;

規(guī)則3:若存在尖滅的地層厚度為5～8 m,則尖滅位置距離該鉆孔1/2d;

規(guī)則4:若存在尖滅的地層厚度大于8 m,則尖滅位置距離該鉆孔2/3d。

按以上規(guī)則可以確定尖滅點(diǎn)的橫坐標(biāo),其縱坐標(biāo)按照該地層的上下分界點(diǎn)縱坐標(biāo)的平均值進(jìn)行取值。該尖滅點(diǎn)的確定規(guī)則改進(jìn)了傳統(tǒng)剖面圖繪制過(guò)程中取相鄰鉆孔中點(diǎn)的方法,使剖面圖能更真實(shí)地反映該區(qū)域地質(zhì)的分布情況。

2.2 算法描述

根據(jù)上述非連續(xù)分布地層分布模型的推理規(guī)則及處理方法,地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制的算法步驟如下:

步驟1對(duì)所有鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,在各鉆孔頂端和底端添加0厚度的虛擬連續(xù)地層。

步驟2從左邊第一個(gè)鉆孔A開(kāi)始,找出該鉆孔鄰近的鉆孔B。

步驟3確定A、B鉆孔中連續(xù)分布的地層,建立相鄰兩鉆孔連續(xù)分布地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟4遍歷鉆孔A的各地層,判斷地層是否為A、B鉆孔中連續(xù)分布地層并進(jìn)行相應(yīng)的連接處理。

若是連續(xù)分布地層,根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行處理。若其與相鄰鉆孔中地層滿足一對(duì)一關(guān)系,則根據(jù)其與下一連續(xù)分布地層的屬性是否相同選擇連接方法:①屬性不同,則連接該地層與相鄰鉆孔中對(duì)應(yīng)地層的下分界點(diǎn);②屬性相同,則跳過(guò)。若為一對(duì)二的對(duì)應(yīng)關(guān)系,則連接該地層的下分界與相鄰鉆孔中序號(hào)較大的對(duì)應(yīng)地層的下分界點(diǎn)。

若是非連續(xù)分布地層,搜索其在鉆孔A中上下鄰近的連續(xù)分布地層,并找出在鉆孔B的對(duì)應(yīng)地層B[m]、B[n]。定義D=n-m,根據(jù)D大小識(shí)別地層的連接關(guān)系。若D=0,則A[i]采取右側(cè)尖滅連接,按照尖滅地層的尖滅規(guī)則選取尖滅點(diǎn),分別將地層A[i]的上、下分界點(diǎn)與尖滅點(diǎn)連接;若D=1,則A[i]采取右側(cè)缺失連接,連接地層A[i]的下分界點(diǎn)和B[m]的下分界點(diǎn);若D≥2,則A[i]采取間斷缺失連接,根據(jù)間斷缺失連接的尖滅規(guī)則選取尖滅點(diǎn),依次連接地層A[i]的上下分界點(diǎn)與其尖滅點(diǎn)。

步驟5遍歷鉆孔B的各地層,判斷地層是否為A、B鉆孔中連續(xù)分布地層并進(jìn)行相應(yīng)的連接處理。

若是連續(xù)分布地層,根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行處理。若其與相鄰鉆孔中地層滿足一對(duì)一關(guān)系,則根據(jù)其與下一連續(xù)分布地層的屬性是否相同選擇連接方法:①屬性不同,連接該地層與相鄰鉆孔中對(duì)應(yīng)地層的下分界點(diǎn);②屬性相同,跳過(guò)。若為一對(duì)二的對(duì)應(yīng)關(guān)系,則連接該地層的下分界與相鄰鉆孔中序號(hào)較大的對(duì)應(yīng)地層的下分界點(diǎn)。

若是非連續(xù)分布地層,搜索其在鉆孔B中上下鄰近的連續(xù)分布地層,并找出在鉆孔A的對(duì)應(yīng)地層A[m]、A[n]。定義D=n-m,根據(jù)D大小識(shí)別地層的連接關(guān)系并進(jìn)行相應(yīng)的連接。若D=0,則B[i]采取左側(cè)尖滅連接,按照尖滅地層的尖滅規(guī)則選取尖滅點(diǎn),分別將地層B[i]的上、下分界點(diǎn)與尖滅點(diǎn)連接;若D=1,則B[i]為左側(cè)缺失連接,連接地層B[i]的下分界點(diǎn)和A[m]的下分界點(diǎn);若D≥2,則B[i]采取間斷缺失連接,根據(jù)間斷缺失連接的尖滅規(guī)則選取尖滅點(diǎn),依次連接地層B[i]的上下分界點(diǎn)與其尖滅點(diǎn)。

步驟6循環(huán)步驟2～5,對(duì)后面的相鄰鉆孔進(jìn)行連接處理,直至最后一個(gè)鉆孔處理完畢。

2.3 算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架Qt編制了實(shí)現(xiàn)上述算法的鉆孔地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制程序GeoSections。該程序可以根據(jù)工程鉆孔的剖面信息(鉆孔位置、孔口高程、巖土性質(zhì)及其厚度、層位、孔深等)自動(dòng)繪制出二維工程地質(zhì)剖面,同時(shí)考慮了地層缺失、透鏡體、斷層等地質(zhì)構(gòu)造計(jì)算機(jī)處理方法,可以滿足一般工程地質(zhì)剖面圖的繪制需求。

3 地質(zhì)剖面圖構(gòu)建案例分析

以廣州某隧道的工程地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制為例[14],對(duì)該剖面圖自動(dòng)繪制算法進(jìn)行了驗(yàn)證。該隧道工程某段鉆孔地質(zhì)剖面圖如圖6所示,隧道巖土性質(zhì)主要為淤泥、粉質(zhì)黏土,存在地層缺失、透鏡體等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。采用編制的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖程序GeoSections生成了鉆孔地質(zhì)剖面圖,如圖7所示。對(duì)比圖6與圖7可知,運(yùn)用該算法繪制的工程地質(zhì)剖面圖與實(shí)際鉆探剖面一致,可以較好地處理地層缺失、透鏡體等地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題,從而驗(yàn)證了本次算法的有效性與可靠性。

圖6 廣州某隧道的工程地質(zhì)剖面圖Fig.6 Engineering geological section of a tunnel in Guangzhou

圖7 鉆孔地質(zhì)剖面圖計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制結(jié)果Fig.7 The geological section based on boreholes drawn by computer automatically

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前地質(zhì)剖面圖繪制過(guò)程中存在的地層連接問(wèn)題,基于相鄰鉆孔間地層連接關(guān)系的分析,提出了地層連接關(guān)系自識(shí)別的剖面圖自動(dòng)繪制算法。在確定相鄰鉆孔中連續(xù)分布地層的前提下,對(duì)相鄰鉆孔非連續(xù)分布的地層進(jìn)行連接關(guān)系識(shí)別并進(jìn)行相應(yīng)的連接處理,從而實(shí)現(xiàn)相鄰鉆孔間地層的連接。該方法有效處理了地層缺失、地層尖滅以及透鏡體等現(xiàn)象,能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)繪制。