CN104008147A - 三维地质结构模型多体索引构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了三维地质结构模型多体索引构建方法，包括：使用横向切分R树索引生成多地质体R树索引；根据如下步骤为每个地质单体构建LOD模型，其中，单体LOD模型包括主干TIN，简化序列和八叉树索引：使用渐进格网的边折叠简化方法对地质单体的TIN面进行逐层简化处理，每一次边折叠简化操作形成一个简化序列；简化后的地质单体由主干TIN网格和简化序列构成，其中，主干TIN网格是地质单体简化后的最简网格；使用八叉树索引对生成的简化序列进行索引，定位需要的简化序列；由多地质体R树索引和多个单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。采用本发明能够解决现有技术中结构模型的可视化与分析带来巨大的实时高效处理的负担的问题。

Description

三维地质结构模型多体索引构建方法

技术领域

本发明涉及三维地质模型数据管理领域，特别是涉及一种三维地质结构模型多体索引构建方法。

背景技术

三维地质结构结构模型是由多个地质体无缝拼合在一起，每个地质体由不规则三角网封闭成一个完整的几何面。在城市地质多元数据可视化过程中，往往需要将不同专题的结构模型，比如基岩和新生界地层，进行耦合显示。对于一个研究区的结构模型，可能有成千上万个地质体构成，同时每个地质体又有数以万或者十万记的三角形构成。这些数据量往往还随着建模的精度和显示效果成倍增加，尤其是地质体的三角形个数，随着显示效果追求光滑过度，每次进行模型光滑(比如经典Butterfly算法)其三角形个数增加4倍。这对于整个研究区结构模型的可视化与空间分析带来巨大的实时高效处理的负担。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三维地质结构模型多体索引构建方法，以及对所构建的三维地质结构模型进行有效数据组织和管理的方法。

基于本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种三维地质结构模型多体索引构建方法，所述三维地质结构模型由多个地质体构成，其中每个地质体称为地质单体，由不规则三角网TIN构成，所述方法包括：

步骤A、使用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，其中，所述多地质体R树索引能够用于获取所述三维地质结构模型中某一位置或查询区域内的地质体；

步骤B、根据如下步骤为每个地质单体构建多分辨率层次细节LOD模型其中，所述单体LOD模型包括主干TIN，简化序列和八叉树索引：使用渐进格网的边折叠简化方法对所述地质单体的TIN面进行逐层简化处理，每一次边折叠简化操作形成一个简化序列；简化后的地质单体由主干TIN网格和简化序列构成，其中，所述主干TIN网格是所述地质单体简化后的最简网格；使用所述八叉树索引对生成的所述简化序列进行索引，定位需要的简化序列；

步骤C、由所述多地质体R树索引和多个所述单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。

可选地，所述多个地质体无缝拼合在一起形成所述三维地质结构模型，并且每个地质单体由不规则三角网封闭成一个完整的几何面，相邻地质单体之间存在几何面重叠现象。

可选地，上述方法还包括：

所述多地质体R树索引利用所有索引信息驻留内存的静态R树索引。

可选地，上述方法还包括：

采用内存池和对象编序方式，对所述静态R树索引的内存碎片进行优化处理，以及加强外存持久化。

可选地，上述方法还包括：

利用定量评价指标对所述静态R树索引的效果进行评价；

根据评价结果选择使用X、Y、Z中的一个方向作为横向切分的主方向。

可选地，在所述步骤B中，采用可控序列的边折叠条件作为构建地质单体格网简化的边折叠条件，通过这个条件构建的简化序列选择其中任意部分有序简化序列的进行顶点分裂，能够从主干TIN复原原始精细网格。

可选地，在所述步骤B中，所述渐进格网为多层渐进网格，且所述多层渐进网格根据如下步骤生成：

根据多分辨率模型的层数，依据所述任意部分序列的简化条件以及根据不同的简化控制误差δi，逐层简化生成。

可选地，所述多层渐进网格根据如下步骤生成：

设置最大简化层次，其中，所述最大简化层次由最大分辨率MaxDepth确定；

判断当前处理的层次的分辨率是否小于所述最大分辨率；

若是，则对简化格网做进一步的简化处理；

若否，则停止处理，形成所述多层渐进网格。

可选地，所述多层渐进网格间通过简化序列联系，利用所述简化序列简化恢复上一层网格。

基于本发明的另一个方面，本发明实施例还提供了一种对上述任一项所构建的三维地质结构模型进行有效数据组织和管理的方法，利用所构建的三维地质结构模型对大规模海量三维地质结构模型数据的文件或者数据库存储管理，所述方法包括：

