CN101105864B - 一种基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构算法，其从三维地质空间中的定性空间知识表达与推理入手，将定性空间推理引入三维地质构模，通过非共面序列剖面之间的类二维拓扑关系的构建与推理对比，将剖面的对比维数提升，实现序列剖面的两两自动对比。本发明有效地解决了非共面序列剖面自动对比问题，基于剖面的三维地质体的局部模型更新问题和模型的整体动态重构问题；可以极大地消减手工交互建模工作量，避免模型无法动态更新问题，提高不规则三维地质体的建模效率；能适应多种剖面数据，能在多种专业软件中推广使用。

Description

一种基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构方法

技术领域

本发明涉及地学信息处理技术领域，特别是涉及空间推理、三维图形学及三维地质建模方法。

背景技术

本项发明涉及对“地理空间”和“地质空间”目标认知问题、三维拓扑关系的描述问题，以及复杂地质体的自动建模与动态更新问题。这里将“地理空间”界定在地表及其以上空间，将“地质空间”界定为地表以下空间。两者的主要差异体现在以下几点：

1.地质空间中的地质体由于深埋地下一般不具有可见性，地质体的空间形态数据一般是间接测量得到；而地理空间中的实体目标一般是可见的，可以直接观测、测量。因此，地质空间中的数据一般不具有完备性，大部分靠地质知识和经验推测出来，定性数据占很大比例。

2.地质空间中的地质体之间有其它不同种类的地质体介质填充，而这些填充的介质也是研究目标之一，因此在很大程度上，地质空间是连续空间；在地理空间中，实体目标之间的介质往往不是研究目标，因此，在三维地理信息系统中，地理空间常常表现为离散空间。

3.地质空间中的地质体具有非参数化的几何形态，此外，地质空间中的断层、褶皱等地质现象的存在，使得地质体的表达更趋复杂；而地理空间中的三维实体一般为人工实体，绝大部分具有参数化几何形态。这导致了地质空间与地理空间构模方法的巨大差异。

三维地质体构模技术是三维地质信息系统的核心技术，是三维空间信息系统领域研究的热点问题。目前在地理空间中的三维实体建模方法日趋成熟，但三维拓扑的表达与重建依然处于探索阶段，复杂模型的快速更新与重构依然是一个厄待解决的问题；而在地质空间，由于上述三点差异，特别是由于地质空间中的地质数据的定性与不完备性，三维地质体建模方法依然停留在静态手工交互建模阶段；因为这里面需要太多人工根据地质知识作出推理判断。

基于剖面进行地质体建模是最基本的方法之一，但由于没法实现有效剖面自动对比，采用这类方法不能进行模型的动态重构和局部更新。为此，有必要另辟途径，提出一种新型的三维地质体动态重构方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：从三维地质空间中的定性空间知识表达与推理入手，将定性空间推理引入三维地质构模，提供一种基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构方法，以便能够有效地解决现有技术存在的非共面序列剖面自动对比问题，以及基于剖面的三维地质体的局部模型更新问题和模型的整体动态重构问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：从三维地质空间中的定性空间知识表达与推理入手，将定性空间推理引入三维地质构模，通过对输入非共面序列剖面集合中的两两相邻的任意两个相邻剖面SCi和SCi+1进行平面投影运算，将这两个非共面剖面投影到相同的投影平面SP上，然后在投影平面上自动构建二维拓扑关系，接着将得到的二维拓扑关系经过反投影，得到两个非共面剖面各自的类二维拓扑关系，也即区域集合；然后根据相同区域属性属于同一地质体的准则，构建SCi和SCi+1中地质界线对应关系，连接成体；重复上述步骤，得到所有两两相邻非共面剖面之间的封闭地质体；最后合并具有相同区域属性的地质体，并对头尾非共面序列剖面SC0和SCn进行外推、剖分得到最终地质体。

本发明将拓扑推理引入三维地质体建模，由于采用了面体混合数据模型、剖面投影、拓扑推理重建技术，因而具有如下主要优点：

其一.由于在剖面对比之前对剖面进行了投影处理，因此能直接处理非共面的三维剖面数据。

其二.避免了以往剖面建模的强交互性，可消减手工交互建模工作量，实现了将拓扑推理引入剖面对比，提高了剖面对比的自动化程度。

其三.利用EB-Rep面体混合模型将B-Rep模型的数据结构简单、数据量小的优点与TEN模型的可自动重构性有机融合在一起，通过非共面序列剖面之间的类二维拓扑关系的构建与推理对比，将剖面的对比维数提升，实现序列剖面的两两自动对比。

其四.能够解决现有技术中模型无法动态更新问题，提高不规则三维地质体的建模效率。并且基于本模型的构建的地质体是真三维地质体，能根据精度要求调整地质体的的表面网格精度和地质体内部体元网格精度。

其五.可以在各种三维建模软件、GIS(地理信息系统)软件等诸多专业软件中推广使用。

总之，本发明将拓扑推理引入剖面对比，利用EB-Rep面体混合模型，有效地解决了非共面序列剖面自动对比问题，基于剖面的三维地质体的局部模型更新问题以及模型的整体动态重构问题。并且能够适应多种剖面数据，可在多种专业软件中推广使用。

