一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测方法及系统与流程

本发明属于三维地层结构预测，具体涉及一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测方法及系统。

背景技术：

1、地层结构分布是建构筑物地基基础设计的基础性资料，然而由于地层在漫长的历史演化过程中受到地质构造运动以及人类活动等多种因素的影响，导致了地层复杂且极不规则的分布结构。为了获得地层信息，通常使用的方法是地层勘探，但由于其高昂的成本，场地钻探数量常常有限，因此无法获取整个地层结构分布。此外，由于地层深处地下，其分布信息本就难以获得，加之还要考虑变异地层可能会对岩土工程的安全性造成的潜在风险。因此，如何在有限的地层勘探资料下可以快速预测出整个地层的结构分布和存在地层变异性的区域，已经成为当今岩土工程领域必须解决的重要问题。

2、在地质勘探领域，研究者开发了多种随机模拟方法，包括布尔模拟、高斯模拟、退火模拟等模拟算法，并且该技术的应用范围非常广泛，许多领域都对其进行了探索和应用。然而，由于这些方法大都以变差函数来描述区域化变量，而变差函数是基于对称性假设，存在忽略空间相互作用等情况的局限性，导致其在描述真实地质空间数据方面表现不佳。因此需要一种新的方法来解决这个问题。马尔科夫链（markov chain）模型具有无后效性，符合地层沉积特性，并具有建模简单和计算效率高的优点，且在地层勘探数据较少的情况下，这种方法也能够进行精细建模。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测方法及系统，本发明旨在解决现有技术中地层勘探成本高昂，且在有限钻孔数据下难以快速、准确预测整个地层结构分布的问题，在降低工程钻孔冗余布置的同时，提高地层结构预测的准确性与便捷性，为岩土工程的安全性评估提供可靠依据。

2、本发明是这样实现的，一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测方法，包括以下步骤：

3、步骤1，读取钻孔数据，并判断地层边界，记录所有土体类型；

4、步骤2，确定地层最小厚度，并将三维地层网格化处理；

5、步骤3，输入已知钻孔地层类型和地表类型，初始化三维地层模型；

6、步骤4，判断地质单元格尺寸是否小于地层最小厚度，若不符合要求，则返回步骤2重新划分网格；

7、步骤5，根据钻孔数据，计算竖直方向和各水平方向的转移概率矩阵；

8、步骤6，基于所述转移概率矩阵，预测未知单元的土体状态；

9、步骤7，在对所有未知网格单元进行赋值后，根据不同类型为其分配不同的颜色，生成三维地质模拟图像进行呈现；

10、步骤8，计算相似度，验证准确性并判断是否达到最优钻孔数量；

11、其中，所述步骤5中，计算各水平方向的转移概率矩阵具体包括：

12、计算地层在不同方向上的沉积规模k值，所述k值为相邻两个地层单元之间在水平方向上的土体类型转移次数与在竖直方向上的土体类型转移次数的比值；

13、基于所述沉积规模k值，计算水平方向的转移概率矩阵。

14、进一步，所述步骤8具体为：

15、步骤8.1，在预测结果中提取与预留验证钻孔相同位置的信息；

16、步骤8.2，通过相似度公式计算预测结果与实际钻孔数据的相似度值；

17、步骤8.3，判断相似度是否大于预设阈值，并同时增加钻孔数量，重新预测结果并计算相似度，如果与前一次相似度差值小于等于预设增量阈值，即达到最优钻孔数量。

18、进一步，所述步骤8.3中，所述预设阈值为86%，所述预设增量阈值为0.04。

19、进一步，所述步骤2中，若网格单元横跨两种土层状态，则按照以下优先级原则确定该单元网格的土体类型：

20、（1）重要性原则：如果其中一种土层更重要，则选择比较重要的土体类型；

21、（2）比例优先原则：如果其中一种土层占该网格单元的比例更大，则该层土体类型应为占比更多的那种土体类型；

22、（3）中间点原则：如果以上两种原则都不能确定，则以该网格单元的中间点对应的土体类型作为该层土体类型。

23、进一步，所述步骤6具体为：

24、从第2层单元开始，依次对每一行未知单元的土体状态进行模拟预测，确定当前未知的地质单元在各种可能的土体类型下出现的概率；

25、使用随机概率抽样技术来确定最终的土体类型；

26、不断迭代这一过程，直到该模型地质单元上的所有土体类型都被确定。

27、进一步，所述步骤1具体为：

28、步骤1.1，根据工程实际确定场地范围，在场地四角进行钻探施工获得竖向钻孔信息；

29、步骤1.2，在场地中再钻探施工得到至少一支钻孔，作为后续验证依据；

30、步骤1.3，记录表土地层信息作为已知数据。

31、一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测系统，包括：

32、数据输入模块，用于读取钻孔数据，并判断地层边界，记录所有土体类型；

33、数据处理模块，用于确定地层最小厚度，并将三维地层网格化处理；输入已知钻孔地层类型和地表类型，初始化三维地层模型；并判断地质单元格尺寸是否小于地层最小厚度；

34、分析模块，用于根据钻孔数据，计算竖直方向和各水平方向的转移概率矩阵；其中，在计算各水平方向的转移概率矩阵时，先计算地层在不同方向上的沉积规模k值，所述k值为相邻两个地层单元之间在水平方向上的土体类型转移次数与在竖直方向上的土体类型转移次数的比值，再基于所述沉积规模k值，计算水平方向的转移概率矩阵；

35、预测模块，用于基于所述转移概率矩阵，预测未知单元的土体状态；

36、输出模块，用于在对所有未知网格单元进行赋值后，根据不同类型为其分配不同的颜色，生成三维地质模拟图像进行呈现；

37、校验模块，用于计算相似度，验证准确性并判断是否达到最优钻孔数量。

38、进一步，所述校验模块具体用于：

39、在预测结果中提取与预留验证钻孔相同位置的信息；

40、通过相似度公式计算预测结果与实际钻孔数据的相似度值；

41、判断相似度是否大于预设阈值，并同时增加钻孔数量，重新预测结果并计算相似度，如果与前一次相似度差值小于等于预设增量阈值，即达到最优钻孔数量。

42、进一步，所述预设阈值为86%，所述预设增量阈值为0.04。

43、进一步，所述数据处理模块还用于：在网格单元横跨两种土层状态时，按照重要性原则、比例优先原则、中间点原则的优先级顺序，确定该单元网格的土体类型。

44、本发明具有的优点和技术效果：

45、1）本发明一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测方法，以钻孔数据和马尔科夫链算法为基础，实现了一种三维地层结构预测方法，为降低工程钻孔冗余布置以及提高结构预测的准确性、便捷性提供了安全可靠的途径；

46、2）本发明一种基于马尔科夫链的三维地层结构预测系统，以matlab工具为基础将上述三维地层结构预测方法程序化，实现了三维地层结构的自动输出，大大节省了相关工程人员分析地层结构的时间和精力。