学位论文 基于GIS的二维地质建模研究与实现.pdf
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1、基于GIS的二维地质建模研究与实现 摘要在对勘探开发业务需求及数据特点分析的粘础上,针对地学数据 集成分析问题及空间数据的多尺度性,提出了适合地学数据分析的二 维地学数据模型,研究了二维地学数据的概念模型、逻辑模型和物理 实现方法及率于该模型的空间分析方法。提出以基于行列编码的四叉 树进行空间信息多级网格划分的方法建立地学信息单元模吧,以信息 单元作为地学数据管理、分析的基本单元。探讨了基F信息单元的二 维地质对象的逻辑表达、地学属性数据组织的方法及多尺度融合、邻 域分析、钻取等地学空间分析方法。设计实现了二维地学模型原型.实现了基于信息单元的地层、断层等地质构造与地质场的构建、空间 杳询和空
2、间分析及其时视化二并利用该系统为大龙口地区地质一地球 物理建模建立了数据模型,验证了方法的有效性和实用性a基于信息 单元的二维地学建模理论及方法,能很好的满足地学空间的多尺改表 达及分析的需求,为地学数据的分析提供了一种有效的方法,能有效 的为地质、地球物理等专业分析及建模提供所需要的数据关键词:二维地质模型,多尺度.四叉树,信息单元,空间分析目录声明.i中文摘要.n英文摘要.iii第1章前言.1第2章 二维地学数据分忻与需求分析.62.1 地学数据分析.62.1.1常用二维地质图件及其业务分析.62.12 地质数据的特点.II2.13 二维地质对象的表现形式.122.2 二维地质模型的业务需
3、求.132.3 二维地质模型的数据结构分析.172.3.1二维地侦模型的数据结构分析.172.32 2D GIS数据结构.17第3章二维地质概念模型.213.1 地学空间与地学信息空间.213.1.1地学空间.213.12 地学空间实体.223.13 地学信息空间.223.1.4从地学空间到地学信息空间.233.2 广义尺度下的地学空间数据.243.2.1 广义尺度的概念.243.22广 义尺度的内容构成.253.2.3 地学空间数据.263.2.4 地学空间数据的尺度匹配关系.263.3 二维地质空间及其多尺度划分.273.3.1二维地质空间域的划分.273.32 二维地质场的空间域划分.2
4、93.4 基丁信息单元的二维地质离散模型.303.4.1 信息单元.3034.2信息单元的划分.323.43底尸信息单元的地侦对象的表达.333.4.4常用地质对象属性.35第4章 二维地质模型的逻辑模型.384.!四叉树的基本原理.3842信息单元的空间划分.394.2.1 基于行列编码的网格划分.394.2.2 编码与坐标换算.4143二维地质岗散模型的构建.454.3.1 二维地质空间的离散.454.3.2 地质对象的离散.464.3.3 离散地质对象的属性表达.474.4多尺度地学空间数据分析.484.4.1 不同空间尺度的融合.484.4.2 基于信息单元的邻域分析.494.4.3
5、基丁信息单元的空间钻取分析.514.4.4 基丁信息单元的基本空间分析.51第5章 二维地质建模的初苏实现.555.1 系统的设计目标及技术难点.555.2 原型系统的设计.555.2.1 原型系统的构架.555.2.2 原型系统的功能模块.5753技术难点及解决方案.585.4软件平台及参考的计算机软件标准.6255原型系统介绍.635.6数据操作实例.66第6章 模型在重电联合地质-地球物理建模中的应用.746.1 区域地质概况.74VI6.2 地质地球物理建模流程和数据需求.7563信息单元模型的建立.76第7章结论与建议.8()7J主要研究工作及创新性成果.807.2 下一步研究的建议
