CN103279988A - 虚拟城市地上地下集成三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种虚拟城市地上地下集成三维建模方法，包括有以下步骤：基于多源数据的复杂地质体的自动构建；构建地上地下统一的三维数据模型；三维空间数据的动态调度方法。本发明的效果是该建模方法更与实际地层的分布情况拟合，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，提高了城市安全稳定性评价精度。有效提高海量地上地下三维空间数据的动态调度效率，三维场景流畅的显示，提高可视化漫游效果，响应时间＜10秒。该集成三维建模方法解决了目前由于地上与地下模型采用的数据模型、数据结构的不同、空间比例精度的不同导致地上下模型的拼接问题，实现了地上地下三维空间数据统一管理及分析。

Description

虚拟城市地上地下集成三维建模方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟城市地上地下集成三维建模方法。

背景技术

在城市领域，一个大范围、精细的3D空间集成模型不仅可在加强城市基础地质工作、提升数字城市建设水平中发挥标志性作用，还可在改善城市规划与地下空间开发利用现状、提高城市防灾减灾，如城市活断层与地震活动性分析，地铁与基坑开挖过程中的地上下设施冲突分析，以及快速反应的技术水平中发挥重要作用。城市三维地学模拟不仅反映地下结构，同时还要表现地表大量的建筑、景观环境及公共设施，建立地上地下集成的三维环境，从而使工作人员在逼真的城市地质环境中从事各种规划设计、资源管理等研究活动，改变传统的地质研究方式。

目前在三维地学模拟领域，地上与地下简单目标的独立3D建模、地形与地上景观的多分辨率表达等已较成熟，而地上下3D复杂目标几何无缝集成建模、地上下集成模型的多分辨率表达、集成模型的高效更新与高效能空间计算等关键技术还未突破，特别是大范围地上下复杂目标的3D集成建模，由于地上与地下模型采用的数据模型、数据结构的不同、空间比例精度的不同导致地上下模型的拼接问题，仍然是当前国际本领域的前沿课题和研究热点。

随着空间信息技术的不断发展，空间数据获取的方式、空间数据的来源也逐渐增多，面对多传感器多分辨率多时相的卫星、航空、无人机等遥感数据，不断更新的基础地理数据及相关的气象、人文、经济等专题数据，上述多源数据具有不同数据源、不同尺度、不同语义、不同数据质量、不同格式、不同坐标，现有研究往往注重于数据格式的转换，但是由于缺乏对三维空间对象统一的表示模型，难以通过数据转换得到完整的信息，在对数据进行预处理的基础上，采用数据挖掘方法，通过在句法、语义以及模型层面上的三维空间数据无缝集成，实现多源数据的有效整合及各种规模三维场景的高效创建。

针对多源数据集成与处理、体三维建模与可视化、多维数据集成显示等方面，研究以层状分布地质体为主以及断层等复杂地质构造的地质数据模型，实现地层、地质体、建（构）筑物实体集成建模，多专业、多参数、二维三维一体化联动建模。

GOCAD是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，达到了半智能化建模的世界最高水平，具有功能强，界面友好，易学易用，并能在几乎所有硬件平台上（Sun,SGI,PC-Linux,PC-Windows）运行的特点。自1990年左右地质建模软件诞生后，地质建模技术取得了飞速的发展。从最初的简单构造建模，发展到今天复杂构造建模、复杂三维模型网格生成、储层岩石物理属性模型、岩相模型等，可以说以GOCAD为代表的先进地质建模软件大大提高了地质建模的效率和精度，可以满足对复杂地质区域的建模要求。但是GOCAD只是地质三维建模，不能把地表景观模型加载到地质模型上，导致在做城市安全稳定性评价时，不能整体考虑地面环境改变所产生的巨大影响，使得评价结果失真。

Skyline是一套优秀的三维数字地球平台软件。凭借其国际领先的三维数字化显示技术，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景。目前在国内，它是制作大型真实三维数字场景的首选软件。其主要有以下几个优点：一是涵盖了三维场景的制作，网络发布，嵌入式二次开发整个流程；二是支持多种数据源的接入，其中包括WFS，WMS，GML，KML，Shp，SDE，Oracle，Excel以及3DMX，sketch up等，方便信息集成；三是通过流访问方式可集成海量的数据量，它可制作小到城市，大到全球的三维场景；四是飞行漫游运行流畅，具有良好的用户体验；五是支持在网页上嵌入三维场景，制作网络应用程序。但是对地下空间模型的构建的精度和速度较低，尤其是在有复杂地质结构时，模型与实际偏差较大。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种虚拟城市地上地下集成三维建模方法，针对多源数据集成与处理、体三维建模与可视化、多维数据集成显示等方面，研究以层状分布地质体为主以及断层等复杂地质构造的地质数据模型，由于断层两侧高程值的明显差异，提取等值线、剖面、地质图的地质数据特征进行自动识别断层数据，从而在断层面处将整体地质体钻孔数据进行分块。实现地层、地质体、建（构）筑物实体集成建模，多专业、多参数、二维三维一体化联动建模，解决了体三维建模与可视化及多维数据可视化的瓶颈。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种虚拟城市地上地下集成三维建模方法，该方法在微型计算机上以Multigen+OpenFlight为平台，实现地表景观、地形与地下地质体集成建模，该方法包括有以下步骤：

