一種地表出露巖層產狀的自適應判定方法與流程

2023-06-05 03:55:41 1

本發明屬於地理信息技術應用領域，具體涉及一種基於地形地質圖，自適應判定地表出露巖層產狀的方法。

背景技術：

巖層的產狀是指巖層在空間的產出狀態。除水平巖層成水平狀態產出外，一切傾斜巖層的產狀均以其走向、傾向和傾角表示，稱為巖層產狀三要素。產狀作為地質測量與成圖中常見的地質要素之一，在地質各領域有著廣泛應用，其獲取方法主要包括野外實測和間接計算兩種方法。

野外的巖層產狀測量方法，通常是使用地質羅盤、坡度儀等儀器，直接在出露的巖層層面上量測。但是，野外巖石的風化、層面和劈理、線理面區分困難等因素均會影響產狀的測量。有時受限於巖層出露情況，只能借鑑附近區域的數據，再通過室內計算方法間接獲得產狀數據。產狀間接計算中常用的方法，主要有「三點法」和「相鄰等高線法」，其原理為通過尋找共面且不共線的多點，確定平面的形態。在計算過程中，一方面，需要人工篩選合適的點和計算方法，並通過繪製輔助點和線，對產狀進行計算；另一方面，需要人為確定產狀符號位置。相關計算工作的人為化處理，導致計算效率低下，且產狀數據的質量也因人而異。

為此，本專利針對地表巖層，擬基於地形地質圖，實現一種地表巖層產狀的自適應計算方法。其重點在於自適應完成交點選擇、計算方法選擇和產狀點位選擇。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於，克服現有技術存在的缺陷，提出了一種地表巖層產狀的自適應判定方法，基於地形地質圖，自適應完成交點選擇、計算方法選擇和產狀點位選擇。從而實現地表出露巖層產狀的自適應判定。

本專利的主要思路如下：1)提取和預處理巖層邊界線，計算巖層界線與等高線的交點；2)遍歷同一巖層界線上的鄰接交點，通過智能的交點選擇、計算方法選擇和產狀點位選擇等步驟，實現產狀的自適應判定；3)對產狀信息進行符號化和標註。

基於上述思路，本發明提出的一種地表出露巖層產狀的自適應判定方法，其步驟如下：

(一)交點集合獲取

步驟1.1：加載矢量格式的巖層面要素圖層和等高線線圖層，得到所有面要素集合Stra＝{si|i＝1,2,3,…,n}(其中：si為巖層面要素，n為巖層面要素的數量)和等高線的線要素集合CourLine＝{cli|i＝1,2,3,…,p}(其中：cli為等高線的線要素，p為等高線要素的數量)。

步驟1.2：讀取集合Stra中每個巖層面要素的邊界，將其預處理為單線要素，並剔除圖幅邊緣部分、第四紀巖層邊界部分、斷層界線部分以及不整合接觸界線部分，得到巖層層面邊界線集合SLine＝{sli|i＝1,2,3,…,c}，sli是巖層層面邊界線要素，c為所有巖層保留的層面出露邊界線的數量。

步驟1.3：針對任一邊界線要素sli遍歷等高線集合CourLine，求取線要素sli與所有等高線的交點集合InterPi，對邊界線集合SLine內所有元素進行交點計算，得到集合InterP＝InterP1∪InterP2∪InterP3∪…∪InterPl，l為與等高線相交的邊界線數量。記錄交點的高程H，源巖層編號SID和源等高線編號CID，在同一集合InterPi內，交點的SID屬性均為i。

(二)產狀自適應獲取與剔除

針對交點集合InterPi＝{pij|j＝1,2,3,…,qi}，qi為交點集合InterPi包含的交點數量，逐點進行條件判斷，獲取產狀a＝{ρ，θ，δ}，並確定產狀點位。其中：ρ為巖層走向，θ是巖層傾向，δ是巖層傾角。

