CN105719342A - 一种地裂缝地质体的三维建模可视化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法及装置，该方法包括：步骤1：读取输入的多源地质数据文件，反演出地质结构数据，储存于数据存储模块；读取地裂缝控制点文件、地裂缝特征信息文件，并将读取的数据组组织为地裂缝数据储存于数据存储模块；步骤2：对建立的三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间布尔运算，得到三维地裂缝地质体模型；步骤3：利用可视化图形接口根据需求渲染三维地质体模型、三维地裂缝模型和三维地裂缝地质体模型，完成地裂缝地质体的三维可视化表达。本发明能够描述地裂缝模型与地质体模型间的拓扑关系，支持空间拓扑运算。

Description

一种地裂缝地质体的三维建模可视化方法及装置

技术领域

本发明属于地裂缝灾害监测与防治技术领域，具体涉及一种针对地裂缝的地质体三维建模与可视化的方法及装置，特别是基于可视化技术的地裂缝灾害监测与防治的管理决策支持与地裂缝灾害的科普教育。

背景技术

三维地裂缝地质体建模与可视化技术是地裂缝灾害监测与防治工作中真实反映地裂缝形态特征的重要手段，并且能帮助研究人员深刻理解地裂缝在地层中的空间展布形态。现有的针对地裂缝地质体的建模与可视化方法或采用多边形切割的方式表现地表裂缝，或以一个纵向面表示地裂缝，在地表上以折线段的形式体现。这些方法只能对地裂缝进行示意性表达，缺乏对地裂缝三维特征的真实描述。并且，现有方法没有记录地质体与地裂缝之间的空间拓扑关系，增加了空间查询、分析的难度。

因此，有必要开发出一种新型实用的方法，对地裂缝地质体进行三维建模及可视化表达。特别是对于一些不具备专业知识的决策者来说，对地裂缝地质体进行真三维可视化表达将更有助于他们理解地裂缝的形成机理、发展过程以及对地表建筑的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于通过三维建模以及可视化技术真实描述地裂缝地质体的三维形态特征，解决当前方法无法直观表现地裂缝地质体的问题，为此本发明提供一种针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法及装置。

为达成所述目的，本发明的第一方面是提供一种针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法，该方法的步骤如下：

步骤1：读取输入的多源地质数据文件，反演出地质结构数据，储存于数据存储模块；读取地裂缝控制点文件、地裂缝特征信息文件，并将读取的数据组组织为地裂缝数据储存于数据存储模块；

步骤2：对建立的三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间布尔运算，得到三维地裂缝地质体模型；

步骤3：利用可视化图形接口根据需求渲染三维地质体模型、三维地裂缝模型和三维地裂缝地质体模型，完成地裂缝地质体的三维可视化表达。

为达成所述目的，本发明的第二方面是提供一种使用所述针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法的针对地裂缝地质体的三维建模可视化装置，该装置的技术方案包括：第一输入模块、第二输入模块、数据存储模块、第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和三维可视化模块，其中：

数据存储模块与第一输入模块连接，获得第一输入模块输出的地质结构数据；

数据存储模块与第二输入模块连接，获得第二输入模块输出的地裂缝数据；

第一控制模块和第二控制模块分别连接数据存储模块，第一控制模块接收地质结构数据，建立三维地质体模型；第二控制模块接收地裂缝数据，建立三维地裂缝模型；

第三控制模块与对应的第一控制模块和第二控制模块连接；第三控制模块通过对三维地质体模型和三维地裂缝模型间的空间布尔运算操作，得到三维地裂缝地质体模型；

三维可视化模块与对应的第三控制模块、第一控制模块以及第二控制模块连接；三维可视化模块通过三维地裂缝地质体模型、三维地质体模型以及三维地裂缝模型，获得地裂缝地质体的三维可视化表达。

本发明相对于现有技术，具有以下优点和积极效果：

(1)通过模型间的空间布尔运算，使三维地裂缝地质体模型既包含地层起伏信息，又结合模拟的地裂缝三维模型，能够真实描述地裂缝三维形态特征，为地裂缝灾害研究者提供更直观的空间体信息。

(2)通过记录三维地裂缝模型与三维地质体模型间的广义三棱柱体元的拓扑关系，能够描述三维地裂缝模型与三维地质体模型间的拓扑关系，支持空间拓扑运算，在地裂缝灾害预测和防治研究工作中，为灾害影响范围等空间分析提供空间数据基础。

附图说明

图1是本发明的三维可视化装置的示意图。

图2是本发明的三维可视化方法的流程图。

图3是本发明的地裂缝倾角与地裂缝深度说明图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，下面以具体实施并结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1示出，本发明针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法，该方法的步骤如下：