附图说明

图1是本发明的三维地质体动态重构的流程图。

具体实施方式

本发明提供的基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构方法是：从三维地质空间中的定性空间知识表达与推理入手，将定性空间推理引入三维地质构模，通过序列剖面之间的类二维拓扑关系的构建与推理对比，将剖面的对比维数提升，实现序列剖面的两两自动对比，然后进行剖面内插与外推处理，最终得到三维地质体模型。

本发明提供的上述方法是采用网格模型与E-Rep面模型混合数据结构进行数据存储管理，具体采用以下四个步骤：

1.序列剖面的投影处理：

先对输入数据即序列剖面进行预处理，提取相邻两剖面，再将其投影到指定平面上。输入数据是非共面或共面的序列剖面，在预处理中根据实际需要可以对剖面进行插值处理。插值算法可以采用：线性插值、B样条插值、拉格朗日插值或克里金系列插值等插值算法。

2.类二维拓扑关系构建：

利用二维拓扑，在投影平面上自动构建了关联剖面的类二维拓扑关系。

3.剖面之间的对比：

基于拓扑关系进行传导和推理，即：对拓扑关系中的区域属性进行推理对比，建立对应关系，并将这些对应关系反向传导至原始剖面地质界线上，再根据传导的关系在两个剖面之间建立地质体的封闭的面模型；重复这些操作，直到所有的两两相邻的剖面之间的地质体面模型都建立起来。

4.剖面内插与外推处理：

在地质体面模型基础上进行剖面内插和外推处理，然后将地质体面模型进行合并得到地质单体模型；最后，以面模型为限定条件对地质单体模型进行网格剖分。

通过上述步骤处理后，最终得到三维地质体模型。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例：

1)输入非共面序列剖面集合(由n个连续曲面构成)：SC＝{SCi}(1≤i≤n)；

2)选择剖面SCi和SCi+1，并计算一个投影平面SP，将SCi和SCi+1投影到SP，得到SPi和SPi+1。其中SPi＝MPi×SCi投影到SP，SPi+1＝MPi+1×SCi+1投影到SP，MPi＝MPi+1；

3)在SP平面上，利用二维拓扑自动建立算法，建立SPi和SPi+1的类二维拓扑关系，并成区；得到两个区域集合SAi和SAi+1；

4)通过SAi和SAi+1中区域对象的对比，建立SAi和SAi+1中相同地质单元的区域对应关系，并通过SPi和SPi+1将这种对应关系传导到SCi和SCi+1中对应的地质界线；

5)根据传导的拓扑关系，在SCi和SCi+1之间建立地质体封闭面；

6)重复步骤2-5，完成所有封闭面建立；

7)合并具有相同属性的封闭面，得到地质单体集合；

8)进行剖面SC0和SCn外推，并封闭成体；

9)对每个地质单体，执行封闭面的内部网格剖分，得到完整地质体；

10)采用“单体塌陷”(Simplex Collapse)算法，对地质体表面与内部网格进行简化。

本例的关键是投影面上拓扑区域的自动对比。

在上面的十个步骤中，2-5步是本方法的关键步骤。为增强本方法的适应性和实用性，本例预留了人工引导交互接口，可以增加部分人工辅助对比。

Claims (3)

1.一种三维地质体动态重构方法，其特征是一种基于序列剖面拓扑推理的三维地质体动态重构方法，该方法是：从三维地质空间中的定性空间知识表达与推理入手，将定性空间推理引入三维地质构模，通过对输入非共面序列剖面集合中的两两相邻的任意两个相邻剖面SCi和SCi+1进行平面投影运算，将这两个非共面剖面投影到相同的投影平面SP上，然后在投影平面上自动构建二维拓扑关系，接着将得到的二维拓扑关系经过反投影，得到两个非共面剖面各自的类二维拓扑关系，也即区域集合；然后根据相同区域属性属于同一地质体的准则，构建SCi和SCi+1中地质界线对应关系，连接成体；重复上述步骤，得到所有两两相邻非共面剖面之间的封闭地质体；最后合并具有相同区域属性的地质体，并对头尾非共面序列剖面SC0和SCn进行外推、剖分得到最终地质体。

2.根据权利要求1所述的三维地质体动态重构方法，其特征是采用以下步骤：

1)非共面序列剖面的投影处理：

先对输入数据即非共面序列剖面集合SC＝{SCi}(1≤i≤n)进行预处理，提取任意两个相邻非共面序列剖面SCi和SCi+1，再将其投影到指定投影平面SP上，得到SPi和SPi+1；

2)类二维拓扑关系构建：

在投影平面SP上自动构建了SCi、SCi+1的关联剖面SPi、SPi+1的类二维拓扑关系，得到两个区域集合SAi和SAi+1；

3)两个相邻非共面序列剖面之间的对比：

基于2)得到的拓扑关系进行传导和推理，即：对拓扑关系中的SAi和SAi+1的区域属性进行推理对比，建立对应关系，并将这些对应关系反向传导至原始剖面地质界线上，再根据传导的关系在两个剖面SCi、SCi+1之间建立地质体的封闭的面模型；重复这些操作，直到所有的两两相邻的剖面之间的地质体面模型都建立起来；

4)剖面内插与外推处理：

在地质体面模型基础上进行剖面内插和外推处理，然后将地质体面模型进行合并得到地质单体模型；最后，以面模型为限定条件对地质单体模型进行网格剖分；

由上述步骤，最终得到三维地质体模型。

3.根据权利要求2所述的三维地质体动态重构方法，其特征是对地质单体模型中的非共面序列剖面的两端进行外推处理。