根据精度需要和视点位置，在时间阈值内从所述文件或者数据库存储管理的数据中获取不同精度的地质模型数据；

利用获取的地质模型数据进行地质分析和绘制。

在本发明实施例中，利用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，多地质体R树索引模型能够用于获取所述三维地质结构模型中的某一位置或查询区域内的地质体。其中，使用多地质体R树索引模型能够快速定位需要处理的地质体，节省时间资源，且R树能够满足三维地质体不规则分布、形状多样等特点。进一步，利用渐进网格对定位的每个地质单体构建单体LOD模型，其中，单体LOD模型包括主干TIN、简化序列和八叉树索引。渐进网格实质是三角网的增量模型，能很好的保留原始格网的信息，并能很好解决单体内不同分辨率交接处三角形显示不一致的问题。因此，采用渐进网格能够解决现有技术中不同层次的三角网之间接缝不一致的问题，能够直接对TIN内的三角形构建多分辨模型。在渐进网格对地质单体构建单体LOD模型之后，采用八叉树索引渐进网格生成的简化序列，八叉树的优势在于能够根据当前视景体信息快速获取地质体某一部位三角网信息，满足实时数据调度的需要。然后，由多地质R树索引和多个单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。因此，采用本发明能够解决现有技术中结构模型的可视化与分析带来巨大的实时高效处理的负担的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的三维地质结构模型的多体索引模型建立方法的处理流程图；

图2示出了根据本发明一个实施例的地质体的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的多地质体R树索引模型的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的特定对象包含于多个结点的示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的当断层被分割为三个不同的小外包的示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的内存池方式管理内存中的三维R树结构的示意图；

图7示出了本发明一个实施例的index与对象的地址或者位置描述信息的映射关系的示意图；

图8示出了根据本发明一个实施例的单体示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例的单体TIN的多层PM构建流程图；

图10示出根据本发明一个实施例的整个格网简化与索引构建的过程的示意图；

图11A-C示出了根据本发明一个实施例的北京大剧院地下工程的工程地质部分数据简化效果图，其中，图11A为原始模型，图11B为简化两次后的模型，图11C为简化4次后的模型；以及

图12示出了根据本发明一个实施例的三维地质结构模型的多体索引模型建立装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为解决上述技术问题，本发明实施例以结构模型的可视化与空间分析为出发点进行分析。现有技术中，当进行可视化和空间分析处理时，对于大规模数据的策略主要是分块、外存模型、多分辨率和LOD三维空间索引等。结构模型的索引模型就是根据结构模型这种既有多个地质体构成，又有大量不规则三角网组成单体的特点，考虑对单个地质体TIN网进行简化生成多分辨率模型和对整个研究区所有地质体构建索引模型。

从上述分析可以看出，基于TIN的结构模型的索引主要需要解决以下两个关键问题：

1、三维多体空间索引模型的构建；

2、单体模型的TIN多分辨模型LOD表达与组织。

对于多体索引模型，考虑到地质中三维地质体有以考虑到地质中三维地质体有以下几个特点：

(1)地质体一般层状分布；

(2)地质体的厚度较小，相对于x,y方向比较薄；

(3)地质体的形状多种多样，极不规则；

(4)地质体的空间分布多样，有的地质体可以覆盖全区，有的只占据很小一个空间。同时在可视化过程中，需要快速定位哪些地质体在视景体内部。

对于地质单体由大量三角形构成，这是可视化不能实时处理的最根本症结所在，所以必须构建多分辨的模型来进行多层次不同细节的数据调度与绘制，并保证处理不同层次的三角网之间接缝一致。

基于上述分析，本发明实施例提供了一种三维地质结构模型多体索引构建方法。具体地，三维地质结构模块由多个地质体构成，其中每个地质体称为地质单体，由不规则三角形(TIN)构成。图1示出了根据本发明一个实施例的三维地质结构模型多体索引构建方法的处理流程图。参见图1，该方法至少包括步骤S102至步骤S106：

步骤S102、使用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，其中，所述多地质体R树索引能够用于获取所述三维地质结构模型中某一位置或查询区域内的地质体；

步骤S104、根据如下步骤为每个地质单体构建多分辨率层次细节LOD模型，其中，所述单体LOD模型包括主干TIN，简化序列和八叉树索引：使用渐进格网的边折叠简化方法对所述地质单体的TIN面进行逐层简化处理，每一次边折叠简化操作形成一个简化序列；简化后的地质单体由主干TIN网格和简化序列构成，其中，所述主干TIN网格是所述地质单体简化后的最简网格；使用所述八叉树索引对生成的所述简化序列进行索引，定位需要的简化序列；

步骤S106、由所述多地质体R树索引和多个所述单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。

在本发明实施例中，利用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，多地质体R树索引模型能够用于获取所述三维地质结构模型中的某一位置或查询区域内的地质体。其中，使用多地质体R树索引模型能够快速定位需要处理的地质体，节省时间资源，且R树能够满足三维地质体不规则分布、形状多样等特点。进一步，利用渐进网格对定位的每个地质单体构建单体LOD模型，其中，单体LOD模型包括主干TIN、简化序列和八叉树索引。渐进网格实质是三角网的增量模型，能很好的保留原始格网的信息，并能很好解决单体内不同分辨率交接处三角形显示不一致的问题。因此，采用渐进网格能够解决现有技术中不同层次的三角网之间接缝不一致的问题，能够直接对TIN内的三角形构建多分辨模型。在渐进网格对地质单体构建单体LOD模型之后，采用八叉树索引渐进网格生成的简化序列，八叉树的优势在于能够根据当前视景体信息快速获取地质体某一部位三角网信息，满足实时数据调度的需要。然后，由多地质R树索引和多个单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。因此，采用本发明能够解决现有技术中结构模型的可视化与分析带来巨大的实时高效处理的负担的问题。