步骤1：读取输入的多源地质数据文件，反演出地质结构数据，储存于数据存储模块；读取地裂缝控制点文件、地裂缝特征信息文件，并将读取的数据组组织为地裂缝数据储存于数据存储模块；

步骤2：对建立的三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间布尔运算，得到三维地裂缝地质体模型；

步骤3：利用可视化图形接口根据需求渲染三维地质体模型、三维地裂缝模型和三维地裂缝地质体模型，完成地裂缝地质体的三维可视化表达。

实施例1

本实施例是使用如图1的方法实现图2所示为针对地裂缝地质体的三维建模可视化装置的实施例，本发明在计算机中实现。本发明装置包括：第一输入模块1、第二输入模块2、数据存储模块3、第一控制模块4、第二控制模块5、第三控制模块6和三维可视化模块7，其中：

数据存储模块3与第一输入模块1连接，获得第一输入模块1输出的地质结构数据；

数据存储模块3与第二输入模块2连接，获得第二输入模块2输出的地裂缝数据；

第一控制模块4和第二控制模块5分别与数据存储模块3连接，第一控制模块4接收地质结构数据，建立三维地质体模型；第二控制模块5接收地裂缝数据，建立三维地裂缝模型；

第三控制模块6与对应的第一控制模块4和第二控制模块5连接；第三控制模块6通过对三维地质体模型和三维地裂缝模型间的空间布尔运算操作，得到三维地裂缝地质体模型；

三维可视化模块7与对应的第三控制模块6、第一控制模块4以及第二控制模块5连接；三维可视化模块7通过三维地裂缝地质体模型、三维地质体模型以及三维地裂缝模型，获得地裂缝地质体的三维可视化表达。

所述第一输入模块1，将采集的多源地质数据转换为统一的地质结构数据。

所述第二输入模块2，将输入的地裂缝文件，按设定的地裂缝点序规则组织成为描述地裂缝形态的地裂缝数据。

所述数据存储模块3，以二进制的形式存储地质结构数据和地裂缝数据。

实施例2

续请参阅图2所示实现针对地裂缝地质体的三维建模可视化装置的实施例，本实施例中数据存储模块3与第一输入模块1连接，接收第一输入模块1输出的地质结构数据，并以二进制的形式存储到数据存储模块待下一步操作；第一输入模块1将采集的多源地质数据(包括钻孔采样数据、地震勘探信息等)转换为地质结构数据。所述的地质结构数据是反映不同地层的顶面数字高程信息(X，Y，Z)以及相应的地层属性(岩性描述)的数据点集合，每个地层数据点贯穿各地层；

数据存储模块3与第二输入模块2连接，接收第二输入模块2输出的地裂缝数据，并以二进制的形式存储入数据存储模块3待下一步操作；所述的地裂缝数据包括地裂缝控制点数据和地裂缝特征数据；地裂缝控制点是由地裂缝在地表的轮廓抽析出来的离散点；

第一控制模块4和第二控制模块5分别与数据存储模块3连接。第一控制模块4接收地质结构数据，利用地质结构数据建立三维地质体模型；所述的三维地质体模型是以广义三棱柱为基本体元，层序组合的体元集合体；第二控制模块5接收地裂缝数据，利用地裂缝数据建立三维地裂缝模型；所述三维地裂缝模型是带状组合的广义三棱柱体元集合体；

第三控制模块6分别与第一控制模块4和第二控制模块5连接。第三控制模块6获得三维地质体模型和三维地裂缝模型，并通过对两个模型间的空间布尔运算操作，得到三维地裂缝地质体模型；所述的空间布尔运算操作是对三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间相交计算，去除三维地质体模型中相交的区域；所述的三维地裂缝地质体模型是通过空间布尔运算操作后得到的去除相交区域的三维地质体模型；

三维可视化模块7与第三控制模块6、第一控制模块4以及第二控制模块5连接。利用可视化图形接口对三维可视化模块接收的三维地裂缝地质体模型、三维地质体模型以及三维地裂缝模型进行三维可视化表达。

实施例3

续请参阅图2所示实现针对地裂缝地质体的三维建模可视化装置的实施例，在实施例2的基础上，本实施例所述第一输入模块1，将地质结构数据以二维链表形式组织，每个链表节点的行序为其所在岩层的层序，列序为其所在所处钻孔的序号；

