CN105574932A

CN105574932A - 能够反映地层结构的地质三维模型任意剖切方法

Info

Publication number: CN105574932A
Application number: CN201510947331.0A
Authority: CN
Inventors: 施耐克; 邱梅
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Shandong University of Science and Technology
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2016-05-11

Abstract

本发明公开了一种能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，涉及计算机图形学方面，包括以下步骤：首先，使用三棱柱构建或转换被剖切模型；其次，计算剖面交点；然后，剖切交点生成凸多边形的算法；最后，进行剖面绘制。本发明在三维环境下将空间数据进行分析，通过一系列计算，得到逼进真实的三维模型剖面图，剖面图通过颜色和纹理对各属性进行标注，使相关人员可以非常直观地了解到三维模型内部结构的分布。三维剖切是对已存在的模型进行分析的重要手段。

Description

能够反映地层结构的地质三维模型任意剖切方法

技术领域

本发明涉及一种计算机图形学技术，尤其是一种能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法。

背景技术

地质三维重建是运用计算机技术，在三维环境下将空间数据管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质分析的技术。通过三维模型，将地质体及其形态构造直观形象地展现在规划设计师和相关专家面前，最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，使之做出符合实际地质现象分布及变化规律的工程设计和施工方案，从而减少人类对地质问题认识的盲目性及地下工程设计施工面临的巨大风险。而三维剖切是对已存在的模型进行分析的重要手段。

现在的建模技术仅是对创建的实体表面进行建模，即显示的三维模型，只是使用三角网构建三维物体表面，表现在计算机上就是只显示了用户可以看到的表层，其内部结构实际为空，在做三维剖切效果时，需要大量的计算。因为其内部结构没有预先构建，在数据缺失的情况下，甚至无法计算剖切面。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，该方法充分利用已有的地质数据生成的三维地层模型，将地层进行任意剖切，优化三维模型分析手段、提高已有数据利用率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，包括以下步骤：

1)使用三棱柱构建或转换被剖切的三维模型；所述三维模型构建所用基本三棱柱单元采用广义6顶点9条边组成，顶点重合后表现为三棱柱体，每条边长度大于或等于0；

2)计算三维模型的剖面交点；三维模型剖面的构成是由构成该模型的三棱柱单元遍历计算剖面后，再统一集中绘制在观察窗中；

3)三维模型的三棱柱单元通过几何运算平面与自己9条边的交点，得到的交点由顺时针方向用凸包算法计算出剖面的几何多边形；

4)剖面绘制。

所述步骤3)几何运算平面与自己9条边的交点主要用到线性代数中直线方程与平面方程求交点的计算方法，设直线L与平面Π的方程分别为：

L : \frac{x - x_{0}}{m} = \frac{y - y_{0}}{n} = \frac{z - z_{0}}{p}

Π:Ax+By+Cz+D＝0

直线L的参数方程为

\{\begin{matrix} x = x_{0} + m t \\ y = y_{0} + n t \\ z = z_{0} + p t \end{matrix}

若以直线L的参数方程代入平面Π的方程可得

(Am+Bn+Cp)t+Ax₀+By₀+Cz₀+D＝0

其中，x、y、z为三维坐标，x₀、y₀、z₀是位于直线L上的一点，m、n、p为直线的方向向量；A、B、C是平面Π的法线向量，D是平面Π在法向量方向的偏移量；

当(Am+Bn+Cp)≠0时，可求得唯一的t，因而直线L与平面Π交于一点，将t代回参数方程即求得交点坐标。

所述步骤3)中凸包算法为：

设某三棱柱集合求剖面交点后得到以下点：

点	x	y	z
				a	48	33	0
b	144	107	0
				c	66	157	0
d	169	18	0
				e	178	171	0

(1).点的个数如果小于3的话就直接返回；

(2).多于或等于3个点时，先确定一个顺时针的三角形即起始多边形；

(3).在剩余点中，按照下面算法组建凸包：

(a.)对交点d来说，在已经是顺时针方向的起始多边形(a,b,c)中，找到顶点a，在以a为顶点的两条边(ca)(ab)处，交点d从边(ca)的右侧转为了边(ab)左侧；

(b.)继续对多边形的所有顶点进行搜索，找到顶点b，在顶点b处交点d从边(ab)的左侧转为边(bc)的右侧；

(c.)把交点d插入顶点a和顶点b之间，连接成新多边形(adbc)，原多边形顶点a、顶点b之间的顶点全部移除。

所述步骤4)中的剖面绘制是通过图形拼接合并后进行绘制。

本发明在对三棱柱求平面交点时，先要判断该三棱柱的边与平面是否有交点；如果它的所有顶点都在平面的一侧，那就无需再计算即交点为零；只有它在平面两边都有顶点时，才需要使用上述算法求各边线段与平面的交点，再对这些交点求凸包并绘制出来，就得到了三维模型的剖面图。

