基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法及装置，方法具体包括步骤：(1)加载二维图切剖面矢量数据与基点数据表；(2)基于两相邻二维图切剖面要素，构建地层对集合COU；(3)从COU读取一地层对，构建边界线集合AL与集合BL；(4)基于基点数据表，将边界线集合AL与集合BL从二维转换为三维；(5)基于Morphing三边法构建三维连续地质体与三维尖灭地质体。本发明实现了一种快速构建基岩地质体三维模型的方法，本发明与现有技术相比，具有较高的自动化程度且提高了基岩地质体三维模型的建模质量。

说明书

技术领域

本发明涉及三维建模和地质学领域，尤其涉及一种基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法及装置。

背景技术

高效精确的三维地质建模方法研究，是有效利用地质勘察数据，提高地质体建模效率和建模质量的关键。地质构造的复杂性以及地质数据的不确定性、采样有限性(经济制约)，给三维地质建模带来巨大挑战。如何实现高效率、高质量的复杂地质体三维建模，始终是地质研究和应用中的难点和热点问题。

经过多年努力，国内外研究者已有针对性地提出了基于工程钻孔、地质剖面等的多种三维地质建模方法。然而，由于钻孔、物探成本的制约，相关建模方法主要是应用于数据基础良好、小范围、结构相对简单的工程地质体三维建模。对于复杂、广布的基岩地质体而言，由于建模数据匮乏和地质结构相对复杂，现有基于钻孔、剖面等数据的三维地质建模方法，无法直接进行大范围基岩地质体的三维建模。

地质图是将沉积岩层、火成岩体、地质构造等的形成时代和相关等各种地质体、地质现象，用一定图例表示在某种比例尺地形图上的一种图件。是表示地壳表层岩相、岩性、地层年代、地质构造、岩浆活动、矿产分布等的地图的总称。进一步，为了形象直观地感应填图区在垂向上的地层产状、接触关系及地质构造形态，在地形地质图完成后，可以在地质图上，选择某一方向，根据各种地质、地理要素，按一定的比例尺，用投影方法切绘生成图切地质剖面。图切地质剖面同地质图相配合，二者可以反映地质构造在空间上的相互关系，蕴含了丰富的三维地质建模信息。经过地学工作者的长期努力，全覆盖、多尺度的地质图数据已基本具备，全自动、高质量的图切地质剖面生成方法也已成熟。如果基于数字地质图，在制作一系列平行的图切地质剖面的基础上，能够进行大范围基岩地质体的三维建模，则具有重要的研究意义和实用价值。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种高效精确的基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法。

技术方案：本发明所述的基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法包括：

(1)分别根据二维图切地质平行剖面矢量数据和基点数据表生成二维图切剖面集合S和基点集合AT；

(2)从二维图切剖面集合S中获取任意两个相邻二维图切剖面s

(3)从COU任取一地层对cou

(4)基于基点集合AT，将边界线集合AL与BL从二维转换为三维；

(5)判断地层对cou

(6)基于三维边界线集合AL与BL，采用Morphing三边法构建连续地质体三维模型；

(7)基于三维边界线集合AL与BL，采用Morphing三边法构建尖灭地质体三维模型；

(8)循环执行步骤(3)-(7)，直至完成集合COU中所有地层对的遍历，得到所有地层对的地质体三维模型；

(9)循环执行步骤(2)-(8)，直至完成所有相邻二维图切剖面的遍历，得到所有相邻二维图切剖面间的地质体三维模型。

进一步的，步骤(1)包括：

(1-1)读取二维图切地质平行剖面矢量数据，生成二维图切剖面集合S＝{s

(1-2)读取基点数据表，生成基点集合AT＝{α

进一步的，步骤(2)包括：

(2-1)从二维图切剖面集合S中获取任意两个相邻二维图切剖面s

(2-2)分别读取s

(2-3)从集合AS中获取任一地层st

(2-4)在集合AS中，不断搜索地层st

(2-5)返回执行步骤(2-3)，直至集合AS被遍历完；

(2-6)查找集合BS中是否存在未配对地层，若存在未配对地层st

(2-7)将所有地层对存入地层对集合COU＝{cou

进一步的，步骤(3)包括：

(3-1)从地层对集合COU中获取任一地层对cou

(3-2)分别离散轮廓线lineA、lineB，得到lineA、lineB的节点集合

(3-3)根据节点集合SA和SB构建集合

(3-3)根据矢量叉积方法将轮廓线lineA与轮廓线lineB的绕行方向同步为顺时针；

(3-4)按顺序从集合AP中读取任意连续的三个节点ap

(3-5)重复执行步骤(3-4)，直至集合AP所有连续的三个节点被遍历，将得到所有边界线存入边界线集合AL＝{al

(3-6)对边界线集合AL有序化处理；具体方法为：获取边界线集合AL中含有最小纵坐标值点的边界线al

(3-7)按照步骤(3-4)-(3-6)，构建轮廓线lineB边界线集合BL＝{bl

(3-8)获取地层对cou

(3-9)计算边界线集合AL、BL间的边界线数量差值CO＝an-bn，若CO＝0，则代表边界线一一对应，执行步骤(4)；若CO>0，代表集合AL中边界线多于集合BL，执行步骤(3-10)；若CO<0，代表集合AL中边界线少于集合BL，执行步骤(3-11)；