6、.81参考文献.83致谢.87个人简历、在学期间的研究成果.88vii中国石油大学(华东)硕上论文第一章前H第1章前言自从20ttt纪初,我国开展地质工作以来,积累了大量的地质数据,如何为这些海晨地质数据找到更合适的表达方式,是地质匚作者所关 注的问题,而计算机图形学、地理信息系统、科学计算可视化等技术 的发展为现代的地质数据的管理提供了有力的支撑。以计克机应用为 主要技术手段的地质数据管理与可视化J经成为时代的潮流,它通过 强大的、疗效的数据库系统和地图系统将复杂的空间和属性数据以地 理的形式管理并展现,从而挖掘数据之间的关联性和发展趋势,进而 做出及时和正确的判断和决策。目前,直接对地质对
7、象的三维可视化模型进行交互式编辑比较困 难川,但在计算机二维屏幕上却可以很容易地进行地质剖面的可视化 和交互式编辑.因此.在计算机环境F进行二维地质建模要求能够使 用户在二维屏幕上对地质资料进行交互式操作以达到解释推断的目 的,就像在二维图纸上,能够对现有资料进行表达、分析、解释、推 断和修改,交互式取得地质对象的特征。传统的二维地质图用手工绘制,是一项极其烦琐的工作。不仅工 作效率低,而且不能实现空间数据和属性数据的快速互杳.与地侦环 境和工程建设项目管理的办公自动化不相适应。随着计算机技术的日 益发展,人们开始使用Excel或打其他编程语言的绘图方法来绘制钻 孔的柱状图或剖面图。广大科技与
8、工程人员都在才求二维地质的计算机建模,目前主要 有3种处理办法:1)利用计算机辅助设计软件(如CAD,Mico Sta tion.Surfer)等工具进行绘图I?对,这是最常用的办法,但自动化程度低,只解决了绘图电脑化的问题。2)开发二维地质图件绘制的相关软件,可以实现数据库管理,为数据的录入、计算与共享提供了方便,在二 维地质图的绘制过程中能体现一定的自动化口叫 但这样的软件开放 性与足舌性较小.旦分析功能比较机3)基于地理信息系统建立二维 亚质模型“吴川。地理信息系统的开放性与强大的数据管理与分析、人 机交互操作、图形可视化与分析功能在地学建模上显示强大的优势。1中国石油大学(华东)硕L论
9、文第I章前H大多数地理信息系统在处理地球表面的信息功能方而Q比较完善 I叫通常是将带有地形起伏的地球表地投影到二维平而匕或采用 建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏,而且人们己注意 开发二维剖面模型的白动建立功能,如自动寻找地层界线、地层界线 的曲线拟合和地层区域的门动寻找。但对涉及到地下地质体结构的建 模及分析时则显得无能为力.在几何建模、分析功能和交互功能上并 不能满足用户的要求。因此,地理信息系统在地质方因的应用已面临 着严峻的挑战,许多地理、地质学家以及计算机专家和软件公司都在 寻找解决的方案。应该认识到地质模型的建立与1:程地质人员的专业知识水平和工 程经验有很大关系,让计算
