CN105551085B - 一种双直纹面地质体的构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种双直纹面地质体的构建方法，本发明涉及双直纹面地质体的构建方法。本发明的目的是为了解决现有三角形面片、四面体、三棱柱或直角六面体模拟地形存在的问题。具体过程为：步骤一、确立空间网格单元尺寸；步骤二、构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；步骤三、根据双直纹面构造六面体。本发明应用于地质体研究领域。
Description
技术领域
本发明涉及双直纹面地质体的构建方法。
背景技术
对地质体进行合理有效的建模表达是可视化、存储、管理及分析的基础，是地学领域的难点之一。目前国内外复杂地质体三维构模方法，可以归纳为基于面模型、基于体模型、基于混合模型三大类构模体系。
面模型的构模方法侧重于三维地质体表面的表示，其代表是不规则三角网；基于体模型的构模侧重于三维地质体的边界与内部的整体表示，以体元为基本单元来表达三维实体。目前主要有四面体格网(TEN)、三棱柱构模和直角六面体；混合模型则是研究将面模型和现有的体模型结合起来，旨在发挥两者的优点以达到更好表达地质体的效果。
人们在利用上述模型对地质体进行可视化、空间管理与分析时取得了很多成果。如北京航空航天大学杨钦《限定Delaunay三角剖分》；中国科学院武汉岩土力学研究所张煜《一种基于三棱柱体体元的三维地层建模方法及应用》。这些方法实现了地质体的表达，但在切割时，畸形碎块无法处理；算法的复杂度及存储、可视化效率、复杂地质体内部展示等都没有详细说明和解决。
目前GIS中采用三角形面片、四面体、三棱柱或直角六面体模拟地形；
1)三角形面片的缺点：
(1)不宜抽象出的数学体模型；
(2)与人的思维方式差异大，不利于空间想象；
(3)由于面的数量巨大，可视化时间长；
(4)占用内存大、机时耗时过长；
2)四面体的缺点：除与三角面缺点相同外，还具有
(1)不利于进行有限元计算，应用于其它领域；
(2)数据冗余量大
3)三棱柱，面的数量比四面体形成的体少，但除具有四面体的不足外，还有
(1)面积、体积计算误差过大；
(2)比四面体多了人为造成的可视化不连续视图的现象；
(3)由于是三棱柱，水平方向不宜于变形；
4)直角六面体：与三棱柱类似，几乎继承了四面体的全部缺点，但表面的数量比四面体和三棱柱要少
(1)人为造成的可视化不连续视图的现象，面积、体积计算误差过大；
(2)由于体的边界是直角，不利于变形体的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有三角形面片、四面体、三棱柱或直角六面体模拟地形存在的问题，而提出一种双直纹面地质体的构建方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一、确立空间网格单元尺寸；
步骤二、构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；
步骤三、根据双直纹面构造六面体。
发明效果
本发明提出了以直纹面构建六面体的方法(包括直纹面四棱柱和全直纹面六面体)可用于有效表示地质体。
1)双直纹面四棱柱
双直纹面四棱柱由上下两个双直纹面和四个平面侧面构成的六面体(见图1所示)，它可以用于地质体、地表及地下一体化表达。
2)全双直纹面六面体
全双直纹面六面体是全部(六个面)由双直纹面构成的六面体(见图2)，故六面体的六个面可均为非平面，由于各个面可均为非平面，其表示能力更强、更灵活，可用于断面等构造的地质体表达。
该方法克服了传统表示方法在构建地质体数据严重冗余、数据量大，可视化时间长、效果不连续、不利于并行地理计算、难以进行有限元分析表示滑坡等地质体移动目标等问题。
本发明的目的是利用双直纹面在数学和地质表达中的优势，改进现有地质体表达方式，使之便于可视化、存储、管理及并行地理计算。
1)双直纹面所表示的空间面的四个点可以不在同一平面上，故可以表示变形后的(即四个点不在一个平面上)的窗户等空间实体；
2)可视化无不连续视觉；
3)面积、体积计算接近实际；
4)点与面的数量大量减少，内存占用少。