所述地裂缝特征数据为地裂缝深度数据和倾角数据，记录了地裂缝垂向上的形态特征；所述的地裂缝点序规则是以某一端地裂缝控制点为起始点，按顺时针顺序排列地裂缝控制点数据，并用链表记录。

实施例4

续请参阅图1是针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法的所述装置，本实施例的具体步骤如下：

步骤1：使用包括第一输入模块1、第二输入模块2、数据存储模块3、第一控制模块4、第二控制模块5、第三控制模块6和三维可视化模块7的所述装置，第一输入模块1，读取输入的多源地质体文件，从数据中反演出地质结构数据，即各地层顶板离散点坐标和岩性信息，并按层序以二维链表形式组织储存于数据存储模块3。第二输入模块2读取地裂缝控制点文件、地裂缝特征信息文件，将读取的数据按地裂缝轮廓的顺时针顺序排列，组织为地裂缝数据储存于数据存储模块3。

步骤2：利用第一控制模块4接收的地质结构数据，采用广义三棱柱法(GTP)建立三维地质体模型。广义三棱柱方法首先利用表层数据建立不规则三角网，再由不规则三角网中的每一个三角形向下扩展，逐层生成广义三棱柱。此方法能够解决包括尖灭、分叉和断层等复杂地层结构。并且当地层形态、结构和拓扑关系等发变化时，也可通过对广义三棱柱法体元进行变形、剖切来处理。

利用第二控制模块5接收的地裂缝数据，采用空间几何关系推算地裂缝在消隐处折线点的坐标。设定推演地裂缝折线点的步骤包括：

(1)地裂缝剖面呈类“V”字形；

(2)如图3中示出由地裂缝地表起点A、止点B与地裂缝底端起点A'、止点B'组成平面，该平面与水平面CC’DD’的夹角为地裂缝倾角；

(3)地裂缝消隐处为折线段，除起点A'、止点B'外，每个折点是一对地裂缝控制点的中点在地裂缝消隐处平面的投影平移(Δx,Δy)后的结果，平移后满足中点、折点、投影点夹角等于地裂缝倾角。

本发明的地裂缝控制点偏移量计算公式如下表示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=\frac{Depth\×\cos \[\arctan \left(\frac{x_0-x_{n/2}}{y_0-y_{n/2}}\right)\]}{\tan \left(Angle\right)}\\ \mathrm{\Δ}y=\frac{Depth\×\sin \[\arctan \left(\frac{x_0-x_{n/2}}{y_0-y_{n/2}}\right)\]}{\tan \left(Angle\right)}\end{array}---\left(1\right)$

公式1中：Δx、Δy分别为X轴和Y轴方向上的偏移量，x₀、y₀为地裂缝控制点中第一个点的X、Y坐标，x_n/2、y_n/2为地裂缝控制点中第n/2+1个点的X、Y坐标、n为地裂缝控制点的总数，Depth为地裂缝深度，Angle为地裂缝倾角；

计算地裂缝折线控制点坐标(x′_i,y′_i,z′_i)如下公式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=\frac{x_i+x_{n-1}}{2}+\mathrm{\Δ}x\\ y_i^{\′}=\frac{y_i+y_{n-1}}{2}+\mathrm{\Δ}y\\ z_i^{\′}=Depth\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=x_i+\mathrm{\Δ}x\\ y_i^{\′}=y_i+\mathrm{\Δ}y\\ z_i^{\′}=Depth\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，x_i、y_i、z_i为地裂缝控制点中第i+1个点的X、Y、Z坐标，x_n-1、y_n-1为地裂缝控制点中第n个点的X、Y坐标。公式2为1≤i≤n/2-1时，地裂缝折线控制点坐标(x′_i,y′_i,z′_i)的计算公式；公式3为当i＝0或i＝n/2时，地裂缝折线控制点坐标(x′_i,y′_i,z′_i)的计算公式。最后由控制点按顺序连接得到地裂缝折线。

第二控制模块5接收地裂缝数据，建立三维地裂缝模型的主要步骤如下:

(1)用地裂缝数据中的地裂缝控制点数据一端为起点，向另一端扩展地裂缝控制点生成一条三角形带；

(2)以上一步中起点开始，向另一端扩展地裂缝控制点和地裂缝折线控制点生成广义三棱柱；

(3)组合以上生成的广义三棱柱，形成一个广义三棱柱带。最后形成的广义三棱柱带即为三维地裂缝模型。

步骤3：第三控制模块6通过对建立的三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间布尔操作，得到三维地裂缝地质体模型。所述的空间布尔操作，首先是求出模型间相交部分，主要过程包括：