(3-10)按长度比例分割集合BL中边界线要素bl

(3-11)按照步骤(3-10)方法，分割边界线集合AL中边界线al

进一步的，步骤(4)包括：

(4-1)根据基点集合AT获取二维图切剖面s

(4-2)获取边界线集合AL中任一边界线al

(4-3)根据下式将二维离散点集合CP转换到三维，构建三维节点集合

(4-4)基于三维节点集合EP，构建三维边界线al

(4-5)循环执行步骤(4-2)-(4-3)，直至边界线集合AL中所有边界线被遍历，完成AL中所有边界线的三维转换；

(4-6)基于二维图切剖面s

进一步的，步骤(6)包括：

(6-1)从集合AL、BL中分别获取任意对应边al

(6-2)分别获取al

(6-3)计算count＝nl-ng，若count>0，则在集合FP中每两点之间插入一中点，直到插入|count|个点，使得ng＝nl；若count<0，则在集合EP中每两点之间插入一中点，直到插入|count|个点,使得nl＝ng；

(6-4)以集合EP对应的边界线al

(6-5)以地层面点集合Surface为基础数据构建不规则三角面，形成三维地层面tin

(6-6)循环执行步骤(6-1)-(6-5)，直至完成集合AL、BL所有对应边的遍历，得到三维地层面集合TIN＝{tin

(6-7)分别以集合AL、BL的边界线封闭成多面体polygonA、polygonB；

(6-8)将polygonA、polygonB与集合TIN中所有三维地层面镶嵌在一起，形成单一三维地质体rock

进一步的，步骤(6-4)包括：

(6-4-1)基于约束边lineAB的起点start

(6-4-2)分别从插入点后的集合EP和FP中获取一组对应点ep

(6-4-3)将点ep

(6-4-4)循环执行步骤(6-4-2)-(6-4-3)，直至集合EP和FP中所有对应点被遍历，得到地层面点集合Surface。

进一步的，步骤(7)包括：

(7-1)获取地层对cou

(7-2)获取集合AL的中间边界线al

(7-3)基于Morphing三边法构建al

(7-4)从SurfaceL交替获取点XPL

(7-5)从集合BL中获取任一边界线bl

(7-6)以地层面点集合SurfaceLL为基础数据构建不规则三角面，形成三维地层面tinL

(7-7)循环执行步骤(7-5)-(7-6)，直至完成集合BL所有边被遍历，得到三维地层面集合TINL＝{tinL

(7-8)将集合BL的边界线封闭成的多面体polygonB，与集合TINL中所有三维地层面镶嵌，形成单一三维地质体rock

(7-9)对于右端尖灭地层，获取集合BL中间边界线bl

本发明所述的基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明自动化程度高，既提高了基岩地质体三维模型的建模效率，又具有较高的精确度。

附图说明

图1是本发明实施例中采用的剖面线与地质数据示意图；

图2是本发明实施例中采用的基点数据表；

图3是本发明提供的基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法的流程图；

图4是二维图切剖面示意图(剖面线①)；

图5是三维剖面序列示意图；

图6是Morphing三边法示意图；

图7是单一三维基岩地质体rock

图8是基岩地质体三维模型((b)为正视图，(a)、(c)为侧视图)。

具体实施方式

下面对本发明技术方案作进一步详细的说明，本实施例的实验数据采用的是中国1：20万重庆H48-23图幅地质图数据(图1)与剖面线基点数据表(图2)，该实验数据采用的投影坐标系为Beijing_1954。下面结合附图，并通过描述一个具体的实施例，来进一步说明。

如图3所示，本实施例提供的基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建方法包括：

(1)分别根据二维图切地质平行剖面矢量数据和基点数据表生成二维图切剖面集合S和基点集合AT。

该步骤具体包括：

(1-1)读取二维图切地质平行剖面矢量数据，生成二维图切剖面集合S＝{s

(1-2)读取基点数据表，生成基点集合AT＝{α

(2)从二维图切剖面集合S中获取任意两个相邻二维图切剖面s

该步骤具体包括：

(2-1)从二维图切剖面集合S中获取任意两个相邻二维图切剖面s

(2-2)分别读取s

(2-3)从集合AS中获取任一地层st

(2-4)在集合AS中，不断搜索地层st

(2-5)返回执行步骤(2-3)，直至集合AS被遍历完；

(2-6)查找集合BS中是否存在未配对地层，若存在未配对地层st

(2-7)将所有地层对存入地层对集合COU＝{cou

(3)从COU任取一地层对cou

该步骤具体包括：

(3-1)从地层对集合COU中获取任一地层对cou

(3-2)分别离散轮廓线lineA、lineB，得到lineA、lineB的节点集合

(3-3)根据节点集合SA和SB构建集合

(3-3)根据矢量叉积方法将轮廓线lineA与轮廓线lineB的绕行方向同步为顺时针；所述矢量叉积方法，公开在下列文件:Philip J.S.,David H.E.,Geometric Tools forCompu ter Graphics,Elsevier Science,2003,p64-65.

