CN105303590B - 带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，首先根据矿体的方位角和在三维空间中的最大最小的坐标值建立包围盒模型；然后基于包围盒模型，以矿体模型为约束条件，在使用块系数方法的前提下使用单元块体和次分级单元块体对矿体进行填充；对块体模型进行克里格插值，计算储量；选择切割方向，对插完值的块体进行切割；最后自动在二维程序中进行剖面图的绘制并输出。本发明利用单元块体和次分级单元块体混合填充包围盒技术、克里格插值技术、块体切割技术、快速形成二维储量剖面图技术等多项新方法和新技术，来快速并高效实现块体切割并生成二维储量剖面图，及二三维数据联动交换。

Description

带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法

技术领域

本发明涉及一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，属于地质结构展示领域。

背景技术

切割分析是通过切割面来了解三维模型内部结构的一种透视分析手段，切割分析可看作，操作者用刀切开空间对象，通过特定的表达方式观察切割面上呈现的三维对象内部结构，根据需要对感兴趣的部位进行对象选取和特征识别，DEM的二维剖面图就是这种方式的原始运用。平面切割技术可以将二维和三维联系在一起，二维剖面显示的信息可以关联到三维模型中，三维模型中的属性也可显示在二维剖切面上。通过切割分析可以对已构建的三维模型的空间关系进行描述和表达；可以深入观察和了解结构复杂的物体内部各要素的相对位置、大小和形状；可以对需要修整的地方进行编辑和改进，对需要新增的区域进行评估和检测；此外，它可以用于三维表面模型间的切割融合。

现有的切割分析从参与切割的模型角度可以概括为：基于表面模型的切割分析和基于体模型的切割分析两类。

基于表面模型的切割就是对空间三角网进行切割，可归结于空间三角网的相互切割问题，三角网切割算法主要有三个核心部分组成：切割前的碰撞检测、空间三角形的求交运算和切割后的显示处理。已提出的对三维物体进行切割的经典方法有以下几种：釆用平面及多面体对重构模型进行切割的立体剪裁算法，但它没有考虑切割面与三角形共面的特殊情况；利用OpenGL中的附加裁剪面实现了平面切割；根据三角网格模型的三角面片集合对其进行平面切割的方法，根据在任意平面内指定的切割线，将任意拓扑结构的三角网格模型切割为子三角网格。以上算法只实现了限于平行于坐标的平面的平面切割。花卫华等人提出可以用不规则三角网(TIN)来切割三维物体，灵活性较强，但该算法的基本操作：三角形之间的求交和平面与三角形求交相比，因比较次数较多影响了算法效率。

基于体模型的切割可分为求交式方法和插值式方法两种。求交式是先确定出体元的的棱线与剖面的交点以及交点处的场值，并对交点进行排序，得到一个带值的多边形的顶点序列，从而获取剖面的数据，再对其按照扫描线方法或其它方法进行显示。插值式是先计算出剖面与三维体数据场的包围盒相交而生成的多边形，以及该多边形对应的纹理图像，再采用纹理映射技术对剖面进行显示。这两种方法各有优缺点。基于求交的切割算法，需要测试较多的体元，并要保存所生成的多边形数据，时间、空间消耗较大，但是生成的图像质量好。因此，该方法适合于体数据量较小，体数据格网点之间间距较大以及显示区域也较大的情况；而基于插值的剖面显示算法，对空间的消耗较小，速度较快，实现方便，但是精度稍逊于前者。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，将建好的基于矿体模型的块体约束模型在一定规则下进行切割，并自动将切割结果，包括位置信息与属性信息在二维平台中以剖面图的形式展示出来。本发明利用单元块体混合填充包围盒技术、克里格插值技术、块体切割技术、快速形成二维储量剖面图技术等多项新方法和新技术，来快速并高效实现块体切割并生成二维储量剖面图，及二三维数据联动交换。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，包括以下步骤：

(1)将三维矿体模型划分为一组填充满三维矿体模型的单元块体，各单元块体构成三维矿体模型的块体模型；各单元块体的一个顶点为该单元块体的空间几何位置的坐标原点，各单元块体的坐标原点及长、宽和高已知；根据各单元块体的坐标原点及长、宽和高计算得到单元块体各顶点的坐标；

