CN101281662A - 一种三棱柱体三维地层剖分方法及开挖土方估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三棱柱体三维地层剖分方法及开挖土方估算方法，本发明以空间平面切割三棱柱的所有情形分析为依据，实现了三棱柱三维地层的任意剖分，并以此为基础进行了土方开挖估算。此算法同时适用于正常三棱柱与退化三棱柱(一条或两条侧棱长度为0)情形，能同时有效处理正常地层和缺失、尖灭及透镜体等复杂地层的任意剖分与土方估算。

Description

一种三棱柱体三维地层剖分方法及开挖土方估算方法

技术领域

本发明属于计算机图形学和土木工程相结合技术领域，特别是涉及一种利用计算机程序对由三棱柱体构造的三维地层进行任意剖分及开挖土方估算的方法。

技术背景

在地层三维可视化中经常需要对地层进行任意剖分，以查看切割面上的地层分布，且在基坑等模拟开挖中需估算土方量。目前对三维地层的剖分大多局限于垂直剖分、水平剖分等特殊剖分，且未对基坑等模拟开挖进行土方估算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三棱柱三维地层的任意剖分方法。

本发明的另一目的在于根据该三棱柱三维地层的剖分方法，提供一种开挖土方估算方法。

为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：

一种三棱柱体三维地层剖分方法，包括如下步骤：

(1)通过平面区域三角网格在竖直方向的投影将地层分界面三角化，利用上下相邻的对应三角形构造三棱柱；

(2)记录空间平面切割地层三棱柱的多边形截面，并将其划分为一个或多个三角形，记为T；

(3)将T沿竖直方向投影，记在三棱柱顶面的投影为T1，在底面的投影为T1′；

(4)将顶面中处于投影区域T1外的区域三角化，记为T2，将T2竖直向底面投影，记投影为T2′；

(5)利用T、T1构造一组三棱柱，T、T1′构造一组三棱柱，T2、T2′构造一组三棱柱。

上述技术方案中，所述地层剖分方法适用于正常三棱柱和/或退化三棱柱，所述退化三棱柱为一条或两条侧棱长度为0。

为了实现发明目的二，采用的技术方案如下：

一种开挖土方估算方法，包括如下步骤：

(21)获得开挖面所处的空间平面，记为A；

(22)利用权利要求1所述三棱柱三维地层剖分方法，以A剖分地层；

(23)统计处于开挖空间内三棱柱，计算其体积和得开挖土方量。

本发明以空间平面切割三棱柱的所有情形分析为依据，实现了三棱柱三维地层的任意剖分，并以此为基础进行了土方开挖估算。此算法同时适用于正常三棱柱与退化三棱柱(一条或两条侧棱长度为0)情形，能同时有效处理正常地层和缺失、尖灭及透镜体等复杂地层的任意剖分与土方估算。

附图说明

图1为本发明的计算方法程序框图；

图2为空间平面切割三棱柱的所有情形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明主要通过计算机软件实现，其计算方法框图如附图1所示，具体步骤如下：

通过平面区域三角网格在竖直方向的投影三角化地层分界面，并构造地层三棱柱，用户可在系统中任意点选三个点构成切割面，根据三个点的坐标可以用三点式求出切割面的平面方程；

计算空间平面切割地层三棱柱的多边形截面，参照简单多边形的三角划分算法将其划分为一个或多个三角形，记为T；

将T沿竖直方向投影，记在三棱柱顶面的投影为T1，在底面的投影为T1′；

将顶面中处于投影区域T1外的区域三角化，记为T2，将T2竖直向底面投影，记投影为T2′；

利用T、T1构造一组三棱柱，T、T1′构造一组三棱柱，T2、T2′构造一组三棱柱，则这3组三棱柱以切割面为分界面排列；

重复上述三棱柱剖分步骤；

判断三棱柱循环是否完毕，从而完成原三棱柱的剖分；

判断空间平面循环是否完毕，如未完毕，则继续循环操作，完毕后则进行土方估算；

根据用户在系统中指定的开挖面和开挖深度，运用上述三棱柱体的剖分算法完成剖分，计算开挖部分的三棱柱体的总体积可得开挖土方量，分层计算得不同地层的开挖土方量，土方量乘单位造价得到土方总造价，结束流程。

