本發(fā)明涉及一種根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)地質(zhì)建模、模擬和分析的方法，特別涉及一種基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法。

背景技術(shù)：

工程地質(zhì)野外勘探過(guò)程中，地表堆積體的繪制和記錄是地質(zhì)填圖的重要工作。準(zhǔn)確記錄并分析地質(zhì)堆積體，能夠?qū)^(qū)域地質(zhì)的分布情況做出完整的描述，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)的地質(zhì)勘測(cè)手段僅能通過(guò)地質(zhì)堆積體的地表出露邊界估算堆積體范圍，通過(guò)少許采樣點(diǎn)預(yù)測(cè)堆積體地下分布情況。預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于地質(zhì)工作者的經(jīng)驗(yàn)，所獲取的地質(zhì)信息和構(gòu)建的地質(zhì)模型很難被用于工程地質(zhì)三維綜合分析之中。

Delaunay三角化平面^[1,2]是均分曲面的主要方法；而非均勻有理B樣條(NURBS)和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)則是曲面建模的主要方法[3,4]，因此，基于以上情況和研究，本發(fā)明通過(guò)建立地面三角網(wǎng)，提出了一種基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯才，李林超，胡光岷.基于矢量閉合的三維建模方法[P].發(fā)明專利ZL201410449265.X，2014

[2]王頎，趙洲，孫健等。一種基于大規(guī)模地震數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)曲面重建方法[P].發(fā)明專利ZL201610397592.4，2016

[3]鐘登華，李明超，劉杰等。水利水電工程地質(zhì)信息的三維統(tǒng)一模型構(gòu)建方法[P].發(fā)明專利ZL200610013425.1，2006

[4]李明超，鐘登華，秦朝霞，等.基于三維地質(zhì)模型的工程巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)數(shù)值建模[J]，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(9):1893-1898

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提出一種基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法，用以根據(jù)野外地質(zhì)勘測(cè)獲得的地質(zhì)堆積體信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理、重構(gòu)堆積體模型。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：

一種基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法，包括以下步驟：

步驟A、根據(jù)野外地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，在三維地形實(shí)景中標(biāo)記地質(zhì)堆積體的地表出露范圍，以封閉多段線表示；

步驟B、指定封閉多段線內(nèi)部的深度控制點(diǎn)，給予其距離地表的預(yù)測(cè)深度；

步驟C、在多段線內(nèi)部構(gòu)建插值點(diǎn)，形成Delaunay劃分網(wǎng)格面；

步驟D、針對(duì)網(wǎng)格面中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)以下規(guī)則計(jì)算其深度：堆積體邊界處的深度為0，內(nèi)部指定點(diǎn)處的深度為給定值；其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)其與邊界和每個(gè)指定點(diǎn)處的距離插值計(jì)算出對(duì)應(yīng)深度；插值完成后的網(wǎng)格面從邊界到內(nèi)部指定點(diǎn)處漸進(jìn)加深，形成平滑下凹曲面；

步驟E、將網(wǎng)格曲面展示到三維地形實(shí)景之中，形成地質(zhì)堆積體的下包絡(luò)曲面，并獲得堆積體實(shí)體。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中的三維地形實(shí)景，是工程地質(zhì)野外編錄區(qū)域所對(duì)應(yīng)的帶實(shí)景貼圖的三維地形模型，其是由陸攝或航攝手段獲取的影像和高程數(shù)據(jù)疊加處理形成的能夠準(zhǔn)確表征野外地形環(huán)境的三維數(shù)字場(chǎng)景。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中的地質(zhì)堆積體的地表出露范圍，是地質(zhì)工作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探信息，在三維地形實(shí)景上圈定的地質(zhì)堆積體邊界，該邊界是首尾閉合的封閉多段線，多段線內(nèi)屬于堆積體。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中的野外地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，是地質(zhì)工作者在野外現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，利用平板電腦在三維地形實(shí)景上快速勾劃出地質(zhì)堆積體邊界的過(guò)程；三維地形實(shí)景和地質(zhì)堆積體邊界是快速擬合建模方法的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟B中的預(yù)測(cè)深度，是地質(zhì)工作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘現(xiàn)象和地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)所預(yù)測(cè)的堆積體最大深度，在垂直方向上，該深度以上部分都屬于地質(zhì)堆積體。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟D具體包括：

步驟D1：獲取堆積體邊界的封閉多段線，并定義其上的點(diǎn)深度為0；

步驟D2：獲取堆積體內(nèi)部的若干深度控制點(diǎn)，并定義其深度為用戶輸入值；

步驟D3：遍歷網(wǎng)格面中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)深度控制點(diǎn)下的深度值，包括：尋找距離該節(jié)點(diǎn)最近的邊界；作深度控制點(diǎn)通過(guò)該節(jié)點(diǎn)至該邊界的線段；以該節(jié)點(diǎn)距離控制點(diǎn)距離和上述線段距離的比值作為權(quán)重參數(shù)，根據(jù)控制點(diǎn)深度計(jì)算獲得該節(jié)點(diǎn)處的深度；