10、机完全代替是不太现实的同人们正在寻 求充分利用计尊机的各种地质剖而图的绘制方法口凹及地质断房、褶 皱等复杂地质构造的数学处理好训。因此,发展既充分利用计算机、减少人员工作措,义反映地质工程师认知的建模方法是当前发展的趋 势,但其相关研究较少,而IL二维地质的计算机建模主要通过一些插 值算法结合菸人地质认识实现各地加分界线的建立,而后采用格栅、三角形或多边形而实现各地必的时视化,其实质是基边界线建模的 可视化表达。地理信息系统(GIS)技术的发展及其在不同领域的应用,对GIS 与不同领域的各种专业模型的有效集成提出了越来越高的要求.GIS 支持下的分析模型一般是将研究区域划分为若F基本单元,以此
11、作为 数据集成和模型计算的基础。单元划分方法与GIS支持下模型分析的 效率密切相关.在不同研究领域,业已提出了不同的划分方法和标准。例如,杨勤科即等提出了基本信息元的概念,并指出可用于地理数据 库建立、专题系列制图的统一协调、计算辅助制图、GIS空间分析,但同时指出皓本信息元的自动生成、划分合理性的定量评价、以及在 GIS软件开发中的高效实现等还需要进一步研究:潘耀忠等冏在区域 自然灾害系统论的基础上提出了组成区域自然灾害系统的最小空间单 位一区域n然灾害系统基本单元的概念体系;马漓乃1提出了最小 图斑的概念并应用于遥感信息模型的建匕Kile印使用集介模拟单元 中国石油大学(华东)硕上论文第一
12、章前H(Aggrega ted Simula tion Area s)进行 了 分布式水丈泥沙模型(Slurp)的开发工;这些单元的划分侧重考虑某特定领域或过程,在划分 原则和方法上存在差异,不能满足多源数据的有效集成,为此,李英 奎等现提出了具行集成多源数据的综合信息元I1U(Integra ted Informa tion Unit)的概念,以其作为GIS空间数据采集、存储、管理 以及空间分析模型的基本单元,并给出了划分方法和在多源数据集成 中的应用c综合信息元侧重于酹某一固定尺度F多源属性数据的高效 集成,对于多源数据的空间尺度变化缺乏足够的考虑=刘小峰等叫提 in基r四叉树的不同尺度f
13、综合信息元的动态划分方法.利用四叉树 数据结构生成的网格,不仅在空间上具有不同的尺度,而且也可以带 有不同种类或者详细程度的属性数据,这样将不同尺度空间和属性数 据进行统一的表达,大大方便了后续的分布式模型计算。随着汕IH开发的不断深入,油ELI的数字化工作也得到较快的发展,为油田的进一步发展提供了信息支持,但目前勘探开发相关的数据基 本是以专业数据库模式进行管理的,油田各部门自成体系、自定标准 开发数据库,数据很难统 到一个平台上,而且油田的各种专业软件 与数据库脱离.常规的数据库技术很难实现两者的有机融合。所以,虽然较好的实现了数据的计算机管理,推动了我国油田信息化,但却 没能较好的解决数
14、据的应用问题c GIS的发展为利用地学技术的分析 解释成果重构地下模型创造了条件,利用GIS技术,针对油田勘探开 发中地学数据提成分析的问题,研究适合地学数据分析的地质模型,分析地质现象的几何形态、相互关系和分伤,必将大大改善勘探地质 信息鼠,大大提高地质学家劳动生产率,减轻工作也度,有利于地质 问题的研究和分析的进一步深入,该课题具有重大现实意义和社会效 益。本文针对勘探开发业务需求和二维地学数据的特点,在研究借鉴 国内外研究成果的相础上,提出以地学空间信息单元模型作为地学分 析的二维地学数据模型。主要研究内容:(一)二维地侦建模需求分析,rI纳总结地质一地球物理勘探中 各种二维分析、解释过