图2为空间平面切割三棱柱的所有情形，可按切割面的类型分为3种形式：

1、竖直平面剖分：图2-(1)把原三棱柱剖分成一个三棱柱和一个四棱柱，图2-(2)把原三棱柱剖分成两个三棱柱。

2、水平平面剖分：图2-(3)把原三棱柱剖分成一个四面体和一个三棱柱与一个三棱台的组合，图2-(4)把原三棱柱剖分成两个三棱柱。

3、斜面剖分：可按截面顶点中位于三棱柱顶面的个数分为3类：

3a、截面有两个顶点位于三棱柱顶面，共有图2-(5)～图2-(12)8种相交情形；

3b、截面有一个顶点位于三棱柱顶面，共有图2-(13)～图2-(18)6种相交情形；

3c、截面没有顶点位于三棱柱顶面和底面，此时仅有图2-(19)1种相交情形。

本实施例利用附图2-(10)所示情形，按如下过程以空间平面剖分三棱柱。

首先，将界面多边形GHIJK划分为△GHK、△IJK、△HIK，将它们记为T；然后，将T向三棱柱顶面竖直投影得△GHA、△MNA、△HMA，记为T1，将T向三棱柱底面竖直投影得△PQD、△IJD、△QID，记为T1′；

其次，将顶面剩余区域划分为△BGH和△CMN，记为T2，将T2向底面投影得△FPQ和△EIJ，记为T2′；

最后，利用T、T1构造三棱柱GHKGHA(退化)、HIKHMA(退化)、IJKMNA；T、T1′构造三棱柱GHKPQD、HIKQID(退化)、IJKIJD(退化)；T2、T2′构造三棱柱BGHCMN、CMNEIJ。若此切割面上方为开挖区域，则GHKGHA、HIKHMA、IJKMNA、CMNEIJ的体积和即为此三棱柱所代表的部分地层被挖掉的方量。

本发明应用在东改工程地下环境信息系统(UEEIS)和高速公路空间地理信息可视化管理系统(HSIVS)的研制中。应用过程如下：

1、根据工程单位提供的钻孔柱状图，建立钻孔信息数据库；

2、提取工程所在区域的钻孔坐标数据和土层信息，并对各钻孔的地层信息进行预处理：

2a、将地层主层号与亚层号相结合作为地层层序，即层序＝主层号*10+亚层号，并将地层信息按层深从小到大排序；

2b、计算每个钻孔中各种地层的层顶和层底坐标。

3、在上述钻孔信息预处理的基础上，运用空间插值算法，通过平面区域三角网格在竖直方向的投影将地层分界面三角化，从而建立三维地层：

3a、首先定义工程区域的平面三角网格，确定网格节点的x、y坐标；

3b、根据每种地层在各个钻孔中已知的层顶和层底坐标，通过空间插值算法，求出平面三角网格节点投影在各个地层层面的z坐标；

3c、由于各个地层的层顶面和层底面的三角网格节点的x、y坐标相同，只是z坐标不同，因此可以利用上下相邻的对应三角形构造三棱柱，从而建立工程区域的三维地层；

4、根据用户在系统中指定的切割面，运用三棱柱体三维地层剖分算法实现三维地层的任意剖分。

Claims (3)

1、一种三棱柱体三维地层剖分方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)通过平面区域三角网格在竖直方向的投影将地层分界面三角化，利用上下相邻的对应三角形构造三棱柱；

(2)记录空间平面切割地层三棱柱的多边形截面，并将其划分为一个或多个三角形，记为T；

(3)将T沿竖直方向投影，记在三棱柱顶面的投影为T1，在底面的投影为T1′；

(4)将顶面中处于投影区域T1外的区域三角化，记为T2，将T2竖直向底面投影，记投影为T2′；

(5)利用T、T1构造一组三棱柱，T、T1′构造一组三棱柱，T2、T2′构造一组三棱柱。

2、根据权利要求1所述的三棱柱体三维地层剖分方法，其特征在于适用于正常三棱柱和/或退化三棱柱，所述退化三棱柱为一条或两条侧棱长度为0。

3、一种开挖土方估算方法，其特征在于包括如下步骤：

(21)获得开挖面所处的空间平面，记为A；

(22)利用权利要求1所述三棱柱三维地层剖分方法，以A剖分地层；

(23)统计处于开挖空间内三棱柱，计算其体积和得开挖土方量。

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