本发明构建出的三维模型是由三棱柱为基本构成单位组成的，基本三棱柱单元由广义6顶点9边组成，边长可能为0，顶点重合后表现为三棱体。三维模型剖面的构成是由构成该模型的三棱柱单元遍历计算剖面后，再统一集中绘制在观察窗中。三棱柱单元通过几何运算平面与自己9条边的交点，并用凸包算法计算出剖面的几何多边形。最后，在绘制时依据预定义的颜色和方式，如是否显示网格等效果，完成最终绘制。在三维环境下将空间数据进行分析，通过一系列计算，得到逼进真实的三维模型剖面图，剖面图通过颜色和纹理对各属性进行标注，使相关人员可以非常直观地了解到三维模型内部结构的分布。

附图说明

图1为本发明交点和截面示意图；

图2(1)-图2(6)分别为本发明凸包算法示意图；

图3a、图3b分别为剖面绘制效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，包括以下步骤：

4)剖面绘制。

如图1所示，三棱柱剖切算法主要是计算三棱柱的9条边与指定平面的交点所组成的凸多边形的算法(如下图所示)。计算边(线段)与平面的交点主要用到线性代数中直线方程与平面方程求交点的计算方法。

设直线L与平面Π的方程分别为：

L : \frac{x - x_{0}}{m} = \frac{y - y_{0}}{n} = \frac{z - z_{0}}{p}

Π:Ax+By+Cz+D＝0

直线L的参数方程为

\{\begin{matrix} x = x_{0} + m t \\ y = y_{0} + n t \\ z = z_{0} + p t \end{matrix}

若以L的参数方程代入平面Π的方程可得

(Am+Bn+Cp)t+Ax₀+By₀+Cz₀+D＝0

当(Am+Bn+Cp)≠0时，可求得唯一的t，因而L与Π交于一点，将t代回参数方程即求得交点坐标；

其中，x、y、z为三维坐标，x₀、y₀、z₀是位于直线L上的一点，m、n、p为直线的方向向量；A、B、C是平面Π的法线向量，D是平面Π在法向量方向的偏移量。

如图2(1)-图2(6)所示，求离散点凸包的算法如下：

设某三棱柱集合求剖面交点后得到以下点：

点	x	y	z
				a	48	33	03 -->
b	144	107	0
				c	66	157	0
d	169	18	0
				e	178	171	0

1.点的个数如果小于3的话就直接返回。

2.多于或等于3个点时，先确定一个顺时针的三角形。(起始多边形)

3.在剩余点中，按照下面算法组建凸包：(过程如图2所示)

(a)对交点d来说，在已经是顺时针方向的起始多边形(a,b,c)中，找到顶点a，在以a为顶点的两条边(ca)(ab)处,交点d从边(ca)的右侧转为了边(ab)左侧；

(b)继续对多边形的所有顶点进行搜索，找到顶点b，在顶点b处交点d从边(ab)的左侧转为边(bc)的右侧；

(c)把交点d插入顶点a和顶点b之间，连接成新多边形(adbc)，原多边形顶点a、顶点b之间的顶点全部移除。

如图3(a)、图3(b)所示，在对三棱柱求平面交点时，先要判断该三棱柱的边与平面是否有交点。如果它的所有顶点都在平面的一侧，那就无需再计算(交点为零)。只有它在平面两边都有顶点时，才需要使用上述算法求各边线段与平面的交点，再对这些交点求凸包并绘制出来，就得到了三维模型的剖面图。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，其特征是，包括以下步骤：

4)剖面绘制。

2.根据权利要求1所述的能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，其特征是：所述步骤3)几何运算平面与自己9条边的交点主要用到线性代数中直线方程与平面方程求交点的计算方法，设直线L与平面Π的方程分别为：

L : \frac{x - x_{0}}{m} = \frac{y - y_{0}}{n} = \frac{z - z_{0}}{p}

Π:Ax+By+Cz+D＝0

直线L的参数方程为

\{\begin{matrix} x = x_{0} + m t \\ y = y_{0} + n t \\ z = z_{0} + p t \end{matrix}

若以直线L的参数方程代入平面Π的方程可得

(Am+Bn+Cp)t+Ax₀+By₀+Cz₀+D＝0

3.根据权利要求1所述的能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，其特征是：所述步骤3)中凸包算法为：

设某三棱柱集合求剖面交点后得到以下点：

点 x y z a 48 33 0

b 144 107 0 c 66 157 0 d 169 18 0 e 178 171 0

(1).点的个数如果小于3的话就直接返回；

(3).在剩余交中，按照下面算法组建凸包：

(a.)对交点d来说，在已经是顺时针方向的起始多边形abc中，找到顶点a，在以a为顶点的两条边ca、ab处，交点d从边ca的右侧转为了边ab左侧；

(b.)继续对多边形的所有顶点进行搜索，找到顶点b，在顶点b处交点d从边ab的左侧转为边bc的右侧；

(c.)把交点d插入顶点a和顶点b之间，连接成新多边形adbc，原多边形顶点a、顶点b之间的顶点全部移除。

4.根据权利要求1所述的能够反映地层结构的地质三维模型剖切方法，其特征是：所述步骤4)中的剖面绘制是通过图形拼接合并后进行绘制。