在本发明实施例中，需要处理的地质体或定位的地质体存在如下地质关系：多个地质体无缝拼合在一起形成所述三维地质结构模型，并且每个地质单体由不规则三角网封闭成一个完整的几何面，相邻地质单体之间存在几何面重叠现象。即，地质体中不同单体间存在公共面。每个单体表面顶点部分为地质采样点。图2示出了根据本发明一个实施例的地质体的结构示意图。参见图2，地质体分为A、B、C三个区域。现对图2中的地质体进行划分。其中，A区域可以划出R1、R3、R4三部分，B区域可以划出R2、R5两部分，C区域可以划出R2、R5两部分。根据图2的划分状态为地质体生成多体索引模型，该模型包括叶结点和中间结点，以及不同结点间的连接关系。图3示出了根据本发明一个实施例的多地质体R树索引模型的示意图。

参见图3，R树由中间结点和叶结点组成，中间结点存储其空间划分的最小外包(即图2中的长方体)和孩子结点指针，叶结点存储的是空间对象的最小外包和对象地址。空间对象都存储在叶子结点，每一个对象需要有一个唯一的标识。通过这个唯一的标识可以查找到空间数据所在的叶结点与其所在的具体位置。

叶结点的形式描述如下：RLeafNode(I，Object-Identifier)。Object-Identifier是地质体对象的地址，地质体在已经位于内存时，其指向地质体对象的内存地址，在外存则指向对象的位置；I＝(I0，I1，I2…，IN)表示对象的外包，它是一个N维的边界矩形(N＝3)I0，I1，I2…，IN表示各点的坐标；

中间结点形式描述如下：RNode(I，Child-Pointer)。Child-Pointer是指向下一层结点的指针；I是该结点空间外包，由下一层所有结点的外包拼合求得的最小空间划分。

参见图3，R树位于整个结构模型索引的上层，R树的结构说明了各结点空间外包的包含与重叠关系，其叶子结点指向具体的地质体对象。

本发明实施例提供的适合地质结构模型对象分布特点的横向切分R树索引，其整体性能优于传统R树。R树评价指标可以用来探讨地质体不同的分布对查询性能的影响，一定程度上能反映横向切分R树的检索性能。

其中，值得说明的是，多地质体R树索引可以利用所有索引信息驻留内存的静态R树索引。并且，可以采用内存池和对象编序方式等处理手段，对静态R树的索引的内存碎片进行优化处理，以及加强外存持久化性能。在实施时，可以利用R树评价指标中的定量评价指票对静态R树索引的效果进行评价，进而根据评价结果选择使用X、Y、Z中的一个方向作为横向切分的主方向。

横向切分R树索引生成算法是根据地质体一般层状分布、横向延伸大和纵向延伸小(厚度薄)的特点提出来的，现对横向切分R树索引生成算法进行具体说明。

假设在K维空间中有N个对象的外包，M是R树结点的最大容量，m＝M/2，则STR算法(即横向切分R树索引生成算法)生成静态R树的过程如下，包括步骤S1至步骤S2。

S1：用外包中心点x坐标对数据外包排序，用个垂直切片切割数据空间，使得每个切片包含S个结点和S·M个外包(最后一个切片会少S·M个外包)；

S2：在每一个垂直切片中，用外包中心点y坐标对数据矩形排序，每M个外包一组依次压入结点；

Recursive：将S2得到每个切片返回S1，这样自下而上，一次一层，递归生成整个R树。

综上可知，本发明实施例应用横向切分R树索引生成算法生成静态R树，树的高度为O(logmN/m)，空间占用为其检索性能为NLogm(N)。

从上文静态R树的定义可以看出，R树结构的空间利用率和结点重叠对检索性能有较大影响。然而结构模型中有一些特殊的地质对象，外包范围与其他地质体重叠区域太大，会对整个R树索引检索性能有较大影响。对于这类地质对象需要进行特殊的处理。

考虑到地质现象是非常复杂的，具体处理必须根据实际数据特点分析处理，消除由于地质体外包过于重叠造成的索引检索性能下降。本发明实施例主要介绍如何处理如下情况：

断层型地质对象主要是指破坏地质体原始层位关系，通常与地层等形成交叉关系的地质类对象，比如断层、岩墙等。这类对象狭长，但其通过长方体(六面体)表达的外包却非常大，存在与其他地质对象大量重叠的现象。

断层型地质对象的处理思想是减少重叠。借鉴R+树的处理策略，采用对象分割技术，将其外包分割成多个小的单元，将这些小的单元作为新的对象参与整个R树的构建，可以避免兄弟结点的重叠，当然这个特定对象会包含于多个结点之中，图4示出了根据本发明一个实施例的特定对象包含于多个结点的示意图。继续划分，当断层被分割为三个不同的小外包后，重叠区明显减少了。由于地层主要以层状分布为主，对象分割时采用相邻地层“错断”法，断层被相邻地层的“断为”3个部分。图5示出了根据本发明一个实施例的当断层被分割为三个不同的小外包的示意图。