(1)将三维地裂缝模型两侧的三角形带中每个三角形所在平面作为剖切面(通常这些三角形不在同一平面上，因此将产生多个剖切面)，记录这些剖切平面为集合P；

(2)遍历第k层地层的广义三棱柱法体元集合U_k，逐一判断是否与地裂缝实体相交，并记录相交的广义三棱柱法体元到集合G_k；

(3)用集合P中的每一个平面对集合G_k中的每一个广义三棱柱法体元进行剖切操作。

(4)将剖切后新产生的广义三棱柱法体元与三维地裂缝实体模型做相交判断，不相交的广义三棱柱法体元加入集合U_k，相交的广义三棱柱法体元放回集合G_k。

(5)重复步骤(3)，直至没有新广义三棱柱法体元产生。

(6)k＝k+1，重复步骤(2)，直至无下一可操作地层。布尔运算结束后，集合U_k为剔除地裂缝区域后组成第k层地层的广义三棱柱法体元集合，集合G_k中的元素为原第k层三维地质体模型与三维地裂缝模型重叠区域中的广义三棱柱法体元。用集合G_k组成的模型替换原有的三维地裂缝模型，使得集合U_k与集合G_k中广义三棱柱法体元间的拓扑关系成为三维地质体模型与三维地裂缝模型拓扑关系。

步骤4：根据需求渲染模型，三维可视化模块7可根对三维地裂缝地质体模型、三维地质体模型以及三维地裂缝模型中单个个或多个模型进行绘制。三维可视化模块7利用OpenGL(全写OpenGraphicsLibrary)是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像(二维的亦可)绘制所需展示的模型中体元的每一个面，实现对模型的三维可视化展示。

以上所述，本实施例仅是对本发明方法作举例说明。并非用以限定本发明的实质技术内容范围，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法，该方法的步骤如下：

步骤1：读取输入的多源地质数据文件，反演出地质结构数据，储存于数据存储模块；读取地裂缝控制点文件、地裂缝特征信息文件，并将读取的数据组组织为地裂缝数据储存于数据存储模块；

步骤2：对建立的三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间布尔运算，得到三维地裂缝地质体模型；

步骤3：利用可视化图形接口根据需求渲染三维地质体模型、三维地裂缝模型和三维地裂缝地质体模型，完成地裂缝地质体的三维可视化表达。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述地质结构数据建立三维地质体模型，所述三维地质体模型是以广义三棱柱为基本体元，层序组合的体元集合体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述地裂缝数据建立三维地裂缝模型，所述三维地裂缝模型是带状组合的广义三棱柱体元集合体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过空间布尔运算操作后得到去除相交区域的三维地裂缝地质体模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空间布尔运算操作是对三维地质体模型和三维地裂缝模型进行空间相交计算，去除三维地质体模型中相交的区域。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立三维地裂缝模型的步骤如下:

(1)用地裂缝数据中的地裂缝控制点数据一端为起点，向另一端扩展地裂缝控制点生成一条三角形带；

(2)以起点开始，向起点的另一端扩展地裂缝控制点和地裂缝折线控制点生成广义三棱柱；

(3)组合生成的广义三棱柱，形成一个广义三棱柱带，最后形成的广义三棱柱带即为三维地裂缝模型。

7.一种使用权利要求1-6任一项所述针对地裂缝地质体的三维建模可视化方法的针对地裂缝地质体的三维建模可视化装置，其特征在于，该装置案包括：第一输入模块、第二输入模块、数据存储模块、第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和三维可视化模块，其中：

数据存储模块与第一输入模块连接，获得第一输入模块输出的地质结构数据；

数据存储模块与第二输入模块连接，获得第二输入模块输出的地裂缝数据；

第一控制模块和第二控制模块分别连接数据存储模块，第一控制模块接收地质结构数据，建立三维地质体模型；第二控制模块接收地裂缝数据，建立三维地裂缝模型；

第三控制模块与对应的第一控制模块和第二控制模块连接；第三控制模块通过对三维地质体模型和三维地裂缝模型间的空间布尔运算操作，得到三维地裂缝地质体模型；

三维可视化模块与对应的第一控制模块、第二控制模块以及第三控制模块连接；三维可视化模块通过三维地裂缝地质体模型、三维地质体模型以及三维地裂缝模型，获得地裂缝地质体的三维可视化表达。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一输入模块，将采集的多源地质数据转换为统一的地质结构数据。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二输入模块，将输入的地裂缝文件，按设定的地裂缝点序规则组织成为描述地裂缝形态的地裂缝数据。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据存储模块，以二进制的形式存储地质结构数据和地裂缝数据。