①基于多源数据的复杂地质体的自动构建

案例地区地质的三维建模数据源于地质勘探钻孔数据资料、等值线、剖面、地质图等地质数据，根据断层两侧高程差异判断断层位置，提取等值线、剖面、地质图的地质数据特征进行自动识别断层数据，从而在断层面处将整体地质体钻孔数据进行分块；对复杂地质体的分块地层中的钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据首先进行按地层划分、地层排序和统一编号；地层划分的层数根据钻孔遇到的岩层分界点综合分析获得，根据钻孔所遇到的岩层深度值的关系确定地层的空间顺序关系，进行地层排序；根据所述的地质勘探钻孔数据资料，在钻孔之间进行内插虚拟钻孔，实现辅助建模；然后对已各自分块的地质勘探钻孔数据分别使用克里金插值算法，这样根据插值后的加密钻孔数据，采用Delaunay三角剖分的逐点插入算法生成不含断层的分块的地层面的三维建模；最后在断层面上采用地层厚度趋势面插值拟合的方法，形成含复杂断层的地质体三维模型，与实际地层的分布情况拟合；

②构建地上地下统一的三维数据模型

完成案例地区的地质勘探钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据资料的区域划分和内插值后，采用以地表、地形约束的三维剪贴，即分别对案例地区地形、地上和地下地质体进行混合建模，其中，地质体建模以勘探的实际钻孔控制点数据为参照进行加密建模，再通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以已知钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合建模模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，形成三维场景；

③三维空间数据的动态调度

三维场景中，针对三维场景数据，采用三维地质数据对象自适应缓存管理和预调度策略算法，预先判断观察点的位置和方向，将下一个观察点需要进行绘制处理的场景数据，事先调入到所述微型计算机内存中数据的预取，在微型计算机内外存之间进行动态的数据调度，实现实时交互的漫游功能，系统需要根据用户视点的移动情况以后台方式进行动态的数据调度，以提高场景绘制的连贯性。

本发明的效果是与国内外比较流行的三维地质建模软件GOCAD，Skyline等软件的比较：

虚拟城市地上地下集成三维建模方法采用了对复杂地层进行局部克里金优化插值算法构建含复杂断层的地质体三维模型，与实际地层的分布情况拟合。同时，采用以地表、地形约束的三维剪贴，即分别对地形、地上和地下空间目标进行混合建模，再通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，提高了城市安全稳定性评价精度。针对多源海量空间数据，如果采用某一算法，只针对某一类型数据效果明显，整体数据调度时间长，在三维场景漫游每秒帧数少，显示效果不流畅；该建模方法中数据统一管理分类，针对不同类型的数据采用不同调度优化算法，有效提高海量地上地下三维空间数据的动态调度效率，三维场景流畅的显示，提高可视化漫游效果，响应时间＜10秒。

该建模方法解决了目前由于地上与地下模型采用的数据模型、数据结构的不同、空间比例精度的不同导致地上下模型的拼接问题，实现了地上地下三维空间数据统一管理及分析。

附图说明

图1本发明的地上地下集成三维建模方法中地表景观和地形线框模型；

图2本发明的地上地下集成三维建模方法中地层及钻孔线框模型；

图3本发明的地上地下集成三维建模方法中地上地下集成模型。

具体实施方式

结合附图对本发明的虚拟城市地上地下集成三维建模方法加以说明。

本发明的虚拟城市地上地下集成三维建模方法是分别对地形、地上和地下空间目标进行混合建模，再通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型。地表景观三维模型主要由Creator及3DS Max等辅助软件建立而成；地下空间三维模型的建立过程：首先搜集原始数据，对原始数据预处理，主要包括对钻孔数据分块、分层、加密插值等过程；再根据预处理的钻孔数据利用Delaunay三角网格剖分算法建立复杂地质体的三维模型。采用地质数据对象自适应缓存和预调度策略算法的动态调度方法，提高大规模三维场景的实时可视化效果。

本发明的虚拟城市地上地下集成三维建模方法，该方法在微型计算机上以Multigen+OpenFlight为平台，所述微型计算机的cpu2.0GHz以上、内存2G以上、硬盘空间100G以上、Windows server2003/2008，IIS6及以上版本或更高版本，MS SQL Server2000，实现地表景观、地形与地下地质体集成建模，该方法包括有以下步骤：