本发明关于断层地质对象的处理方法解决了大量重叠问题，但同时也带来了冗余存储，会增加树的高度，从而降低查询性能。因此，对象分割不能大量使用，仅针对有限的断层型地质对象。

上文提及，可以采用内存池和对象编序方式等处理手段，对静态R树的索引的内存碎片进行优化处理，现对静态R树索引进行详细分析。

首先介绍静态R树索引的内外存模式。实际应用中，根据地质特点和可视化需要，考虑到一个研究区三维地质体个数和可视化过程中范围的限制，没有必要进行频繁的磁盘访问来获取地质体的位置信息。因此，为了降低I/O时间，提高查询的总体效率，本发明实施例将三维R树索引看作是静态索引，与传统动态R树的区别在于在内存中管理地质体对象。但使用静态R树索引往往会出现两个问题：内存碎片和外存持久化。

现分别对静态R树索引的两个问题及其解决办法，进行详细说明。

(1)内存碎片以及解决方法——内存池

内存碎片主要在静态R树结构的建立过程中，尤其在插入与分裂结点过程中，需要为结点动态分配和释放内存造成。大量的动态分配内存不仅造成内存碎片而且严重影响系统的性能。

针对这一问题，本发明实施例采用内存池模式来管理内存中的三维R树结构。图6示出了根据本发明一个实施例的内存池方式管理内存中的三维R树结构的示意图。本例中，按照需建立空间索引的空间对象的总数和三维R树每个节点可存储的最大记录数，估计所需的最大内存空间。参见图6，当程序需要一个新对象，就在内存池中选择一个未被使用的对象初始化并使用。当R树建立时，从内存空间获取和归还内存。当内存池空了的时候为了避免新对象申请失败，可以再向系统动态申请新的内存空间。采用内存池模式来对三维R树索引进行管理，避免出现内存碎片，从而能够在较少内存中存储更多对象，减少了三维R树索引的整体内存需求。而且由于内存分配和归还很快，从而可显著提高查询效率。

(2)外存持久化与解决方法——对象编序

在内存池模式的支持下，整个三维R树可以在内存中动态地生成、查询和销毁，从而将三维静态R树索引扩展为有效的内存索引类型。但当所有的地质对象都已经不在更新，而且已经有效的保存在外存时，而静态R树却不能保存在外存，因为只有在地质体对象进入内存并被分配好内存地址，才能使用R树。这时三维静态R树仅仅作为临时索引被使用，需要在内存中不断的被创建，消耗大量的时间，也没有体现其静态、持久化的特点。

造成不能外存持久化最主要原因是内存中地质体对象的指针是动态分配的，不同状态下是变化的。为此，本实施例提供对象编序的方法来解决这一问题，使得R树“一次构建，持久使用”。对象编序就是为每一个地质体对象分配一个唯一可识别的序号index，序号index的范围[1…N]，N是结构模型中地质对象的个数。这个序号不同于对象的ID，因为在多元数据处理系统中对象的ID基本是没有连续规律的。

通过对象编序的方法是：通过R树叶子结点记录地质体对象的序号(index)，然后通过对象映射容器获得具体的对象指针。

其中，对象映射容器定义为Map<Index，GeoObject>，将对象序号index与对象的地址或者位置描述信息建立一一映射关系。图7示出了本发明一个实施例的index与对象的地址或者位置描述信息的映射关系的示意图。其中，图7的(a)部分为非线性的映射关系，而图7的(b)部分为线性的映射关系.通过映射关系获取对象是需要花费查找时间的，根据应用需要以及计算机内存限制，可以采用红黑树、B树等方法来减低查找的时间损失。

本实施例中，采用对象顺序表(如图7)建立对象序号index与对象的地址之间的关系，并要求地质体对象已经全部位于内存内。对象顺序表定义为：ObjectLinear[1…N]，ObjectLinear内每个元素指向一个地质体，其查找的时间效率为O(1)，空间复杂度为O(N)。

采用对象顺序表主要考虑到可视化范围内以及可控精度内，地质结构模型地质体个数是非常有限的(小于1万)，完全可以在内存中处理地质体对象，在结构模型的实时绘制中，可以大大提高地质体查询效率。

因此，通过地质体对象编序能够将一棵静态R树全部存储到外存。在整个结构模型绘制开始阶段，首先导入多体静态R树索引模型，然后将每个导入生成的地质体对象指针记录在ObjectLinear相应位置，从而避免了实时构造R树造成的预等待时间损耗。

综上所述，由于内存访问远高于外存读取，因此通过静态R树的内存与外存管理为可视化过程的数据访问提供了快速支持。这时，整个R树获取地质体的效率主要集中在R树的生成对整个R树检索的影响上。

本文中多体静态R树基本能在内存中管理地学对象，因此R树结构的空间利用率和结点重叠是衡量结点被访问和检索路径分支多少的主要参考。基于此考虑，本实施例设计了多体静态R树检索评价指标。具体定义如下：

假设有N个地质体，M是R每个结点的最大记录数，m是其最小记录数。

(1)深度Height：最大深度为[log_mN]-1，R树的深度,决定检索路径的长度。

(2)结点空间划分比： $\mathrm{Mv}=\frac{1}{T-1}\underset{t=2}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{ANode}\left(t\right)}{\mathrm{ANode}\left(1\right)}(T>1),0<\mathrm{Mv}<1.$