下面与目前表示效率最高的三棱柱模型做对比，无论是双直纹面四棱柱还是全双直纹面六面体都是特定形态的六面体，它们每个都至少相当于两个三棱柱，每个三棱柱需要6个点表示，两个三棱柱则需要12点表示，而一个双直纹面四棱柱(六面体)仅使用8个点表示，故大大降低了点的数据冗余，节点数据减少三分之一；每个三棱柱有5个子平面，两个三棱柱有10个子平面，而一个双直纹面四棱柱仅有6个子平面，所以单个双直纹面四棱柱可减少4个子平面，减少量接近一半。对于一个需要大量双直纹面四棱柱表示的大地质场景，其节点与子平面的总体节省量将是巨大的。因表示的节点和子平面数据量少，故所占计算内存也节省近一半。与四面体网相比，双直纹面四棱柱数据减少量将会更大。与直角六面体相比数据量相当，但由于直角六面体上下底面为子平面，故在表达连续曲面时，先天不足。
5)可视化机时占用少：由于可视化是以子平面为单元开展的，子平面数量越少，可视化效率将会越高。
6)利于表示地质学中的节理、断层、地层；
7)可进行地震地质、滑坡、泥石流等GIS的可视化，构造的离散体可以变形，不受限制，可用于有限元计算；
双直纹面作为一种介于曲面及平面之间的面表示方式，在计算机辅助制图(CAD)中已得到使用，但地理信息系统(GIS)中尚未采纳，本发明就是首次将其引入到地理信息系统空间数据表达模型中(如表示不完全在同一平面的四个点组成的窗户等)；
基于双直纹面(包括双直纹面四棱柱及全双直纹面六面体)的地质体构建、表示方法。基于双直纹面构建的地质体表可实现连续视觉效果，利于表示地质学中的节理、断层、地层、地震地质、滑坡、泥石流等GIS的可视化；具有很好的空间剖分性和数学基础，可用于有限元计算，构造的离散体可以变形，不受限制，面积、体积计算接近实际；面片数量大量减少，占用内存少，便于存储管理，可视化时间短。
附图说明
图1为双直纹四棱柱图；
图2为全双直纹面六面体。
图3为双直纹面图；
图4为圆柱直纹面图；
图5为双直纹端面六面体表示的地形及地质一体化表达模型实例图。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式的一种双直纹面地质体的构建方法，具体是按照以下步骤制备的：
步骤一、确立空间网格单元尺寸；(即双直纹面尺寸)，如10*10米，5*5米等，该尺寸的确立与用户定义的空间表达精度有关，精度越高要求网格尺寸越小，通过计算双直纹面精度中误差试验确立。
步骤二、构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；
步骤三、根据双直纹面构造六面体。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中确立空间网格单元尺寸；(即双直纹面尺寸)，如10*10米，5*5米等，该尺寸的确立与用户定义的空间表达精度有关，精度越高要求网格尺寸越小，具体过程为：
通过计算双直纹面精度中误差确立，计算双直纹面精度中误差过程如下：
步骤一一、确定双直纹面中n个检验点，检验点要求均匀分布，且可反应地形特征，n为实测点个数，为正整数；
步骤一二、计算双直纹面中检验点值；
步骤一三、计算差值Δ，通过中误差计算公式limn→∞ 计算中误差；
步骤一四、判断中误差是否符合要求；如果符合要求则选用该大小网格；如果不符合，则缩小网格大小，重新构建并计算。
要求为人为设置。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；具体过程为：
具体按如下公式进行：
式中，如图3所示，为直纹线上矢量点；{u,v}表示是双直纹面的两条直纹线；分别为双直纹面的四个矢量顶点坐标；是双直纹面矢量方程的系数，也为矢量，可分别按相应的x,y,z方向的矢量分量展开计算。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述x,y,z方向的矢量分量展开计算；具体过程为：
其中，及分别为直纹线上矢量点的x,y,z坐标。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的公式分别为：
是双直纹面按相应x,y,z方向的矢量方程的系数。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤三中根据双直纹面构造六面体；具体过程为：