①基于多源数据的复杂地质体的自动构建

案例地区的地质数据主要是地质勘探钻孔数据资料、等值线、剖面、地质图等，根据断层两侧高程差异判断断层位置，提取等值线、剖面、地质图的地质数据特征进行自动识别断层数据，从而在断层面处将整体地质体钻孔数据进行分块；对复杂地质体的分块地层中的钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据首先进行按地层划分、地层排序和统一编号；地层划分的层数根据钻孔遇到的岩层分界点综合分析获得，根据钻孔所遇到的岩层深度值的关系确定地层的空间顺序关系，进行地层排序；根据所述的地质勘探钻孔数据资料，在钻孔之间进行内插虚拟钻孔，实现辅助建模；然后对已各自分块的地质勘探钻孔数据分别使用克里金插值算法，这样根据插值后的加密钻孔数据，采用Delaunay三角剖分的逐点插入算法生成不含断层的分块地层面三维建模；最后在断层面上采用地层厚度趋势面插值拟合的方法，形成含复杂断层的地质体三维模型，与实际地层的分布情况拟合。

②构建地上地下统一的三维数据模型

完成案例地区的地质勘探钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据资料的区域划分和内插值后，采用以地表、地形约束的三维剪贴，即分别对案例地区地形、地上和地下地质体进行混合建模，其中，地质体建模以勘探的实际钻孔控制点数据为参照进行加密建模，再通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以已知钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合建模模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，形成三维场景。

③三维空间数据的动态调度方法

三维场景中，针对大规模三维场景数据，采用三维地质数据对象自适应缓存管理和预调度策略算法，预先判断观察点的位置和方向，将下一观察点需要进行绘制处理的场景数据事先调入到所述微型计算机内存中数据的预取，在微型计算机内外存之间进行动态的数据调度，实现实时交互的漫游功能，系统需要根据用户视点的移动情况以后台方式进行动态的数据调度，以提高场景绘制的连贯性。

为了实现实时交互的漫游功能，系统需要根据用户视点的移动情况以后台方式进行动态的数据调度；但是如果等到需要的数据已经进入可视范围时再启动数据调度过程，必然会导致绘制过程的停滞等待，不能满足实时性的要求，因此必须要考虑数据的预取问题。

所述自适应缓存管理为采用基于三维空间数据内容的多级缓存机制，所述多级缓存机制即根据三维空间数据的内容分别建立多个缓存池，并在计算机内外存、显存多个层次建立数据缓存和应用缓存。

所述数据预取为将整个场景按照地域覆盖范围做规则分割，分割的粒度的确定需要综合考虑单位区域平均空间数据量、内存大小、数据传输速度及应用要求；假设视点落入分割后的某一单元内，将观察者的朝向角度等分为确定的几个区间，如4个90度角，对于每个区间，在预处理阶段计算需要预取的数据并保存计算结果，该结果覆盖了此单元内当前朝向所有视点对应预取数据内容的并集；在实现漫游功能时，利用系统返回的当前观察参数进行判断，当视点将要进入某个单元的某个朝向区间时，则启动数据预取过程，按照己经计算好的调度数据索引读入相关数据。

①案例数据为天津城建大学校园扩建工程资料，由于案例地区属于滨海平原地貌，地质多以简单层状地层分布为主。为实施复杂地质三维建模，地质建模实施数据以新校区勘探数据资料为主，在此数据基础上自定义断层数据。具体实施过程如下：复杂地质模型构建

案例地区地质体建模数据以地质勘探钻孔数据资料为主，等值线、剖面、地质图等地质数据辅助建模，如图2所示。建模使用地质勘察钻孔数据点共124个，最低勘探点标高介于-0.01～-2.53m之间。以案例地区南北向中线为界，设置所在南部区域的所有钻孔数据坐标Y方向加5米，且高程Z降3米，从而作为自定义断层数据。建模步骤如下：

首先，判断断层位置。提取地质数据特征进行自动识别断层数据，从而在断层面处将整体地质体钻孔数据进行分块。即案例区域设置高断层点和低断层点两个集合，对所有已知数据高程点进行遍历搜索，以阈值进行划分，其中阈值1控制Y值，阈值2控制Z值，得到所需断层分块区域。

其次，对各分块地层进行地层划分、地层排序和统一编号；根据案例地区地质情况以成因年代和岩土类别划分，将地层模型分为13层。

再次，构建虚拟钻孔及地质模型。对已各自分块的地质勘探钻孔数据分别使用克里金插值算法，加密钻孔数据，生成分块的地层三维模型；最后采用Delaunay算法建立断层面，建立含复杂断层的地质体三维模型，与实际地层的分布情况拟合。