其中，ANode(t)是结点的外包体积，T为所有结点的总数；ANode(1)是根结点的外包体积，表示整个结构模型覆盖研究区的最小范围，所有R树结点外包都被包含在此范围内。Mv表征了结点的聚集程度，Mv越小表明划分后空间体积和越小，结点聚集度高，空白区域少，检索性能就越好。

(3)重叠区体积比：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{overlap}}=\frac{1}{T-1}\underset{T=2}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{s\&NotEqual;t}{\overset{S}{\underset{s=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}f\left(t\right)\&times;\frac{\mathrm{ANode}\left(t\right)\&cap;\mathrm{ANode}\left(s\right)}{\mathrm{ANode}\left(1\right)}(T>1)$

其中，S表示当前结点Node(t)的兄弟结点个数；∩计算结点Node(t)与其兄弟结点Node(s)的重叠体积；f(t)是当前结点的层级权重，表示结点所在树的层次对整个树检索路径的影响程度，一般处于距离根结点越近的高层结点之间重叠越少，那么检索路径的分支就越少，位于同一层次的中间结点f(t)可以取值为当前层的倒数。

η_overlap越大表明树内结点的重叠越大，增加检索的路径，降低检索性能；反之，树的结构对于查询性能更为合理。

(4)平均最多访问次数： $\mathrm{AverMpath}=\frac{1}{N}\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Mi}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Visit}}_n^i\left(j\right)(N>0)$

表示将N个地质体对象外包都作为域查询条件，所有与地质体外包相交的结点个数的平均值。AverMpath的计算是一个从根结点开始，递归向下访问的过程，也表示平均遍历每一个地质体所要经过路径的最大数目。

其中，Mi表示第i层结点个数，H为树的高度，

以上指标与检索输入条件无关。在具体测试分析根据输入条件统计结点被访问次数(外包比较次数)也是一个很重要的最直接评价指标。

说明：本实施例的R树评价方法是一个全树分析模型，主要针对本文内存管理的静态R树索引，这里没有深入分析其是否适合外存或者带缓存的R树。

由上述分析可知，本发明实施例提供的多体R树的检索评价方法适合高维不规则分布的数据，易于结合行业数据的特点进行扩展。并且，从上面评价指标结果和查询测试结果可以看出，STR树具有以下特点：

A.整体性能优于传统R树。

B.尽管选取坐标轴X、Y、Z的顺序不同，对查询性能有一定影响，但影响不大。

C.本实施例设计的R树评价指标一定程度上能反映STR树的检索性能。

步骤S104中提及利用渐进网格对每个地质体构建单体LOD模型。具体地，结构模型中的单体有两个特点：一是地质体之间存在空间相邻关系，即地质体之间存在公共面；二是地质体表面顶点一部分是地质采样点(主要是钻孔信息点)构成。

如果直接采用渐进网格的简化算法对构成地质体的三角形构建LOD模型会造成两个问题：一是由于不同的地质体简化过程不一样，会造成地质体公共面显示不一致，同一个共用面，由于每个体对简化顺序的定义不同就会导致公共面在单独简化后不在一致；二是简化后的TIN数据删除了一些地质采样点数据，这样导致钻孔或者剖面与地质体一体化显示时，结合点(采样点位置)不一致。所以直接使用渐进网格的简化算法不仅会破坏地质体之间的空间拓扑关系；而且简化后的面不包含原始地质采样点，在多元数据融合显示中造成数据空间信息不一致。

为解决上述技术问题，本发明实施例提出步骤S104，不使用渐进网格的简化算法，而是使用渐进网格对其进行单体LOD构建。现分多个步骤对构建过程进行说明。

第一步：提出了可控序列的边折叠条件

可控序列的边折叠条件是构建单体LOD模型的格网简化边折叠条件。通过这个条件构建的简化序列可以选择其中任意部分序列的进行顶点分裂和折叠操作，而不会造成格网混乱，保证对格网任意局部位置不同精度的表达。通过这个条件构建的简化序列选择其中任意部分有序简化序列进行顶点分裂，能够从主干TIN复原原始精细网格。

其中，格网简化边折叠条件满足如下条件：单体与其他单体的相邻边界线和非相邻边界线的顶点能够分别进行折叠，以使不同单体的简化保持一致。随后，根据格网简化边折叠条件对单体进行折叠，生成主干TIN，以及将主干TIN的生成过程记录为简化点信息。以单体为例，具体的，格网简化边折叠条件包括：与单体的顶点相关联的边为非折叠边，且除折叠边顶点外的其余两个顶点不能够从当前网格删除。

图8示出了根据本发明一个实施例的单体示意图。在图8中，记折叠边为Edge(v1,v2)，v1、v2是该边两个端点，v1是折叠后的保留点，v2是折叠要删除的点；f1、f2是共用该折叠边的三角形，P1、P2分别是它们除v1v2外、的顶点。当进行Edge边折叠后，设置如下折叠法则：