(2)利用地质统计学估值法对块体模型进行属性插值，计算各待估点的属性，从而得到各单元块体的属性；所述属性包括品位、级别和空间几何位置；

(3)确定各单元块体的切面：对于每个单元块体，设定一条切线，使由切线起始坐标的高程H加一个常量A的值大于三维矿体模型的最大高程值，并且由切线起始坐标的高程H减一个常量B的值小于三维矿体模型的的最小高程值，通过切线进行高程方向上的延伸，构成切面；依次判断块体模型中每个单元块体与各自切面的相交关系：若单元块体的八个顶点均位于切面的同侧，则单元块体与切面不相交，否则单元块体与切面相交；对于与切面相交的单元块体，提取单元块体与切面的相交面，并获取单元块体的属性；

(4)计算与切面相交的立方体的体积、矿石量以及金属量，其中体积＝立方体的长*宽*高，矿石量＝体积*比重，金属量＝矿石量*品位；将大于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到大于边界品位的金属总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到小于边界品位的金属总量；将大于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到大于边界品位的矿石总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到小于边界品位的矿石总量；将大于边界品位的金属总量、小于边界品位的金属总量、大于边界品位的矿石总量、小于边界品位的矿石总量切面所在的剖面、步骤(3)提取的相交面、单元块体的品位以及三维储量估算剖面图显示在二维平台中。

步骤(1)所述的将三维矿体模型划分为一组填充满三维矿体模型的单元块体，具体包括以下过程：基于三维矿体模型的最小包围盒模型，利用正方体型单元块体填充包围盒，以三维矿体模型为约束条件对包围盒中的单元块体与三维矿体模型进行相交检测，通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍：位于三维矿体模型内部的单元块体留下；位于外部的单元块体舍弃；与三维矿体模型表面相交的单元块体，对其进行次分级分块，即将其划分为2个以上单元块体，并重新通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍，直到所有单元块体均位于三维矿体模型内部；留下的单元块体构成块体模型。

步骤(3)所述判断每个单元块体与该切面的相交关系，具体包括以下过程：将点与面的关系分为三种，包括点在面的上方、点在面的下方、点在面上；为每种位置关系赋予一个定量，当点在面的上方为1，点在面的下方为-1，点在面上为0；对于具有8个顶点的单元块体，分别判断顶点与切面的位置关系并确定位置关系所对应的定量，将8个定量相加，当所得值为8或-8时，单元块体的8个顶点在切面的同侧，表示切面与单元块体不相交，当所得值为其他值时，切面与块体相交。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明利用单元块体和次分级单元块体混合填充能将矿体完全覆盖，使块体模型的体积与原始矿体的体积更加接近；

(2)本发明攻克了多项关键技术，切割块体的方向除了可以选择沿切线方向，还可以选择任意方向；

(3)本发明可以采用“实时制图——实时存储”的模式数据处理的自动化代替了人工与数据库的交互，完善了数据处理机制，提高了生产精度与效率；

(4)本发明能够采用单工程多图幅的处理模式，即在同一工程下，可以输出多张二维储量剖面图，操作灵活便捷。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明实施例的单元块体示意图。

图3是本发明实施例三维矿体模型示意图。

图4是本发明实施例块体模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，参照图1，包括以下步骤：

(1)将三维矿体模型划分为一组填充满三维矿体模型的单元块体：基于三维矿体模型的最小包围盒模型，利用正方体型单元块体填充包围盒，以三维矿体模型为约束条件对包围盒中的单元块体与三维矿体模型进行相交检测，通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍：位于三维矿体模型内部的单元块体留下；位于外部的单元块体舍弃；与三维矿体模型表面相交的单元块体，对其进行次分级分块，即将其划分为2个以上单元块体，并重新通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍，直到所有单元块体均位于三维矿体模型内部；留下的单元块体构成块体模型。

可以通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍：

a、位于三维矿体模型内部的单元块体留下；

b、位于外部的单元块体舍弃；

c、与三维矿体模型表面相交的单元块体，对其进行次分级分块，即将其划分为2个以上单元块体，并重新通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍，直到所有单元块体均位于三维矿体模型内部；留下的单元块体即对三维矿体模型进行填充，构成块体模型。

图3为原始三维矿体模型，图4为块体模型。

单元块体的大小取决于使用模型的目的，参考数据空间的情况，例如等级控制、资源计算、露天矿优化。假定储量计算中基本块体尺寸大小为L×W×H，为加块计算速度，减少块体的判定次数，在初次对包围盒划分时，生成的判断块体大小为xL×yW×zH，x、y和z为放大系数，依据矿体在XYZ轴走向的空间形态，通常取值范围为5～10。这样对于完全在内部的块体模型，由于是基本块体的整数倍，可以直接划分为基本块体，大大减少判断次数。在建立包围盒时根据矿体的大小可自行设置，一般设置有10m*10m*10m，5m*5m*5m，2.5m*2.5m*2.5m，1.25m*1.25m*1.25m，单元块体不可设置太大，否则会降低建立块体模型的精度，若设置太小，会降低计算速度，一般情况下设为5m*5m*5m，在进行次级划分时，选择1.25m*1.25m*1.25m。