步驟D4：將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)深度控制點(diǎn)下的深度值按距離每個(gè)控制點(diǎn)的距離設(shè)定權(quán)重，綜合所有控制點(diǎn)的深度值，計(jì)算獲得該節(jié)點(diǎn)的綜合深度；

步驟D5：針對(duì)所有節(jié)點(diǎn)重復(fù)D3-D4的步驟，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的綜合深度，并生成能反映各部位不同深度值的平滑下凹網(wǎng)格曲面。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟E中的堆積體實(shí)體是堆積體的下包絡(luò)曲面與三維實(shí)景地形面交切形成的三維實(shí)體，用于表征地質(zhì)堆積體在三維實(shí)景中的位置與形態(tài)。

本發(fā)明的有益效果是：

在數(shù)字三維地形實(shí)景的支持下，該方法能夠在野外現(xiàn)場(chǎng)快速實(shí)時(shí)推求地質(zhì)堆積體的分布、形狀、分界面等地質(zhì)信息，為工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)勘探提供重要參考信息與快速建模工具。

附圖說(shuō)明

圖1為基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法流程圖；

圖2為插值擬合示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明旨在提出一種基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法，用以根據(jù)野外地質(zhì)勘測(cè)獲得的地質(zhì)堆積體信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理、重構(gòu)堆積體模型。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明中的基于三維地形的地質(zhì)堆積體快速擬合建模方法包括以下步驟：

步驟A，根據(jù)野外地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，在三維地形實(shí)景中用直線標(biāo)記地質(zhì)堆積體的地表出露范圍，直線首位相連，形成多段線；標(biāo)注完畢后，檢驗(yàn)多段線是否封閉，若不封閉則重新選擇；如果封閉則可進(jìn)行下一步；

步驟B，指定封閉多段線內(nèi)部的若干深度控制點(diǎn)，給予其距離地表的預(yù)測(cè)深度；若不選擇自定義多點(diǎn)深度，則需賦值中心點(diǎn)深度；

步驟C，在多段線內(nèi)部構(gòu)建插值點(diǎn)，形成Delaunay劃分網(wǎng)格面；

步驟D，針對(duì)網(wǎng)格面中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)以下規(guī)則計(jì)算其深度：堆積體邊界處的深度為0，內(nèi)部指定點(diǎn)處的深度為給定值；其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)其與邊界和每個(gè)指定點(diǎn)處的距離插值計(jì)算出對(duì)應(yīng)深度；插值完成后的網(wǎng)格面從邊界到內(nèi)部指定點(diǎn)處漸進(jìn)加深，形成平滑下凹曲面；

步驟E，將網(wǎng)格曲面展示到三維地形實(shí)景之中，形成地質(zhì)堆積體的下包絡(luò)曲面，并獲得堆積體實(shí)體。

本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例如下：

(1)獲取初始條件。在三維實(shí)景中選擇要研究的區(qū)域，以封閉的多段線表示，多段線與地表吻合；系統(tǒng)自動(dòng)判別多段線是否封閉，如不封閉無(wú)法進(jìn)行下一步計(jì)算；系統(tǒng)可以自動(dòng)捕捉研究區(qū)域的地質(zhì)信息。

(2)建立直線方程，以圖2為例，A、B、M、X橫縱坐標(biāo)已知，利用MX線上兩點(diǎn)確定MX線方程：

Ax₁+By₁+C＝0

利用AB線上兩點(diǎn)確定AB線方程：

Ax₂+By₂+C＝0

(3)求輔助交點(diǎn)。聯(lián)立兩直線方程：

得到直線相交交點(diǎn)O(x₀,y₀)。

(4)計(jì)算插值權(quán)重，獲取插值深度。分別計(jì)算MO距離D_m，MX距離D₁，設(shè)置中心點(diǎn)深度為最大深度，并計(jì)算其他點(diǎn)的權(quán)值，最終用地表高程和權(quán)值深度做差得到地表點(diǎn)的下凹深度：

其中，z₀為區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)下凹面處高程；z為區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)地表高程；D₁為各點(diǎn)到中心點(diǎn)實(shí)際距離；D_m為各點(diǎn)到中心點(diǎn)最大距離；H_max為中心點(diǎn)最大深度。

(5)建立插值曲面。計(jì)算得到Delaunay劃分網(wǎng)格面，可將計(jì)算得到的模型從工程地質(zhì)野外數(shù)字測(cè)繪編錄系統(tǒng)中導(dǎo)出。