(1)Q(v1)＝无效值；

(2)标记P1，P2为不可删除点(折叠)。

法则中Q(v1)无效的含义是与顶点v1相关联的边不可能做折叠边，而不可删除点的含义是该顶点不能从当前格网删除，边折叠时只能删除没有被标记的顶点。

此法则还说明v1只可能在一个简化序列记录内；当前层处理过程中，v1、P1、P2将一直保留在的格网内；两个被标记为不可删除顶点不可能构成折叠边。Q(v1)无效使得简化过程中，不会造成与v1大量的边关联。

第二步：多层PM的构建算法

传统PM的构建，根据顶点的重要度Q(v)构建二叉排序树等层次结构，逐个顶点简化。本发明实施例根据研究问题的特点，设定了边折叠条件，提出多层渐进网格(PM)的构建算法。

多层渐进网格的生成就是根据设置构建LOD模型的层数，依据可控序列的简化条件以及根据不同的简化控制误差δi，逐层简化生成多分辨网格。多层渐进网络主要针对多体模型，可以处理可控序列的简化以及多分辨率的格网简化，应用于视点相关的多分辨绘制。图9示出了根据本发明一个实施例的单体TIN的多层PM构建流程图。

单体TIN的多层PM构建实质上是建立不同分辨率的格网骨架(即前文提及的主干TIN)以及格网骨架层次之间的简化序列(即前文提及的简化点信息)联系。因此，参见图9，首先设置一个最大简化层次(即最大分辨率MaxDepth)和每层简化控制误差δi(由Q(v)统计得出)，然后只要处理的层次小于最大分辨率，就将简化格网做进一步的简化处理，最后形成多层的格网骨架。

不同层的格网骨架通过简化序列联系，可以通过此序列简化或者恢复上一层的网格。同时为了可以根据视点选择不同层次的格网进行绘制，对简化序列进行八叉树索引，使能快速定位需要的简化信息。最终简化的多分辨单体LOD模型由最简TIN格网骨架(即主干TIN)和能够逐层恢复格网的简化序列、八叉树索引构成。

下面重点介绍每一层的简化处理过程。

需要先计算各顶点的Q(v)，并对其排序。根据边折叠法则对相邻边界线和非相邻边界线的顶点能分别进行边折叠，使得多体的简化一致。处理时不能让相邻边界线被简化后三角形跨越。因此主要分为三步，第一步是对相邻边界线进行处理，第二步是对非相邻边界线进行处理，前两步处理后续后生成简化序列，因此，第三步是对简化序列的处理(重点在于为其生成八叉树索引)。现分别对这三步进行详细说明。

第一步：相邻边界线的处理

MGSimplifyY(TIN,Q)

{

WHILE FindCollapsedEdgeY(v1,v2)//只查找相邻边界线上的顶点

{

CollapseEdge(v1,v2)

}

}

第一步处理完毕后，将相邻边界上所有的点，Q(v1)＝无效值，第二步处理时不跨越相邻边界线。

第二步：非相邻边界线的处理

MGSimplifyN(TIN,Q)

{

WHILE FindCollapsedEdgeN(v1,v2)

{

CollapseEdge(v1,v2)

}

}

其中，查找折叠边函数FindCollapsedEdge

从顶点Q(v)有序记录数组Q，找出当前Q(v)最小的顶点v1，然后包含v的边中QEdge(v1，v2)最小的边作为当前折叠的边。如果v1被标记为不可删除点，v2必须是可删除点。

BOOL FindCollapsedEdge(v1，v2)

{

STATIC CurIndex//有序记录数组Q内，当前有效的最小Q(v)顶点所在位置

v2＝NULL

WHILE v2＝＝NULL

{

V1＝Q[CurIndex]

FindEdge(v1,v2)//如果v1被标记为不可删除点，v2必须是可删除点

//Q(v1)+Q(v2)的和最小

CurIndex指向Q下一个有效的位置

}

IF v1and v2都有效 return True

IF v1or v2无效 return Flase

}

边折叠具体函数CollapseEdge完成维护可控序列条件和实施边折叠，其伪代码：

CollapseEdge(v1,v2)

{

//v2是被删除点，v1是折叠点，满足

IF Q(v2)<Q(v1)

OR

顶点v1被标记不能删除(折叠)，如采样点

//可控序列的边折叠条件

Q(v1)＝无效值  //顶点v1已经在简化序列，不可再做折叠点

MarkVertex(f1,f2,v1,v2)  //标记为不可删除点(折叠)

Record(v1,v2)  //构建简化记录信息，并添加到简化序列；序列加入八叉树索引结点

Remove(f1,f2)  //删除包含折叠边的两个三角形

Remove(v2)  //删除折叠边的顶点

ModifyVertexID(T,n)  //更新受影响的三角形

}

现分上述多层PM构建算法进行简单分析：

设：N是原始格网的顶点个数，M是格网内顶点的最多入度(与顶点相关联边的个数)；NB是相邻边界线点个数；ND是格网内除去相邻边界线点个数；则：

(1)被简化的顶点：根据可控序列边折叠条件，在初始过程没有不可删除点情况下，经过单层PM边折叠操作最多简化点的个数也进行了这么多次边折叠操作。

(2)多层PM构建算法时间复杂度

对于一次(一层)构建，预处理计算Q(v)和Q排序的时间复杂度是O[N_B+N_B·Log(N_B)]和O[N_D+N_D·Log(N_D)]；对所有顶点进行查找折叠边和折叠处理的时间复杂度是O(M·N_B)和O(M·N_D)。所以单层处理的时间复杂度为O[M·N+N+N·Log(N)]。