各单元块体构成三维矿体模型的块体模型；各单元块体的一个顶点为该单元块体的空间几何位置的坐标原点，各单元块体的坐标原点及长、宽和高已知；根据各单元块体的坐标原点及长、宽和高计算得到单元块体各顶点的坐标。

(2)每个单元块体均具有属性，可以将所有单元块体的属性封装到一个类CGV3dCuboid，并通过该类的getOrigin函数和GetRange函数和GetAzimuthAngle函数获取每一小块体的原点坐标和每个块体的长宽高和块体长轴的方位角。

以图2所示的单元块体为例，8个顶点的计算公式如下：

B1.x＝B0.x+L*Cos(a)；B1.y＝B0.y+L*Sin(a)；B1.z＝B0.z；

B3.x＝B0.x+w*Cos(90+a)；B3.y＝B0.y+L*Sin(90+a)；B3.z＝B0.z；

B2.x＝B1.x+B3.x-B0.x；B2.y＝B1.y+B3.x-B0.y；B2.z＝B0.z；

T0.x＝B0.x；T0.y＝B0.y；T0.z＝B0.z+H；

T1.x＝B1.x；T1.y＝B1.y；T1.z＝T0.z；

T2.x＝B2.x；T2.y＝B2.y；T2.z＝T0.z；

T3.x＝B3.x；T3.y＝B3.y；T3.z＝T0.z；

利用地质统计学估值法对块体模型进行属性插值，计算各待估点的属性，从而得到各单元块体的属性；所述属性包括品位、级别和空间几何位置；待估点即尚无权值属性需要进行插值的未知点，需从已知点的属性，通过插值理论方法计算出其属性；

其中，品位插值具体包括以下过程：利用变异函数模型代表空间中随距离变化的函数，在无偏估计和最小估计的条件下，确定各个采样点的权系数，最后将采样点和求得的权系数线性组合，求得空间任一点或块的估计值。

(3)对三维矿体储量估算块体模型的切割。本步骤(3)并非简单的对矿体表面的切割，对矿体表面的切割获得的是一个或多个空线圈，而三维矿体的块体模型切割获得的剖面是由一个个单元块体组成的，切割之后得到的是一个或多个填充满单元块体投影所得的矩形的线圈，通过该线圈，不仅能得到矿体内部的轮廓，更重要的是可以看到矿体内部的品位值分布和储量结果。

确定各单元块体的切面：对于每个单元块体，设定一条切线，使由切线起始坐标的高程H加一个常量A的值大于三维矿体模型的最大高程值，并且由切线起始坐标的高程H减一个常量B的值小于三维矿体模型的的最小高程值，通过切线进行高程方向上的延伸，构成切面；依次判断块体模型中每个单元块体与各自切面的相交关系：若单元块体的八个顶点均位于切面的同侧，则单元块体与切面不相交，否则单元块体与切面相交；对于与切面相交的单元块体，提取单元块体与切面的相交面，并获取单元块体的属性。

依次判断每个单元块体与切面的相交关系：若单元块体的八个顶点均位于该切面的同侧，则单元块体与该切面相交，否则单元块体与该切面不相交；具体可通过以下过程判断每个单元块体与该切面的相交关系：将点与面的关系分为三种，包括点在面的上方、点在面的下方、点在面上；为每种位置关系赋予一个定量，当点在面的上方为1，点在面的下方为-1，点在面上为0；对于具有8个顶点的单元块体，分别判断顶点与切面的位置关系并确定位置关系所对应的定量，将8个定量相加，当所得值为8或-8时，单元块体的8个顶点在切面的同侧，表示切面与单元块体不相交，当所得值为其他值时，切面与块体相交；

对于与切面相交的单元块体，提取单元块体与切面的相交面，并获取单元块体的属性；至此，每个块体包含着之前插值过程中所赋予的品位、级别、空间几何位置、单元块体编号等属性，提取属性赋给所得相交面中。

(4)计算与切面相交的立方体的体积、矿石量以及金属量，其中体积＝立方体的长*宽*高，矿石量＝体积*比重，金属量＝矿石量*品位；将大于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到大于边界品位的金属总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到小于边界品位的金属总量；将大于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到大于边界品位的矿石总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到小于边界品位的矿石总量；将大于边界品位的金属总量、小于边界品位的金属总量、大于边界品位的矿石总量、小于边界品位的矿石总量切面所在的剖面、步骤(3)提取的相交面、单元块体的品位以及三维储量估算剖面图显示在二维平台中。显示可以通过以下过程实现：