双直纹面四棱柱的制作方法：将每个双直纹面网格边界做垂直剖分，形成四棱柱，如图1，上、下两个面用双直纹面表示，四周用平面表示，即可构成双直纹面四棱柱；
全直纹面六面体制作方法：是全部六个面由双直纹面构成的六面体(见图5)。故六面体的六个面可均为非平面，由于各个面可均为非平面，其表示能力更强、更灵活，可用于断面等构造的地质体表达；如图2，该表达方式可用于表面有一定起伏或倾斜的地质体断层。它可以用于地质体、地表及地下一体化表达。
注：直纹面上的点集不一定在同一平面上，见图3、图4；圆柱的侧表面也是直纹面，但只在一个方向具有直线，所以不是双直纹面，见图4；
由双直纹面六面体构建地表及底层模型；
图4给出了一个由双直纹面四棱柱构建的地表及底层模型。图中可以看出，由此表示的地形表面具有很好的连续性，且具有规则网格的特性。事实上，这种三维表示方式，是用知识化的规则体表示不规则空间，它可以兼容四面体、四棱柱等表示方式，同时具有很好的空间剖分(partition)特征，因此不仅表达高效，且适合并行计算。
图4圆柱直纹面具有双重特性：沿直纹线方向具有线性，不沿直纹线方向具有非线性特点。
将双直纹面引入到地理信息系统空间数据表达模型，其中双直纹面六面体地质体表达就是地理信息系统体三维表达模型；同时双直纹面也可以用于四个点不在同一平面的门窗等面实体表达，属于地理信息系统三维面数据表达模型。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
如图5给出了一个由双直纹面四棱柱构建的地表及底层模型。图中可以看出，由此表示的地形表面具有很好的连续性，且具有规则网格的特性。事实上，这种三维表示方式，是用知识化的规则体表示不规则空间，它可以兼容四面体、四棱柱等表示方式，同时具有很好的空间剖分(partition)特征，因此不仅表达高效，且适合并行计算。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种双直纹面地质体的构建方法，其特征在于一种双直纹面地质体的构建方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、确立空间网格单元尺寸；
步骤二、构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；
步骤三、根据双直纹面构造六面体；
所述步骤一中确立空间网格单元尺寸；具体过程为：
通过计算双直纹面精度中误差确立空间网格单元尺寸，计算双直纹面精度中误差过程如下：
步骤一一、确定双直纹面中n个实测检验点，检验点要求均匀分布，n为正整数；
步骤一二、计算双直纹面中检验点值；
步骤一三、计算差值Δ，通过中误差计算公式计算中误差；
步骤一四、判断中误差是否符合要求；如果符合要求则选用该网格；如果不符合，则缩小网格大小，重新构建并计算；要求为人为设置。
2.根据权利要求1所述一种双直纹面地质体的构建方法，其特征在于：所述步骤二中构建双直纹面，根据空间网格单元尺寸，计算每个双直纹面四个顶点坐标，然后根据每个双直纹面四个顶点坐标计算每个双直纹面的直纹线；具体过程为：
具体按如下公式进行：
式中，为直纹线上矢量点；{u,v}表示是双直纹面的两条直纹线； 分别为双直纹面的四个矢量顶点坐标；是双直纹面矢量方程的系数，也为矢量，可分别按相应的x,y,z方向的矢量分量展开计算。
3.根据权利要求2所述一种双直纹面地质体的构建方法，其特征在于：所述x,y,z方向的矢量分量展开计算；具体过程为：
其中，及分别为直纹线上矢量点的x,y,z坐标。
4.根据权利要求3所述一种双直纹面地质体的构建方法，其特征在于：所述的公式分别为：
是双直纹面按相应x,y,z方向的矢量方程的系数。
5.根据权利要求4所述一种双直纹面地质体的构建方法，其特征在于：所述步骤三中根据双直纹面构造六面体；具体过程为：
双直纹面四棱柱的制作方法：将每个双直纹面网格边界做垂直剖分，形成四棱柱，上、下两个面用双直纹面表示，四周用平面表示，即可构成双直纹面四棱柱；
全直纹面六面体制作方法：是全部六个面由双直纹面构成的六面体。
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