对于层数为H的多层单体简化，其时间复杂度最大为： $O[\underset{i=0}{\overset{H-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}M\&times;\frac{2^{i}N}{3^i}+\frac{2^{i}N}{3^i}+\frac{2^{i}N}{3^i}\&times;\log \left(\frac{2^{i}N}{3^i}\right)],$ 小于H*O[M.N+N+N.Log(N)]。

第三步：简化序列的八叉树索引

简化序列的八叉树索引，参见下文。这里指出当前处理第i层格网简化序列全部由八叉树的第i层结点索引，做到索引层和序列层对应，体现了LOD模型特点，便于多分辨操作。

在本发明实施例中，为了可以根据视点选择不同层次的格网进行绘制，对简化序列进行八叉树索引，使能快速定位需要的简化信息。简化序列的八叉树索引构建与整个多层网格简化是统一进行的。完成一次边折叠操作，就在当前简化层次对应的八叉树结点上记录简化序列的标识信息。图10示出根据本发明一个实施例的整个格网简化与索引构建的过程的示意图。参见图10，该过程共构建第0至3层，层数为4的LOD模型。V1表示当前边折叠操作需要保留的顶点，P1、P2是满足可控序列的折叠条件的顶点(对于封闭TIN，P1,P2始终是存在的)。

参见图10，第i层时，边折叠操作后就会形成一个简化序列记录。对于折叠边Edge(v1,v2)的插入八叉树的过程为，从八叉树根结点开始：

如果当前结点位于第i层，而且边Edge被它包含或者部分包含，则该结点记录简化序列的标识信息；

如果当前结点所在层次小于i，而且边Edge被它包含或者部分包含，继续访问它的孩子；

如果该结点孩子结点不存在，则其分解，生成八个孩子结点；继续递归，直到第i层。

可以看出，一个边折叠简化序列被存入多个八叉树结点。通过构建简化序列的八叉树索引就可以实现对格网任意位置任意分辨率的恢复或者简化，即，多层渐进网格通过简化序列联系，利用所述简化序列简化恢复上一层网络。这在视点相关的绘制中是非常必要。视点相关绘制时，取出位于视景体内的八叉树从上(根)到下不同层次的简化序列，在视景体内的绘制比较精细的格网，而外部则显示较粗。根据边折叠简化法则，也不会因为没有按照格网简化顺序恢复格网，造成不同精度格网接缝处的显示不一致问题，从而实现了“多层渐进网格”跨层的格网恢复。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种三维地质结构模型进行有效数据组织和管理的方法，利用上述任意一个优选实施例或其组合所构建的三维地质结构模型对大规模海量三维地质结构模型数据的文件或者数据库存储管理。在实际处理过程中，根据精度需要和视点位置，在时间阈值内可以从所述文件或者数据库管理的数据中获取不同精度的地质模型数据，进而利用获取的地质模型数据进行地质分析和绘制。

本发明的三维地质结构模型进行有效数据组织和管理的方法充分利用了图1的流程所生成的多体索引模型，降低现有技术对地质测量的负担。

现以一具体实施例对本发明实施例提供的方法进行说明。

图11A-C示出了根据本发明一个实施例的北京大剧院地下工程的工程地质部分数据简化效果图，图中的黑色点表示钻孔采样点。本例中，多体简化算法与单体LOD模型生成有效保证了模型空间拓扑关系的一致性，地质体共面处三角网没有出现裂缝或者交错。同时在多元数据一体化显示中，使得简化结果与钻孔采样点能正确匹配显示。其中，图11A为原始模型，图11B为简化两次后的模型，图11C为简化4次后的模型。

1.测试环境：CPU P42.0G；内存512M；显卡ATI9550。

2.测试数据：Stanford Bunny数据；北京城市地质三类地质结构模型，分别是CBD工程地质结构模型；新生界结构模型；基岩地质结构模型。

这三套数据特点完全不同：工程地质结构模型地质体个数为321，以水平层状分布；新生界模型除了基质体外地质体个数为677，都比较小，分布比较随机；基岩模型含有断层，垂向将地质体切断，非断层类地质体个数为434。

3.测试目的：基于可控序列的多体PM构建的简化结果和时间测试。

三套数据分别进行简化，其简化结果请参见表一：

表一

通过以上测试，表明模型的简化是渐进进行的，每次简化操作严格按可控序列的PM构建条件进行；同时，简化的结果仍能很好的保留原始格网的信息，并解决不同分辨率交接处三角形显示不一致的问题。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种三维地质结构模型多体索引构建装置，用于支持上述任意一个优选实施例或其组合所提供的三维地质结构模型多体索引构建方法。所述三维地质结构模型由多个地质体构成，其中每个地质体称为地质单体，由不规则三角网TIN构成。图12示出了根据本发明一个实施例的三维地质结构模型多体索引构建装置的结构示意图。参见图12，该装置至少包括：

