基于地下水动态的实时三维地质建模系统及方法

本发明属于三维地质建模，具体涉及一种基于地下水动态的实时三维地质建模系统及方法。

背景技术：

1、地下水动态是指地下水位、流速、流向以及水质要素随时间的变化情况，是地下水系统响应自然和人为因素作用的综合体现，对于理解地下水资源的分布、运移和储存规律至关重要，地下水动态的变化直接影响着地表水与地下水的相互作用、地下水的补给与排泄过程，以及地下水资源的开发与利用策略，监测地下水动态具有多重意义，首先有助于及时发现地下水位的异常变化，为防洪抗旱、水资源管理提供预警信息，其次，通过监测地下水流速和流向，可以揭示地下水的流动路径，为地下水污染追踪和治理提供依据，此外，地下水动态监测还有助于评估地下水资源的可持续利用潜力，为区域水资源规划和管理提供科学依据。

2、传统的地下水动态监测主要依赖人工观测和水位计仪器进行，观测井是获取地下水位数据的主要方式，通过定期或不定期的人工测量，记录地下水位的变化，同时利用流速计设备可以测量地下水的流速和流向，这些数据通常被记录在纸质或电子表格中，用于后续的分析和处理，在分析方面，传统的地下水动态分析主要基于统计方法和水文模型，通过对历史数据的统计分析，可以揭示地下水位的季节性变化、年际变化规律，同时，利用水文模型可以模拟地下水的流动过程，预测未来地下水位的变化趋势，然而，传统的地下水动态监测和分析手段存在诸多不足，首先，人工观测受限于观测频率和精度，难以捕捉到地下水位的快速变化；其次，数据记录和处理过程繁琐，易出错且效率低下；此外，传统的水文模型往往基于简化的假设和条件，难以准确反映地下水系统的复杂性和非线性特征。这些限制导致传统的地下水动态监测和分析结果往往不够精确和及时，难以满足现代水资源管理和环境保护的需求。因此，迫切需要开发一种基于地下水动态的实时三维地质建模系统，从而为为水资源管理和环境保护提供及时、准确的信息支持。

技术实现思路

1、发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于地下水动态的实时三维地质建模系统及方法。

2、技术方案：本发明提供的基于地下水动态的实时三维地质建模系统，包括地质数据采集模块、复杂地质构造建模模块、地质体内部属性模拟模块、地下水监测模块、地下水模拟模块、地质演化模拟模块、地下水-地质体模拟模块、可视化交互模块；

3、所述地质数据采集模块用于多源数据整合和数据清洗质量控制；

4、所述复杂地质构造建模模块用于断层褶皱识别和三维地质体构建；

5、所述地质体内部属性模拟模块用于孔隙度渗透率估计和非均质性处理；

6、所述地下水监测模块用于实时水位监测和流速流向监测；

7、所述地下水模拟模块用于动态水流模型构建和不确定性分析；

8、所述地质演化模拟模块用于构造演化历史重建和未来构造趋势预测；

9、所述地下水-地质体模拟模块用于地下水和岩石相互作用分析以及地下水和土壤相互作用模拟；

10、所述可视化交互模块用于三维地质体可视化和用户交互决策支持。

11、优选的，所述地质数据采集模块包括多源数据整合单元和数据清洗质量控制单元。

12、所述多源数据整合单元通过gis(地理信息系统)平台进行多源数据的整合，包括地震、钻探、测井、地质剖面、地球物理勘探多种数据源的信息，使用gis空间数据整合方法，将这些不同格式和坐标系统的数据统一到同一空间参考系下，用于后续的地质建模和地下水动态分析。

13、所述数据清洗质量控制单元利用基于统计学的数据清洗方法，包括3σ原则，对整合后的数据进行异常值剔除，并通过数据完整性检查方法确保数据的完整性和准确性，用于提高后续建模和分析的可靠性。

14、优选的，所述复杂地质构造建模模块包括断层褶皱识别单元和三维地质体构建单元。

15、所述断层褶皱识别单元通过地质剖面数据和地球物理勘探数据，使用canny边缘检测结合地质专家知识库，自动识别断层和褶皱的边界，用于构建准确的地质构造模型。

16、所述三维地质体构建单元基于识别出的断层和褶皱地质构造，采用基于delaunay三角剖分的三维地质体构建方法将地质剖面数据转化为三维地质体模型，用于直观展示地质构造的空间分布。

17、优选的，所述地质体内部属性模拟模块包括孔隙度渗透率估计单元和非均质性处理单元。

18、所述孔隙度渗透率估计单元利用地质勘探数据和地球物理数据，通过克里金插值方法结合已知钻孔数据，对孔隙度和渗透率进行空间插值估计，用于获取地质体内部属性的空间分布。