15、程中的数据特点和图形表达方式。3中国石油大学(华东)硕L论文第I章前H(二)二维地质数据模型研究.研究建立二维地质空间概念模型 和逻辑模型的方法。研究二维空间里地学空间信息单元的概念体系、空间信息单元的划分方法及怎样实现由二维地质对象到地学侑息单元 映射。(三)验证二维地质数据模型。设计开发实验性软件.实现行关 二维地质数据模型的一些查询、分析操作。如何利用地学空间信息中元实现二维地质空间数据、属性数据的 组织和管理:如何根据不同尺度动态地划分地学空间信息单元是数据 高效集成和模型计算的关键。根据多尺度数据管理的需求,采用某四叉树划分的多级信息网 格,SIMG)对二维地质空间进行划分,如图M所
16、示。教据分析与需求分析_1 f_/建立概念模型建立逻辑模型模型验证图1-1二维地质建模采取的技术路畿第一,二维地学数据分析与需求分析。分析油气勘探工作中常用 的二维地质图件,总结二维地质数据特点和表现形式,并根据地侦工 作声处理、解释工作中的业务需求,完成二维地质数据模型的需求分 析。第二,建立二维地项数据模型的概念模型。采用规则不均匀格 划分将连续二维地质空间离散化表示。将每个离散后的规则网格称为 一个空间信息单元,对其进行定义、特征描述和空间运算规定。以空 4中国石油大学(华东)硕上论文第1章前不间信息单元作为二维地侦数据存储、管理和进行空间模型分析的基本 单元。第三,建立二维地质数据模型
17、的逻箱模型0幕厂以行列编码的四 叉树建土二维地质空间的多级信息网格。二维空间里地质对象和数据 模型的映射关系通过网格编码和坐标的正反算实现多尺度数据的融 合通过四叉树的分层划分控制o第四,模型验证。选取米泉地区EMAP056测线的电法解释剖血 和大龙口地区DLK052地震测线的重力解释剖而作为模型的试验数 据,建立二维地质分析系统,完成数据查询、数据抽取、地层分析及 展示等功能.5中国石油大学(华东)硕L论文第2隹.维地学数据分析可需求分析第2章二维地学数据分析与需求分析地质数据具行多源、多尺度的特点,个好的地质模型的建立依 赖丁 对地学工作中常用的地学数据和业务需求的分析,即如何在现仃 的地
18、质应用模型的格础上进行多尺度的地学空间描述及属性组织二 2.1地学数据分析2.1.1常用二维地质图件及其业务分析由地质体通常位地发以下,地质工作拧不可能直接全面地观 察到地质对象的各种特征,而只能通过钻探、物探等升段获得地质对 象的部分特征信息,并通过对.这些信息的分析、解释来推断出整个地 质对象的三维店本特征。这种分析、解释和推断通常是在一系列二维 剂面上进行的。一个勘探区往往有许多这样的剖面.每一条测线的剖 向上可能既有实际的勘探资料,也有解耗、推断的资料。随着勘探工 作的深入和资料的增多,对地质对象特征的认识会不断得到完善和提 高,按照地质分析手段的不同,常用二维地质图件分为如下几种:(
19、1)过井剖面图过井剖面图主要是通过钻孔资料获取地下构造的信息,如地层的 深度、厚度、岩性信息等,根据地层属性关系,把岩性相同的地层相 连,然后生成剖面图.如佟12-1。通过钻井获得的数据比较真实,可靠 性好,但是钻探的成本较高,在一个特定的研究区域,往往只能获取 有限数目的钻孔数据,这些稀疏的钻孔资料不但数目少,而口分布不 均衡,往往极不规则地分布在相对广袤的研究区域,有的区域札1对密 集,行的区域则常稀疏甚至没有任何采样数据。另外,从钻孔资料 揭示出来的地层分层参数只在该钻孔的有限范围(孔直径)内有效,备钻孔之间并无相应的关联参数.地层建模的目标就是利用这些局部、稀疏、零散的钻孔采样点资料.