由j＝1開始進行判斷，具體步驟為：

步驟2.1：讀取交點pij、pij+1和pij+2和pij+3(若下標超出qi，則使用pi(j+1)％qi、pi(j+2)％qi和pi(j+3)％qi)，判別交點pij、pij+1、pij+2和pij+3是否滿足相鄰等高線法的下列選點規則；如果符合，執行步驟2.4，如果不符合執行步驟2.2：

a)交點pij和pij+3高程一致，交點pij+1和pij+2高程一致；

b)交點pij+1和pij+2的源等高線編號屬性CID一致；

c)向量和的最小夾角不大於閾值ε，即判定兩向量方位近似平行；閾值ε的設定一般不大於6°，兩線夾角在此範圍內可視為近似平行。閾值的設定越小，則平行要求越嚴格，可根據需求調整閾值以滿足不同要求。

步驟2.2：讀取交點pij、pij+1和pij+2(若下標超出qi，則使用pi(j+1)％qi、pi(j+2)％qi)，判別是否滿足三點法的下列選點規則；如果符合，執行步驟2.6；如果不符合，執行步驟2.3:

a)交點pij、pij+1和pij+2中至少兩點的高程不等；

b)交點pij、pij+1和pij+2不共線。

步驟2.3：重新選擇判斷起點。若原線要素sli為環線要素，則取d＝qi為界，若原線要素sli非環線要素，則取d＝qi-3為界。下標j增加1之後，若j不超過d，則返回步驟2.1；若j超過d，則交點集合InterPi上的產狀信息獲取完成，執行步驟2.8。

步驟2.4：相鄰等高線法計算產狀。基於交點pij(xj,yj,h1)、pij+1(xj+1,yj+1,h2)、pij+2(xj+2,yj+2,h2)和pij+3(xj+3,yj+3,h1)使用相鄰等高線法計算產狀：

a)對於交點pij、pij+1、pij+2和pij+3，計算平面向量和分

別取和方向上的單位向量和取和向量和的方位角度ρ為巖層走向；

b)根據公式(1)計算巖層傾向θ；

c)計算交點pij+1和交點pij+2的中點，記為輔助點ap1(x1,y1,h2)，過點ap1，沿θ方向的

直線與向量v2交於點ap2(x2,y2,h1)，根據公式(2)計算傾角δ；

步驟2.5：相鄰等高線法產狀點位自動確定。記直線l為過輔助點ap1且方向為θ的直線，l與交點pij+1與pij+2之間的sli邊界線部分相交於點ap3，則以ap3坐標(x3,y3)作為產狀標註點位坐標，存儲產狀信息a。返回步驟2.2。

步驟2.6：三點法計算產狀。基於交點pij(x1,y1,h1)，pij+1(x2,y2,h2)，pij+2(x3,y3,h3)使用三點法計算產狀：

a)將交點pij、pij+1和pij+2的坐標代入公式(3)，得到巖層層面方程(公式(4)所示，

其中D為任意常數)的係數A、B和C；

Ax+By+Cz+D＝0 (4)

b)根據係數A、B，確定巖層傾向線方程(公式(5)所示)，其中M為任意常數；

Bx+Ay+M＝0 (5)

c)由公式(6)、(7)分別計算、修正傾向θ；

d)根據傾向θ，由公式(8)計算巖層走向；

ρ＝θ±90 (8)

e)根據係數A、B和C，由公式(9)計算巖層傾角δ；

步驟2.7：三點法產狀標註點位自動確定。以交點pij+1的坐標作為產狀點位坐標，存儲產狀信息a。返回步驟2.3。

步驟2.8：遍歷巖層邊界線sli對應的交點集合InterPi上的交點，得到Atti＝{aij|j＝1,2,3,…,ci}，其中ci為邊界線sli上的產狀點數量。對邊界線集合SLine內所有巖層邊界線sli進行產狀計算，得到產狀集合Att＝Att1∪Att2∪Att3∪…Atts，s為有效獲取了產狀的交點集合數量。

步驟2.9：對具明顯錯誤的產狀值進行剔除。以產狀集合Atti為單位，基於構造特徵結合地質知識對錯誤的產狀值進行剔除，得到篩選後的產狀集合Atti＝{aij|j＝1,2,3,…,di}，其中di為邊界線sli上的糾錯後保留的產狀點數量。錯誤產狀值剔除步驟如下：

a)褶皺具有「兩翼產狀較穩定，中間部分產狀過渡」的構造特徵。結合「V字型法則」，整體判斷兩翼產狀傾向。具體表現為：同斜褶皺兩翼產狀同向，直立向斜兩翼產狀指向外部，直立背斜兩翼產狀指向內部。剔除褶皺上不滿足上述褶皺構造特徵的產狀值；

