CN101105865A

CN101105865A - 一种基于限定散点集的三维地质体自动重构方法

Info

Publication number: CN101105865A
Application number: CNA2007100529091A
Authority: CN
Inventors: 何珍文; 吴冲龙; 田宜平; 刘刚; 张夏林; 翁正平; 毛小平; 汪新庆; 刘军旗; 孔春芳; 李伟忠; 李新川; 张志庭; 綦广
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2008-01-16

Abstract

本发明是一种基于限定散点集的三维地质体自动重构算法，其采用网格模型与E－Rep面模型混合数据结构进行数据存储管理，即：利用EB－Rep面体混合模型，将B－Rep模型的结构简单、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TEN的限定自动剖分实现地质体的初步自动建模，然后根据地质年代顺序对TEN网格集进行空间BOOL运算，得到地质体初步网格模型，再对网格模型进行表面提取与简化，得到混合地质体模型。本发明有效解决了面模型不支持自动构模，而支持自动构模的体元剖分构模又由于数据量巨大而不具有实用性的问题；该算法能适应多种数据源，能在多种专业软件中推广使用。

Description

一种基于限定散点集的三维地质体自动重构方法

技术领域

本发明涉及地学信息处理技术领域，特别是涉及三维图形学、三维地质建模及网格简化方法。

背景技术

三维地质体自动重构是一种地学空间动态构模技术，是地质信息系统中的关键技术，是目前地学空间构模研究热点与难点问题之一。地学空间构模按照技术层次分为五个阶段，即模型可视化阶段、模型度量阶段、模型分析阶段、模型更新阶段和时态构模阶段；前三个阶段属于静态构模，后两个阶段属于动态构模阶段。由于地质情况的复杂性，国内外目前的地质建模系统大多采用静态交互构模方法。

最早的地学空间构模算法出现在20世纪70年代初，由Notley和Wilson提出三维线框模型(3D Wire Frames)将其用于地下矿山设计建模。此后，随着计算机技术的不断更新和地学空间构模技术的不断发展，到20世纪80年代出现了表面建模方法和大量的表面建模软件，其中比较具有代表性的1989年法国Jean Laurent Mallet教授提出的表面离散建模战略以及基于此方法的GOCAD软件系统。到20世纪90年代以后，国内外出现了大量的三维地学信息可视化软件，如Datamine、Minecom、Surpac、Lynx、Vulcan、PC-Mine、MicroMine、Minemap、GEOVIEW、IMAGIS，GeoMo，TITIAN3D，VRMAP等。这些商业软件的出现，在很大程度上推动了三维地学空间构模技术方法的研究。在过去的几十年中，人们已经提出了近30种空间构模方法，其中可以直接用于地质体建模的基本方法约10种，这些方法大致可以分为两类，一类是基于面模型的构模，一类是基于体模型的构模。

基于面模型的构模方法侧重于三维空间实体的表面表示，如地形表面、地层面等。所模拟的表面可以是封闭的B-Rep(边界替代)模型和Wire Frame(线框)模型，也可以是非封闭的，如TIN(不规则三角网模型)和DEM(数字高程模型)。在地质体构模过程中一般采用剖面模型、剖面一TIN混合模型以及多层DEM模型。这些面模型便于数据显示，但由于采样点的稀疏，空间实体的内部属性记录比较难于组织，实现空间分析功能比较困难；不支持实现地质模型自动建模，人工建模工作量较大。体模型基于三维空间的体元分割和三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存储管理，便于进行三维空间操作和分析，能够实现地质体自动剖分建模；但随着剖分精度的提高，数据量急剧增加，在精度与数据量之间存在难于取舍的问题。因此，这类方法在地质建模软件中实际使用较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于限定散点集的三维地质体自动重构方法，以便有效地解决技术背景中提到的已有构模方法存在的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用网格模型与E-Rep(边界替代)面模型混合数据结构进行数据存储管理，即利用EB-Rep(扩展边界替代)面体混合模型，将B-Rep模型的结构简单和量小的数据与TEN模型的可自动重构性有机融合在一起，通过TEN的限定自动剖分实现地质体的初步自动建模，然后根据地质年代顺序对TEN网格集进行空间布尔运算，得到地质体初步网格模型，再网格模型进行表面提取与简化，得到混合地质体模型。

本发明采用了与以往完全基于体元剖分的地质体自动建模方法不同的技术路线，即采用了混合数据模型，利用最小凸包生成算法，在实现地质体自动构模的情况下解决了面模型不支持自动构模，而支持自动构模的体元剖分构模又由于数据量巨大而不具有实用性的问题，因而具有如下主要优点：

其一.由于在数据离散插值与最小凸包集构造部分中首先对原始地质数据进行了离散插值处理，使得输入数据可以是钻孔、剖面、平峒和测量数据等，也可以是多种数据的混合，从而能够适应基于多源地质数据的三维建模。

其二.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。

其三.避免了表面建模的强交互性，实现了限定条件下的复杂地质体的自动建模。

其四.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.应用广：可在各种三维建模软件、GIS(地理信息系统)软件、测绘软件、地质调查软件、地下管线信息系统软件等诸多专业软件中使用。

