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基于无人机影像语义分割和三维点云数据生成虚拟钻孔，结合分层过渡概率矩阵与叠加马尔可夫链蒙特卡洛模拟，构建稀疏钻孔条件下三维地质模型。案例显示模型与常规方法一致性达80%，敏感性分析验证方法鲁棒性。
徐莉|宋占平|张美宁|蒲江勇|王彤
西安建筑科技大学土木工程学院，中国西安710055
摘要
在复杂的地质条件下进行精确的三维地质建模通常需要密集的钻孔网络，但这既昂贵又效率低下。为了解决这一挑战，我们提出了一种改进的多步骤马尔可夫链地质模型（IMMC-Geo）框架，该框架将图像识别与概率地层推断相结合。在该框架中，首先使用DeeplabV3+语义分割网络从无人机图像中提取地表岩性，为概率模拟提供先验约束。然后根据钻孔布局原则，基于3D点云数据生成虚拟钻孔。接下来，根据实际钻孔数据建立地层过渡概率矩阵，考虑层理发育、空间距离权重以及倾斜钻孔的等效校正。最后，利用叠加马尔可夫链结合蒙特卡洛模拟来推断虚拟钻孔的地层序列，并构建精细的三维地质模型。该方法应用于中国东北部的一个露天矿场，与传统的工程地质解释方法相比，所得模型的整体一致性达到了约80%。敏感性分析进一步证实了该方法在钻孔间距、倾斜角度和岩性复杂度变化下的鲁棒性。IMMC-Geo框架为在钻孔数据有限的复杂地层环境中进行概率地质建模提供了一种高效且实用的方法。
引言
在岩土工程中，地质建模是地质调查的重要组成部分，为工程岩体设计、地质体积估算以及确保施工项目的安全性和稳定性提供必要的数据（Wang等人，2022；Wang等人，2013；Wu和Xu，2014）。传统的地质建模方法严重依赖钻孔岩芯样本、地质剖面以及地质工程师的主观经验（Ji等人，2023；Song等人，2023a；Song等人，2023b）。然而，这些传统方法的效率较低，并且需要大量的钻探数据才能实现精确建模，在复杂的地质条件下经济上不可行。因此，从有限的钻孔数据集中开发精细的地质模型已成为当前地质建模实践中的关键技术挑战（Harris等人，2022；Zhao等人，2021）。
地质建模通常采用空间插值算法，基于有限的钻孔数据推断未知区域的地层状态。然而，地质构造内的实际地层条件很大程度上受到各种地质因素之间复杂相互作用的控制，尤其是受到空间变异性和沉积环境的影响。随着随机建模理论的进步（Li等人，2019；Zhang，2021；Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021b），概率模拟方法已被广泛用于缺乏钻孔数据的区域的不确定性表征，在近年来的地质建模实践中越来越受欢迎（Zhang等人，2022）。例如，Cao等人（2021）引入了一种新的方法来估计异质过渡概率矩阵（HTPM），以解决地质不确定性问题，并进一步改进和优化了耦合马尔可夫链方法。Gong等人（2021）将随机场理论应用于地质不确定性建模，首先基于最大似然估计确定层间相关性，然后使用随机场进行地质建模。Guo等人（2021）开发了一种专门适用于城市岩土工程应用的自动化隐式三维地质建模方法。此外，Li等人（2019）利用耦合马尔可夫链模型构建基于钻孔的地质模型，有效解决了从钻孔倾斜仪数据导出的过渡概率矩阵精度低的问题。
从上述文献来看，尽管在随机方法用于地质建模方面进行了大量研究，但仍存在几个关键限制。首先，大多数先前的研究在地质建模中未能充分提取和利用地表岩性数据，主要依赖于地下钻孔信息，而忽略了地表数据的采集和整合。地表岩性细节的缺失显著限制了这些模型中对地表地层状态的表征，从而无法准确反映地表的真实地质条件。其次，传统方法通常忽略了钻孔的倾斜角度。这种疏忽源于传统数据采集方法的局限性，这些方法未能充分考虑由地质构造应力和施工条件引起的钻孔偏差，从而影响了地层状态的准确表示（Liu等人，2020）。最后，现有方法在处理地质构造中的复杂性方面存在不足，例如层间不规则接触、多样的沉积环境和地质构造动态。这些因素的复杂性和变化性对地质建模提出了更高的要求，而传统方法中缺乏有效的机制来应对这些复杂性，限制了它们的适用性和准确性（Liang等人，2023）。
在这项研究中，我们开发了一个集成的IMMC-Geo工作流程，用于在钻孔稀疏和异质条件下进行概率三维地层建模。该工作流程结合了来自DeepLabV3+分割的地表岩性概率、层理对齐的各向异性距离权重以及对倾斜钻孔的等效处理，形成一个统一的概率框架。首先从基于无人机的摄影测量和DeeplabV3+语义分割中提取地表岩性，为地下预测提供先验约束。然后根据钻孔布局原则从3D点云数据生成虚拟钻孔，确保地表和地下信息之间的空间连续性。倾斜钻孔经过等效转换，以对齐地层序列并减少钻孔偏差引起的偏差。基于实际钻孔统计数据，使用多步骤堆叠马尔可夫链构建岩性过渡概率矩阵，并通过距离加权来反映地层的方向连续性。在表面先验的指导下，进一步应用蒙特卡洛模拟来推断虚拟钻孔的地层序列和厚度，从而量化地下异质性。该框架通过在中国东北部的一个露天矿场的应用得到了验证，对钻孔间距、倾斜角度和岩性复杂度的参数分析证实了其在钻孔条件有限的情况下进行精细重建和鲁棒建模的能力。
章节片段
地质建模方法
在工程地质建模中，钻孔数据往往稀疏、分布不均，且可能包含倾斜钻孔，而地层连续性通常表现出强烈的方向依赖性。在这些条件下，概率重建可能对随机初始化敏感，并可能过度平滑岩性边界，尤其是在走向方向上。为了在钻孔控制有限的情况下提高鲁棒性，IMMC-Geo工作流程结合了地表衍生的概率信息
项目背景
该方法应用于中国东北部辽宁省的一个露天铁矿，该矿场已进入深部开采阶段。随着挖掘深度的增加，可靠地表示地下地层对于矿产资源评估和挖掘稳定性分析至关重要。因此，使用综合地质调查数据（包括钻孔记录、地表地质测绘和结构解释）建立了三维地质模型。
讨论
由于许多因素影响基于钻孔的地质建模的准确性（如钻孔间距（Magbool等人，2020）、钻孔倾斜角度和地层条件的复杂性（Yang等人，2023），这些变量都在决定最终模型的精度方面起着重要作用。为了进一步验证该方法在变化地质条件下的可行性，本节研究了IMMC-Geo方法对
结论
本文提出了一种基于堆叠马尔可夫链的改进三维地质建模方法，使用来自露天矿场的3D点云数据作为虚拟钻孔。利用组合的堆叠马尔可夫链和蒙特卡洛模拟算法推断未知建模区域的地层状态。该方法应用于中国辽宁省的一个露天矿场，并通过分析地质建模的影响因素进行了进一步评估。以下是结论
CRediT作者贡献声明
徐莉：撰写——原始草稿。宋占平：撰写——审阅与编辑，项目管理。张美宁：软件，数据管理。蒲江勇：形式分析，概念化。王彤：软件，调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52178393、51578447）、陕西省科技创新能力支持计划（编号：2020TD005）和陕西省自然科学基金（编号：2024JC-YBQN-0480）的支持。感谢这些机构的财务支持，数据可供期刊使用。