b)若巖層厚度均勻，則兩側產狀基本為同向。對於巖層形狀簡單，兩側界線基本平行的巖層，首先可根據周圍構造或結合「V字型法則」大致確定一側界線上的產狀；繼而推測另一側界線上的產狀。剔除簡單巖層上不滿足其產狀特徵的產狀值；

c)形態較平直的界線部分，若界線上產狀傾向不穩定，統計界線上產狀傾向在不同方向區間上的頻率，保留高頻並連續的產狀區間數據。區間大小根據實際情況而定，在產狀個數較少的情況下，可取較大的區間。取一平直界線上的的16個產狀數據為例(如下表所示)，以10°為間隔對產狀傾向做雷達圖(如圖2所示)。其產狀數據傾向連續且較多分布於90°到130°之間，則保留90°到130°之間的產狀數據，剔除其他低頻、離散的數據值

步驟3、產狀數據符號化

步驟3.1：對於產狀點aij，過其坐標(axij,ayij)點，沿其傾向θ繪製單位長度的線，垂直於傾向θ繪製單位長度的線，完成產狀符號的繪製。

步驟3.2：將傾向θ由極坐標系轉為大地坐標系，對產狀要素傾角δ進行標註。

本發明方法針對地表出露巖層，基於地形地質圖，自適應完成交點選擇、計算方法選擇和產狀點位選擇的產狀判定，實現了地表出露巖層產狀的自適應判定，實用性強，適用性廣。

附圖說明

圖1本發明方法流程圖。

圖2示例產狀傾向雷達圖

圖3實施例實驗數據。

圖4巖層邊界線和等高線交點圖。

圖5示例交點圖。

圖6示例三點法自適應選點結果圖。

圖7示例相鄰等高線法自適應選點結果圖。

圖8實施例全圖三點法自適應選點結果圖。

圖9實施例全圖相鄰等高線法自適應選點結果圖。

圖10實施例全圖產狀符號化和標註結果圖。

圖11示例實測產狀數據與計算產狀數據對比圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖，對本發明方法作進一步詳細說明。

實施例：選用某地1:50000地形地質圖(如圖2所示)數據，下面結合附圖，基於shp格式的地質體面圖層和等高線圖層，描述本方法方法實施過程並進一步說明本發明的效果。

(一)交點集合獲取

步驟1.1：加載巖層面要素圖層和等高線圖層，得到所有面要素集合Stra＝{si|i＝1,2,3,…,29}，等高線要素集合CourLine＝{cli|i＝1,2,3,…,21}。

步驟1.2：讀取集合Stra中巖層面要素的邊界線分別進行預處理，去除第四紀地層邊界線及地層與第四紀接觸的邊界線部分，並去除圖幅邊界的部分，得到邊界線集合SLine＝{sli|i＝1,2,3,…,47}。

步驟1.3：對邊界線集合SLine和等高線集合CourLine求取交點，邊界線要素sli上的交點存入一個集合InterPi，得到交點集合InterP1＝{(400875.27,3271721.62),(400957.22,3271801.49),(401056.83,3271892.77)}，InterP2＝{(401235.55,3272047.50),(401334.05,3272128.06),(401434.51,3272198.33),(401551.99,3272129.90),(401497.99,3272039.65),(401398.55,3272039.69),(401376.85,3271795.00),(401606.74,3271790.62)}，…，InterP44＝{(400144.21,3274334.45),(400102.31,3274263.53),(400051.63,3274186.33),(400050.79,3273975.12),(400131.35,3274013.82),(400196.16,3274044.96),(400278.58,3274088.92),(400354.36,3274135.09)}，交點記錄等高線高程H，源巖層編號SID和源等高線編號CID，在同一集合InterPi內，交點的SID屬性一致為i。所有交點集合InterP＝InterP1∪InterP2∪InterP3∪…∪InterP44，包括交點398個(如圖3所示)。