总之，本发明利用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结合，有效解决了面模型不支持自动构模，而支持自动构模的体元剖分构模又由于数据量巨大而不具有实用性的问题；从而能够适应多种数据源，能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自动重构的流程图。

具体实施方式

本发明提出的基于限定散点集的三维地质体自动重构方法，是一种能实现三维地质体自动构建的基于EB-Rep面体混合模型的三维地质体构模方法。本方法采用网格模型与E-Rep面模型混合数据结构进行数据存储管理，即：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TEN的限定自动剖分实现地质体的初步自动建模，然后根据地质年代顺序对TEN网格集进行空间BOOL运算，得到地质体初步网格模型，再网格模型进行表面提取与简化，得到混合地质体模型。

本发明提供的方法采用以下的步骤：

1)数据离散插值与最小凸包集合构造：

先将原始地质数据进行离散插值，并将相关地质信息作为边界限定条件附加在散点集上，然后对离散点集进行地质年代分类，计算每类点集的最小凸包，并在分类的散点子集基础上构造基于B-Rep的最小凸包集合。

2)最小凸包集合的裁剪与剖分：

将最小凸包集合按照地质年代顺序相互循环裁剪，裁剪后得到的面封闭实体作为网格剖分的限定条件，并结合相关散点集合，进行网格剖分，得到混合地质体模型。

3)拓扑建立与模型简化：

先将混合地质体模型建立拓扑关系，即先根据混合地质体模型的表面模型与内部网格模型的面共用情况建立实体拓扑关系，然后对表面模型和内部网格模型进行同步简化处理，内部网格模型是体元。

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.数据离散插值处理，得到d维散点集V^dR^d，R为d维欧氏空间，d＝3；

2.将散点集V分成m类(V0，V1，Vt，...，Vm-1)，每类点集对应于相应地质年代，并使得在地质过程中Vt-1的地质年代早于Vt的地质年代；

3.循环计算Vt(0≤t≤m)的最小Convex Hull(凸包)Ct，生成封闭的Fecets(面片)集合Ft；

4.循环裁剪运算，用Ft裁剪Ft-1得到新的Ft-1；

5.循环剖分运算，以Vt点集，以Ft为限定条件，剖分得到d+1维的单体网格集合Mt(如果d＝3，则Mt为四面体网格)；

6.由Ft与Mt构成EB-Rep中的地质实体St；

7.根据F0，…，Ft，…，Fm中的Facet(面片)共用情况建立S0，…，St，…，Sm之间的拓扑关系；

8.采用了Simplex Collapse(单体塌陷)算法，对实体的表面与内部网格进行简化。

在上面的八个步骤中，其中步骤3的最小Convex Hull的求取、步骤4的循环裁剪运算(曲面裁剪算法)、步骤5的循环剖分运算(网格剖分算法)和步骤8的网格简化算法最为重要，本发明的技术的重点在于这四个步骤的实现。对于复杂的地质构造面，需要通过第四步的裁剪算法实现。

本发明在地质过程中的只存在新生地层对老地层的地质作用时能够实现对多类散点数据的全自动动态建模，在存在多次新老地层交互地质是能在交互干预下实现动态构模。

Claims

1.一种三维地质体自动重构方法，其特征是一种基于限定散点集的三维地质体自动重构方法，该方法采用网格模型与E-Rep面模型混合数据结构进行数据存储管理，即：利用EB-Rep面体混合模型，将B-Rep模型的结构简单、数据量小的优点与TEN模型的可自动重构特性有机融合在一起，通过TEN的限定自动剖分实现地质体的初步自动建模，然后根据地质年代顺序对TEN网格集进行空间BOOL运算，得到地质体初步网格模型，再对网格模型进行表面提取与简化，得到混合地质体模型。

2.根据权利要求1所述的三维地质体自动重构方法，其特征是采用以下的步骤：

1)数据离散插值与最小凸包集合构造：

先将原始地质数据进行离散插值，并将相关地质信息作为边界限定条件附加在散点集上，然后对离散点集进行地质年代分类，并计算每类点集的最小凸包，得到最小凸包集合；

2)最小凸包集合的裁剪与剖分：

将最小凸包集合按照地质年代顺序相互循环裁剪，再进行网格剖分，得到混合地质体模型；

3)拓扑建立与模型简化：

将混合地质体模型建立拓扑关系，然后进行模型面片与体元简化。

3.根据权利要求1所述的三维地质体自动重构方法，其特征是在分类的散点子集基础上构造基于EB-Rep的最小凸包集合。

4.根据权利要求2或3所述的三维地质体自动重构方法，其特征是所述的最小凸包集合，将其裁剪后得到的面封闭实体作为网格剖分的限定条件，结合相关散点集合，进行网格剖分。

5.根据权利要求2所述的三维地质体自动重构方法，其特征是在拓扑建立与模型简化过程中，先根据混合地质体模型的表面模型与内部网格模型的面共用情况建立实体拓扑关系，然后对表面模型和内部网格模型进行同步简化处理，内部网格模型是体元。

6.一种将权利要求1至5中任一所述的三维地质体自动重构方法，其在各种三维建模软件、地理信息系统软件、测绘软件、地质调查软件或地下管线信息系统软件中的应用。