(3-4)按顺序从集合AP中读取任意连续的三个节点ap

(3-5)重复执行步骤(3-4)，直至集合AP所有连续的三个节点被遍历，将得到所有边界线存入边界线集合AL＝{al

(3-6)对边界线集合AL有序化处理；具体方法为：获取边界线集合AL中含有最小纵坐标值点的边界线al

(3-7)按照步骤(3-4)-(3-6)，构建轮廓线lineB边界线集合BL＝{bl

(3-8)获取地层对cou

(3-9)计算边界线集合AL、BL间的边界线数量差值CO＝an-bn，若CO＝0，则代表边界线一一对应，执行步骤(4)；若CO>0，代表集合AL中边界线多于集合BL，执行步骤(3-10)；若CO<0，代表集合AL中边界线少于集合BL，执行步骤(3-11)；

(3-10)按长度比例分割集合BL中边界线要素bl

(3-11)按照步骤(3-10)方法，分割边界线集合AL中边界线al

(4)基于基点集合AT，将边界线集合AL与BL从二维转换为三维。在本实施例中，所有三维剖面如图5所示。

该步骤具体包括：

(4-1)根据基点集合AT获取二维图切剖面s

(4-2)获取边界线集合AL中任一边界线al

(4-3)根据下式将二维离散点集合CP转换到三维，构建三维节点集合

(4-4)基于三维节点集合EP，构建三维边界线al

(4-5)循环执行步骤(4-2)-(4-3)，直至边界线集合AL中所有边界线被遍历，完成AL中所有边界线的三维转换；

(4-6)基于二维图切剖面s

(5)判断地层对cou

(6)基于三维边界线集合AL与BL，采用Morphing三边法构建连续地质体rock

该步骤具体包括：

(6-1)从集合AL、BL中分别获取任意对应边al

(6-2)分别获取al

(6-3)计算count＝nl-ng，若count>0，则在集合FP中每两点之间插入一中点，直到插入|count|个点，使得ng＝nl；若count<0，则在集合EP中每两点之间插入一中点，直到插入|count|个点,使得nl＝ng；

(6-4)以集合EP对应的边界线al

(6-5)以地层面点集合Surface为基础数据构建不规则三角面，形成三维地层面tin

(6-6)循环执行步骤(6-1)-(6-5)，直至完成集合AL、BL所有对应边的遍历，得到三维地层面集合TIN＝{tin

(6-7)分别以集合AL、BL的边界线封闭成多面体polygonA、polygonB；

(6-8)将polygonA、polygonB与集合TIN中所有三维地层面镶嵌在一起，形成单一三维地质体rock

其中，步骤(6-4)包括：

(6-4-1)基于约束边lineAB的起点start

(6-4-2)分别从插入点后的集合EP和FP中获取一组对应点ep

(6-4-3)将点ep

(6-4-4)循环执行步骤(6-4-2)-(6-4-3)，直至集合EP和FP中所有对应点被遍历，得到地层面点集合Surface。

(7)基于三维边界线集合AL与BL，采用Morphing三边法构建尖灭地质体rock

该步骤具体包括：

(7-1)获取地层对cou

(7-2)获取集合AL的中间边界线al

(7-3)基于Morphing三边法构建al

(7-4)从SurfaceL交替获取点XPL

(7-5)从集合BL中获取任一边界线bl

(7-6)以地层面点集合SurfaceLL为基础数据构建不规则三角面，形成三维地层面tinL

(7-7)循环执行步骤(7-5)-(7-6)，直至完成集合BL所有边被遍历，得到三维地层面集合TINL＝{tinL

(7-8)将集合BL的边界线封闭成的多面体polygonB，与集合TINL中所有三维地层面镶嵌，形成单一三维地质体rock

(7-9)对于右端尖灭地层，获取集合BL中间边界线bl

(8)循环执行步骤(3)-(7)，直至完成集合COU中所有地层对的遍历，得到所有地层对的地质体三维模型。

(9)循环执行步骤(2)-(8)，直至完成所有相邻二维图切剖面的遍历，得到所有相邻二维图切剖面间的地质体三维模型。

在本实施例中，基于重庆H48-23图幅地质图，生成的基岩地质体三维模型如图8所示。本发明实施例中基于Arcgis Engine API提供部分GIS操作，相关步骤也可以使用SuperMap、Arcgis Object等软件的API进行相应GIS操作。

本实施例还提供了一种基于图切地质平行剖面的基岩地质体三维模型构建装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。