(二)產狀自適應計算與剔除

針對交點集合自適應選點、計算及點位確定，在此設定向量平行判斷的角度閾值ε為6°。以巖層面要素s7的邊界線為例，其邊界包括巖層邊界線sl11、sl12、sl13和sl14，與等高線分別存在16個、3個、0個和9個交點，則邊界線sl11、sl12和sl14分別對應交點集合InterP9＝{p9j|j＝1,2,3,…,16}、InterP10＝{p10j|j＝1,2,3}和InterP11＝{p11j|j＝1,2,3,…,9}(如圖4所示)。以交點集合InterP9為例，交點坐標值如下表所示。由交點p91開始進行判斷和計算；

步驟2.1：由交點p91開始，先對交點p91、p92、p93和p94進行相鄰等高線法的選點規則判斷，並不符合相鄰等高線法的選點規則；則對交點p91、p92和p93進行三點法的選點規則判斷，並不符合三點法的選點規則，則繼續判斷交點p92。

步驟2.2：由交點p92開始，對交點p92、p93、p94和p95進行相鄰等高線法的選點規則判斷，並不符合相鄰等高線法的選點規則；則對交點p92、p93和p94進行三點法的選點規則判斷，三點滿足如下條件：

1)三點的高程分別為250、250和300，高程不全相等；

2)三點不共線；

因此，三點滿足三點法選點規則，進行三點法計算。

步驟2.3：將交點p92、p96和p97代入公式計算，得到所在平面方程的係數：

計算得到產狀結果：

步驟2.4：產狀符號位置取交點p93的坐標，繼續判斷交點p93。

步驟2.5：由交點p93開始，對交點p93、p94、p95和p96進行相鄰等高線法的選點規則判斷，並不符合相鄰等高線法的選點規則；則對交點p93、p94和p95進行三點法的選點規則判斷，三點滿足三點法選點規則，進行三點法計算，得到產狀結果：

產狀符號位置取交點p94的坐標，繼續判斷交點p94。

由交點p94開始，對交點p94、p95、p96和p97進行相鄰等高線法的選點規則判斷，並不符合；則對交點p94、p95和p96進行三點法的選點規則判斷，三點滿足三點法選點規則，進行三點法計算，得到產狀結果：

產狀符號位置取交點p95的坐標，繼續判斷交點p95。

步驟2.6：由交點p95開始，對交點p95、p96、p97和p98進行相鄰等高線法的選點規則判斷，四點滿足：

1)交點p95和交點p98高程一致為350m；交點p96和交點p97高程一致為400m；

2)交點p96和交點p97的源等高線編號屬性CID一致；

3)交點p95指向交點p98的方位角為214.75°，交點p96指向交點p97的方位角為217.06°，兩方位角相差2.31°，小於閾值ε。

因此，四點滿足相鄰等高線法，利用相鄰等高線法進行產狀計算。計算得到產狀結果：

步驟2.7：計算得到產狀符號位置坐標(400450.92,3272412.92)，繼續判斷交點p95、p96和p97是否滿足三點法選點規則，直至遍歷完成。

步驟2.8：交點集InterP9產狀計算完成，得到邊界線sl11的產狀集合Att6＝{a6j|j＝1,2,3,…,15}。其中，使用三點法計算得到的有13個，其三點組合形式如圖5所示；使用相鄰等高線法計算得到的有2個，其四點組合形式如圖6所示。

步驟2.9：對所有InterPi計算產狀，除去因不符合條件而沒有計算產狀值的交點集，最後得到Att＝Att1∪Att2∪…∪Att26。考慮位置重複且產狀值一致的產狀點為同一個，則共包含產狀點151個。其中，使用三點法計算得到的有132個，其三點組合形式如圖7所示；使用相鄰等高線法計算得到的有19個，其四點組合形式如圖8所示。通過對錯誤的產狀計算值進行剔除，得到114個產狀計算值(如圖9所示)。

(三)產狀數據符號化

加載實測產狀數據與計算產狀數據進行對比(如圖10所示)，實測數據包含32個實測產狀值。取實測值300m以內的計算值，或與實測值在同一巖層界線上的計算值與實測值作比較，對比結果如下表：

基於上表計算產狀值與實測產狀值的誤差值，將傾向、傾角劃分為「正確」、「尚可」和「錯誤」三個等級，統計其數量。

通過32個產狀實測值與其附近的計算值的對比，存在傾向或傾角計算結果誤差較大的產狀點有5個，傾向傾角完全計算錯誤的點位0個，其餘數據誤差在可接受範圍內，總體正確率為84.4％。