19、所述非均质性处理单元引入随机介质理论，通过蒙特卡洛模拟方法生成具有非均质性的地质体内部属性模型，用于反映地质体内部属性的真实复杂性和变化性。

20、优选的，所述地下水监测模块包括实时水位监测单元和流速流向监测单元。

21、所述实时水位监测单元通过水位监测井实时获取地下水位的动态变化数据，使用物联网技术(iot)实时传输数据，并通过时间序列分析方法监测水位变化趋势，用于及时掌握地下水位的动态情况。

22、所述流速流向监测单元利用多普勒流速仪测量技术，结合地下水流动模型，实时计算地下水流速和流向，用于了解地下水的流动状态和趋势。

23、优选的，所述地下水模拟模块包括动态水流模型构建单元和不确定性分析单元。

24、所述动态水流模型构建单元基于实时监测的地下水位和流速数据，使用有限差分法(fdm)构建地下水流动模型，并实时更新模型参数以反映地下水动态变化，用于预测和模拟地下水的流动情况。

25、所述不确定性分析单元采用蒙特卡洛模拟方法进行不确定性分析，评估不同因素对地下水动态模拟结果的影响程度，用于提高模拟结果的可靠性和准确性。

26、优选的，所述地质演化模拟模块还包括构造演化历史重建单元和未来构造趋势预测单元。

27、所述构造演化历史重建单元通过地质年代学和构造地质学原理，使用地质年代学定年技术和构造地质学模型，结合古地磁和古生物证据，重建地质构造的演化历史，用于了解地质构造的形成和演变过程。

28、所述未来构造趋势预测单元基于地质构造演化历史，采用地质统计学方法和物理模拟技术结合地球动力学模型预测未来地质构造的演化方向和速度，用于为地质灾害预测和防治提供科学依据。

29、优选的，所述地下水-地质体模拟模块包括地下水-岩石相互作用分析单元和地下水-土壤相互作用模拟单元。

30、所述地下水-岩石相互作用分析单元使用phreeqc地球化学模拟软件和化学反应动力学模型，模拟地下水岩石之间包括溶解、沉淀、氧化还原的相互作用过程，用于了解地下水岩石之间的物质交换和化学反应机制。

31、所述地下水-土壤相互作用模拟单元采用hydrus土壤水分运移模型，结合mt3dms溶质运移模型模拟地下水土壤之间包括水分运移、溶质运移的相互作用过程，用于研究地下水在土壤中的运动和污染物的迁移规律。

32、优选的，所述可视化交互模块包括三维地质体可视化单元和用户交互决策支持单元。

33、所述三维地质体可视化单元使用unity3d或unrealengine三维游戏引擎技术，结合gis空间数据可视化技术，实现三维地质体的实时可视化展示，用于直观展示地质构造和地下水动态的三维空间分布；

34、所述用户交互决策支持单元采用虚拟现实(vr)和增强现实(ar)技术，结合人工智能辅助决策系统，为用户提供沉浸式的交互体验和智能化的决策支持服务，用户可以通过交互界面对三维地质模型和地下水动态模拟结果进行查询、分析和决策支持。

35、基于上述系统，本发明还提出一种实时三维地质建模方法，包括以下步骤：

36、(1)进行实时三维地质建模前的数据准备与预处理，多源数据整合和数据清洗质量控制；

37、(2)进行地质构造建模；

38、(3)模拟地质体内部属性；

39、(4)持续监测与模拟地下水动态；

40、(5)进行地质演化模拟；

41、(6)模拟地下水和地质体的相互作用；

42、(7)建立三维地质体可视化与用户交互机制。

43、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下显著优点：(1)本发明通过整合多源数据并应用先进的数据清洗和质量控制技术，确保数据的准确性和一致性，利用先进的地质构造建模和地质体内部属性模拟技术，构建高精度的三维地质体模型，为地下水动态的模拟和分析提供可靠的空间框架，本系统实现地下水位的实时监测和流速流向的精确测量，并通过物联网技术实时传输数据至系统中进行动态模拟和分析，实时监测与模拟的结合使得本系统能够及时反映地下水动态的变化情况，为水资源管理和环境保护提供及时、准确的信息支持。(2)本发明结合地质演化模拟和地下水-地质体相互作用模拟技术，能够更全面地理解地下水系统的动态变化过程及其与地质构造的相互作用关系，还通过三维地质体的实时可视化展示和用户交互决策支持功能，为用户提供直观、便捷的操作界面和智能化的决策支持服务。这些优势使得本发明提出的系统和方法在地下水动态监测、分析和模拟领域具有广泛的应用前景和重要的实用价值。