20、构建一个相对精确、完整的地质模型。显然,IL接利用这些原始的采样点数据而不作任何加工处理不可能控 制模型中的断层、地层尖灭、缺失、央层等复杂地质现象,无法实现 目标。目前,可从两方面解决这一难题:1)采用特定的空间插值算法.6中国石油大学(华东)硕上论文第2章二维地学数据分析与需求分析对地层参数进行适当的内插外推,进而估计地层的空间展布规律.2)在建模过程中引入用户的交互,利用其它勘察手段获取资料的解释成 果,结合工程人员在长期的地质工作中形成的丰富经验,对未知区域 的地层模型进行适当的修正,真实再现地房的分布情况和形态结构C 与完全自动的空间插值方法不|上这类方法是一种半门动的建模方法.它简
21、单真观,具有很大的灵活性和较强的可操作性,建立的模型也更 为精确可信。图2-1某地区16井-23井剖血图(2)图切剖面图图切剖而图是在已有的地质平面图上制作一些约定的、具有代表 性方向和确定性内容的剖面图.在分析图区地形特征、构造特征、地 层分布、层序及产状变化情况的基础上,选择剖面线方向和位置,将 地质图的剖而线与地形等高线、地质界线、内造线等相交各点一一投 影到相应标高的位置,按实际地形用曲线连接相邻点即得到图切剖面。如图22为某地区地质平面图,图2-3为黑色剖线经过的剂面图o在图切剖面图的绘制过程中会出现一些问题,比如,在绘制地层 界线和断层构造线时,要考虑倾角的校正问题,即要把其倾角转
22、换成 视倾角,根据视倾角的大小将地吠界线和断层线投影到剖面图上:剖 而断尾的处理和地屋形态的协调问题也是处理难点7中国石油大学(华东)硕L论文第2隹.维地学数据分析可需求分析YCI3-1-I图2-2某地区地质平而图图2-3与图2-2对应的剂而(3)地球物理综合解释剖面图24所示的剖面图为MT解释剖面冏它是根据MT资料,结 合地质及地震资料进行综合解秣的结果,它反映了断向内地质构造的 特征.其数据体主要有:断层坐标及其属性数据、地层上下界面深度 及其属性数据.8中国石油大学(华东)硕上论文第2章二维地学数据分析与需求分析图2T某地区电法地质解释剖面图m 2-5是重力勘探中常见的重力综合解释剖面图
23、,其数据体主要 有:断层坐标及其属性数据、地层上下界而深度及其屈性数据、岩性 界面及其属性数据。图2-5某地区重力异常剖而图和地质解释剖面图图2-6是地震处理解择剖面图,在地震处理解释方法判断断点位 置、构造形态,预测地层岩性过程中常常需要利用先验知识才能做出 合理的处理解释,如利用已知钻井信息进行层位标定、利用密度进行 初始速度场模型的建立,因此在地质模型中应易干这些先验知识的充 分获取,9中国石油大学(华东)硕L论文第2隹.维地学数据分析可需求分析图2-6地震剖面处理解释图2-7是重震联合解释剖面,从中可以得到断层、地层和地质体 以及它们的特征信息。图2-7 联合解-一面图图27所示的剖面
24、图为重磁震综合解释剖而图,它是根据重力、磁力、以及地震综合解释出来的剖面图。图中的主要数据来门重、磁 及地震的解择资料。首先是根据地震剖面构建初始密度和磁模型.计 算相应的重力异常和磁力异常,并根据与实测的重力异常和磁力异常 10中国石油大学(华东)硕上论文第2章二维地学数据分析与需求分析拟合程度修改模型,自到满意为止.根据最终的模型数据绘制出地质 解群剖面图。无论是重力、磁力解释剖面图,还是综合解释剖面图,关键是综 合参考地质、钻井及其他地球物理资料构建初始模型。一个好的地质 建模技术,应该能够提供友好方便的建模方面的支持。目前每一种地 球物理方法的处理与解释都有专门的软件,因此,关键是在地
25、质模型 中为地质一地球物理联合解释提供支持,如依据地质、钻井构建地质 地球物理初始解群模型,提取所需要的各种数据,在解粹的过程中利 用其他资料从多个视角判断各种地球物理解释的合理性等。(4)油赋描述剖而图油瓶描述把地震、测井、地质等多方面资料综合起来,运用计算 机手段进行处理,定性、定量描述空间的油气藏,包括:构造、储层、储集空间.流体性质及分布、渗流物理特征、压力和温度、驱动能量 和驱动类型、油气藏类型等.是对油气藏本身正确的认识。通过油藏 剖面图了解一个油藏在纵向上的变化起伏形态,砂层、油层、隔层分 布特征,油水关系,物性特征。如图2-8所示。2.1.2地质数据的特点从地学分析应用的数据可
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