(4-1)绘制基础地质剖面图：绘制剖面图时，选择的绘制方式是不利用地形地质图，完全利用数据库中的数据绘制；剖面图以米为坐标单位，横向上表示勘探线的水平延伸，纵向表示现实世界的竖直方向；勘探线起点处的横坐标为0，纵坐标为该点的高程；终点处横向坐标为勘探线的总长，纵坐标为该点的地表高程；绘制钻孔时，在平面图上计算钻孔孔口在剖面线上的投影点，并计算该点距离勘探线起点的平面距离；如果勘探线是折线，则取钻孔在各段上的最佳投影点，且该距离应是沿勘探线的平面距离而不是直线距离；该距离值即是钻孔孔口在剖面图上的横向坐标，其纵向坐标是孔口的Z值；最后，调用剖面图参数设置对话框，传入相关的各项参数，包括剖面图的垂直比例尺、水平比例尺勘探线的起点、终点坐标、是否“穿鞋带帽”、最小有效测斜角度、花纹宽度、是否绘制“粒级”、责任表中的栏目、各栏目取值、图幅名称、勘探线编号、图幅制定时间、剖面图类型、是否利用地形地质图、钻孔编号、从曲线设置参数里面传递的参数、是否绘制伽马曲线；

(4-2)打开二维平台：获取当前路径，创建TXT配置文档，通过fwrite函数将绘制的剖面的保存路径写入该文件，并保存在当前路径下，作为二维平台的初始化文件，便于打开二维平台时，自动显示该剖面；然后重新获取当前程序所在路径，用shellexecute函数运行二维平台；

(4-3)显示块体切割面：在三维平台的图幅中，将切面与块体相交的轮廓线保存到图层“剪切后的结果图层”中，在二维平台的图幅中，新建一个图层“三维转二维结果图层”，将“剪切后的结果图层”中的属性字段和属性值添加到“三维转二维结果图层”中；然后将“剪切后的结果图层”中的线条和块体添加到“三维转二维结果图层”中，当添加的内容为线条时，将线条上的点进行坐标转换，有三维坐标转为二维坐标，方法为：通过函数Get2dXvalue计算点A在线切线B上的垂足沿B到B顶点的距离，并将此距离设为该点二维坐标的横坐标，将该点三维坐标的高程作为该点二维坐标的纵坐标，按照此方法转换线条上的所有点；当添加的内容为块体时，新建指针pBlock指向该块体，同时创建一个多边形图元类并创建指针pPolygon接收该类对象，在二维平台图层中创建二维图元并创建指针p2dPolygon指向该类图元；获取与切面相交的块体的品位值，如果该值大于边界品位，将指针指向的二维图元设为红色，相反，设为黄色；然后进行坐标转换，获取块体中心点的三维坐标和长宽高，中心点三维坐标在切线上的垂足沿切线到切线顶点的距离设为中心点二维坐标的横坐标，中心点的高程设为该点二维坐标的纵坐标；除了中心坐标之外，还需要设定块体转换为二维平面的四个顶点，顶点1的横坐标为中心点横坐标加上块体宽度的1/2，纵坐标为中心点纵坐标加上块体高程的1/2；顶点2的横坐标为中心点横坐标加上块体宽度的1/2，纵坐标为中心点纵坐标减去块体高程的1/2；顶点3的横坐标为中心点横坐标减去块体宽度的1/2，纵坐标为中心点纵坐标减去块体高程的1/2；顶点2的横坐标为中心点横坐标减去块体宽度的1/2，纵坐标为中心点纵坐标加上块体高程的1/2；将四个顶点添加到“三维转二维结果图层”中。

本发明首先根据矿体的方位角和在三维空间中的最大最小的坐标值建立包围盒模型；然后基于包围盒模型，以矿体模型为约束条件，在使用块系数方法的前提下使用规则和不规则的块体对矿体边地方进行混合填充；对块体模型进行克里格插值，计算储量；选择切割方向，对插完值的块体进行切割；最后自动在二维程序中进行基础地质剖面图的绘制并输出。