②地上地下集成三维模型构建

案例地区三维地表模型构建，以地表、地形约束的三维剪贴，确定地表变化趋势面，以此面为基准，以天津城建大学校区地形图、建筑AutoCad图以及场景照片为数据源，以Creator为主、3DS Max辅助建立地表景观模型与建筑模型，如图1所示。地表模型与地质模型集成，采用以地表、地形约束的三维剪贴，即分别对案例地区地形、地上和地下地质体进行混合建模，其中，地质模型通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以已知钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合建模模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，形成三维场景。如图3所示。

③三维空间数据的动态调度

三维场景中，模型数据量巨大。为解决数据量的增加给系统实时运行带来的负担，采用三维地质数据对象自适应缓存管理和预调度策略算法，预先判断观察点的位置和方向，将下一观察点需要进行绘制处理的场景数据事先调入到所述微型计算机内存中数据的预取，在微型计算机内外存之间进行动态的数据调度，实现实时交互的漫游功能，系统需要根据用户视点的移动情况以后台方式进行动态的数据调度，以提高大规模三维场景的实时可视化效果。

Claims (4)

1.一种虚拟城市地上地下集成三维建模方法，该方法在微型计算机上以Multigen+OpenFlight为平台，实现地表景观、地形与地下地质体集成建模，该方法包括有以下步骤：

①基于多源数据的复杂地质体的自动构建

案例地区地质的三维建模数据源于地质勘探钻孔数据资料、等值线、剖面、地质图的地质数据，对复杂地质体的分块地层中的钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据首先进行按地层划分、地层排序和统一编号；地层划分的层数根据钻孔遇到的岩层分界点综合分析获得，根据钻孔所遇到的岩层深度值的关系确定地层的空间顺序关系，进行地层排序；根据所述的地质勘探钻孔数据资料，在钻孔之间进行内插虚拟钻孔，实现辅助建模；然后对已各自分块的地质勘探钻孔数据分别使用克里金插值算法，这样根据插值后的加密钻孔数据，采用Delaunay三角剖分的逐点插入算法生成不含断层的分块的地层面的三维建模；最后在断层面上采用Delaunay三角剖分的逐点插入算法插值拟合构建断层面的方法，形成含复杂断层的地质体三维模型，与实际地层的分布情况拟合；

②构建地上地下统一的三维数据模型

完成案例地区的地质勘探钻孔资料、等值线、剖面、地质图的地质数据资料的区域划分和内插值后，采用以地表、地形约束的三维剪贴，即分别对案例地区地形、地上和地下地质体进行混合建模，其中，地质体建模以勘探的实际钻孔控制点数据为参照进行加密建模，再通过混合建模的公共集合模型——约束Delaunay三角网，以已知钻孔控制点的空间坐标为参照，将上述混合建模模型两两集成起来，实现地上与地下空间目标的无缝集成3D模型，形成三维场景；

③三维空间数据的动态调度

三维场景中，针对三维场景数据，采用三维地质数据对象自适应缓存管理和预调度策略算法，预先判断观察点的位置和方向，将下一个观察点需要进行绘制处理的场景数据，事先调入到所述微型计算机内存中数据的预取，在微型计算机内外存之间进行动态的数据调度，实现实时交互的漫游功能，系统需要根据用户视点的移动情况以后台方式进行动态的数据调度，以提高场景绘制的连贯性。

2.根据权利要求1所述的虚拟城市地上地下集成三维建模方法，其特征是：所述自适应缓存管理为采用基于三维空间数据内容的多级缓存机制，所述多级缓存机制即根据三维空间数据的内容分别建立多个缓存池，并在所述计算机内外存、显存多个层次建立数据缓存和应用缓存。

3.根据权利要求1所述的虚拟城市地上地下集成三维建模方法，其特征是：所述数据预取步骤：即将步骤③三维场景按照地域覆盖范围做规则分割，分割的粒度的确定需要综合考虑单位区域平均空间数据量、内存大小、数据传输速度及应用要求，具体操作是先设定视点落入分割后的某一单元内，将观察者的朝向角度分为确定的4个90度角区间，对每个区间计算需要预取的数据并保存计算结果，所述计算结果覆盖了此单元内当前朝向所有视点对应预取数据内容的并集；在实现漫游功能时，利用系统返回的当前观察参数进行判断，当视点将要进入某个单元的某个朝向区间时，则启动数据预取过程，并调度数据索引读入数据。

4.根据权利要求1所述的虚拟城市地上地下集成三维建模方法，其特征是：所述微型计算机的cpu2.0GHz以上、内存2G以上、硬盘空间100G以上、Windows server2003/2008，IIS6及以上版本，MS SQL Server2000。

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