索引生成模块1210，用于使用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，其中，所述多地质体R树索引能够用于获取所述三维地质结构模型中某一位置或查询区域内的地质体；

单体模型生成模块1220，用于根据如下步骤为每个地质单体构建多分辨率层次细节LOD模型其中，所述单体LOD模型包括主干TIN，简化序列和八叉树索引：使用渐进格网的边折叠简化方法对所述地质单体的TIN面进行逐层简化处理，每一次边折叠简化操作形成一个简化序列；简化后的地质单体由主干TIN网格和简化序列构成，其中，所述主干TIN网格是所述地质单体简化后的最简网格；使用所述八叉树索引对生成的所述简化序列进行索引，定位需要的简化序列；

多体模型生成模块1230，用于由所述多地质体R树索引和多个所述单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。

综上可知，采用本发明实施例提供的方法及装置能够达到如下有益效果：

在本发明实施例中，利用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，多地质体R树索引模型能够用于获取所述三维地质结构模型中的某一位置或查询区域内的地质体。其中，使用多地质体R树索引模型能够快速定位需要处理的地质体，节省时间资源，且R树能够满足三维地质体不规则分布、形状多样等特点。进一步，利用渐进网格对定位的每个地质单体构建单体LOD模型，其中，单体LOD模型包括主干TIN、简化序列和八叉树索引。渐进网格实质是三角网的增量模型，能很好的保留原始格网的信息，并能很好解决单体内不同分辨率交接处三角形显示不一致的问题。因此，采用渐进网格能够解决现有技术中不同层次的三角网之间接缝不一致的问题，能够直接对TIN内的三角形构建多分辨模型。在渐进网格对地质单体构建单体LOD模型之后，采用八叉树索引渐进网格生成的简化序列，八叉树的优势在于能够根据当前视景体信息快速获取地质体某一部位三角网信息，满足实时数据调度的需要。然后，由多地质R树索引和多个单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。因此，采用本发明能够解决现有技术中结构模型的可视化与分析带来巨大的实时高效处理的负担的问题。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种三维地质结构模型多体索引构建方法，其特征在于，所述三维地质结构模型由多个地质体构成，其中每个地质体称为地质单体，由不规则三角网TIN构成，所述方法包括：

步骤A、使用横向切分R树索引生成多地质体R树索引，其中，所述多地质体R树索引能够用于获取所述三维地质结构模型中某一位置或查询区域内的地质体；

步骤B、根据如下步骤为每个地质单体构建多分辨率层次细节LOD模型其中，所述单体LOD模型包括主干TIN，简化序列和八叉树索引：使用渐进格网的边折叠简化方法对所述地质单体的TIN面进行逐层简化处理，每一次边折叠简化操作形成一个简化序列；简化后的地质单体由主干TIN网格和简化序列构成，其中，所述主干TIN网格是所述地质单体简化后的最简网格；使用所述八叉树索引对生成的所述简化序列进行索引，定位需要的简化序列；

步骤C、由所述多地质体R树索引和多个所述单体LOD模型结合构建三维地质结构模型的多体索引模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个地质体无缝拼合在一起形成所述三维地质结构模型，并且每个地质单体由不规则三角网封闭成一个完整的几何面，相邻地质单体之间存在几何面重叠现象。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

所述多地质体R树索引利用所有索引信息驻留内存的静态R树索引。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

采用内存池和对象编序方式，对所述静态R树索引的内存碎片进行优化处理，以及加强外存持久化。

5.根据权利要求3所述的方法，还包括：

利用定量评价指标对所述静态R树索引的效果进行评价；

根据评价结果选择使用X、Y、Z中的一个方向作为横向切分的主方向。

6.根据权利要求1所述的方法，在所述步骤B中，采用可控序列的边折叠条件作为构建地质单体格网简化的边折叠条件，通过这个条件构建的简化序列选择其中任意部分有序简化序列进行顶点分裂，能够从主干TIN复原原始精细网格。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤B中，所述渐进格网为多层渐进网格，且所述多层渐进网格根据如下步骤生成：

根据多分辨率模型的层数，依据所述任意部分序列的简化条件以及根据不同的简化控制误差δi，逐层简化生成。

8.根据权利要求7所述的方法，所述多层渐进网格根据如下步骤生成：

设置最大简化层次，其中，所述最大简化层次由最大分辨率MaxDepth确定；

判断当前处理的层次的分辨率是否小于所述最大分辨率；

若是，则对简化格网做进一步的简化处理；

若否，则停止处理，形成所述多层渐进网格。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述多层渐进网格间通过简化序列联系，利用所述简化序列简化恢复上一层网格。

10.一种对权利要求1至9任一项所构建的三维地质结构模型进行有效数据组织和管理的方法，其特征在于，利用所构建的三维地质结构模型对大规模海量三维地质结构模型数据的文件或者数据库存储管理，所述方法包括：

根据精度需要和视点位置，在时间阈值内从所述文件或者数据库存储管理的数据中获取不同精度的地质模型数据；

利用获取的地质模型数据进行地质分析和绘制。