本发明使用单元块体和次分级单元块体混合填充包围盒，解决块体不能完全覆盖矿体问题；同时为用户提供了两种不同的约束方式：约束对象内部，约束对象外部，并可以选择是否将边界块体保留；在选择使用块体填充之前使用块系数方法，对生成的结果中的不满足隐藏和多种显示方式，对于满足的部分，为用户提供了多种显示方式；最终生成的结果可以和包围盒模型保存在一起也可以分开存放，为了更完全的覆盖，还提供了划分子块体的功能。

本发明使用了块体切割技术，采用用户在界面上选择任意切割方向(可以是勘探线方向或者是垂直勘探线方向)，生成一个垂直于矿体的切面，从而确定切面；利用切面与块体进行剪切运算。1.获取了插值完成的块体数据，进行块体遍历，做几何类型判断，是否属于长方体，球体，或者其他不规则的体状数据(该算法主要是以长方体作为计算体状数据)。2.将自定义的切割规则进行代数化，用数学语言进行描述，从而转换成一种算法约束规则。3.将每一个块体与约束规则进行相交判断，若有相交则对该块体进行保存，包括几何信息与属性信息。4.新建一个图层，对符合要求的块体进行输出。通过这种方法，可以在空间通过用人工画一个切面，或者用数学规则生成某个切面，并且切面可以是一个直面，也可以是一个曲折面。

本发明中用到的快速形成二维储量剖面图技术，采用切割后的块体模型，自动调用二维程序，利用数据库中的剖面图信息，将切割的块体剖面、块体中的品位值绘制成一张剖面图，并在图例中显示其储量信息。

Claims (2)

1.一种带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三维矿体模型划分为一组填充满三维矿体模型的单元块体，各单元块体构成三维矿体模型的块体模型；各单元块体的一个顶点为该单元块体的空间几何位置的坐标原点，各单元块体的坐标原点及长、宽和高已知；根据各单元块体的坐标原点及长、宽和高计算得到单元块体各顶点的坐标；所述的将三维矿体模型划分为一组填充满三维矿体模型的单元块体，具体包括以下过程：

基于三维矿体模型的最小包围盒模型，利用正方体型单元块体填充包围盒，以三维矿体模型为约束条件对包围盒中的单元块体与三维矿体模型进行相交检测，通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍：位于三维矿体模型内部的单元块体留下；位于外部的单元块体舍弃；与三维矿体模型表面相交的单元块体，对其进行次分级分块，即将其划分为2个以上单元块体，并重新通过确定单元块体在三维矿体模型的内外对单元块体进行取舍，直到所有单元块体均位于三维矿体模型内部；留下的单元块体构成块体模型；

(2)利用地质统计学估值法对块体模型进行属性插值，计算各待估点的属性，从而得到各单元块体的属性；所述属性包括品位、级别和空间几何位置；

(3)确定各单元块体的切面：对于每个单元块体，设定一条切线，使由切线起始坐标的高程H加一个常量A的值大于三维矿体模型的最大高程值，并且由切线起始坐标的高程H减一个常量B的值小于三维矿体模型的的最小高程值，通过切线进行高程方向上的延伸，构成切面；依次判断块体模型中每个单元块体与各自切面的相交关系：若单元块体的八个顶点均位于切面的同侧，则单元块体与切面不相交，否则单元块体与切面相交；对于与切面相交的单元块体，提取单元块体与切面的相交面，并获取单元块体的属性；

(4)计算与切面相交的立方体的体积、矿石量以及金属量，其中体积＝立方体的长*宽*高，矿石量＝体积*比重，金属量＝矿石量*品位；将大于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到大于边界品位的金属总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的金属量累计相加，得到小于边界品位的金属总量；将大于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到大于边界品位的矿石总量，将小于矿石量*边界品位的立方体的矿石量累计相加，得到小于边界品位的矿石总量；将大于边界品位的金属总量、小于边界品位的金属总量、大于边界品位的矿石总量、小于边界品位的矿石总量切面所在的剖面、步骤(3)提取的相交面、单元块体的品位以及三维储量估算剖面图显示在二维平台中。

2.根据权利要求1所述的带属性三维矿体的块体模型切割生成二维剖面图的方法，其特征在于：步骤(3)所述判断每个单元块体与该切面的相交关系，具体包括以下过程：将点与面的关系分为三种，包括点在面的上方、点在面的下方、点在面上；为每种位置关系赋予一个定量，当点在面的上方为1，点在面的下方为-1，点在面上为0；对于具有8个顶点的单元块体，分别判断顶点与切面的位置关系并确定位置关系所对应的定量，将8个定量相加，当所得值为8或-8时，单元块体的8个顶点在切面的同侧，表示切面与单元块体不相交，当所得值为其他值时，切面与块体相交。