[发明专利]一种GIS-MPM无缝集成的动态三维地质模型构建方法

说明书

本发明属于三维地质建模技术领域，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，该方法基于GIS平台二次开发将GIS与MPM(物质点法)无缝集成，利用GIS进行三维建模以及三维可视化，利用MPM进行岩土体大变形数值计算，同时结合高程栅格数据模型与物质点模型之间的相互转换技术，以及物质点与背景网格的自适应技术，构建可以进行定量展示的动态三维地质模型。该方法弥补了传统静态建模方法中存在的不足，为提高三维地质模型定量计算分析与动态仿真展示能力提供了有效途径，使三维地质模型真正具有“生命力”，因此具有一定的现实意义和应用价值。

技术领域

本发明属于三维地质建模技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种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。

为实现上述目的，本发明提供了一种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：

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)；

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、抗拉强度等；

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。

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。