CN105844710B - 一种地质体网格化过程中的数据检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质体网格化过程中的数据检测方法，利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述并构建3D模型，抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体及其派生类的对象，具体包括地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体，在构建3D模型时，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正，主要包括多源数据一体化、布点检测、表面模型检测、体模型检测。通过对地质体网格化过程中各个阶段的分析，提出相应的数据检测及修正方法，以确保网格化能够正确剖分，并使得网格单元的精度能够满足地质工作者的需求。

Description

一种地质体网格化过程中的数据检测方法

技术领域

本发明涉及一种网格化技术，尤其涉及一种地质体网格化过程中的数据检测方法。

背景技术

网格化技术是一种重要的信息处理方法，可以用来表示复杂物体的空间数据。地质体的网格化是将地质体分解为较小的地质单元，单元之间存在关联关系，以离散的形式来描述和分析岩性、断层之类的地质特征，以便进行地质现象的数值计算、可视化渲染及其它工程应用，为开展三维地质模拟奠定基础，使地质工作者可以获得更多的信息。

网格化作为地质工程实践应用的前处理阶段，网格单元的质量直接影响着工程实际问题的解决精度。在网格化技术发展的早期阶段，网格模型通常是由熟练的工程师手工划分，之后交由算法进行自动处理。由于地质现象的复杂性和多样性，导致网格化问题的规模与复杂性也在日益增加。在网格化过程中，按照网格之间的连接关系可分为结构化网格与非结构化网格。结构化网格本身隐含着固定的邻接关系，以四边形、立方体网格单元为主，结构简单，网格化方法包括代数法、偏微分方程法以及超单元映射法，计算结果易于收敛，但是网格单元的精度难以控制与检测。非结构化网格的邻接关系并不固定，需要记录其邻接关系，以四面体、六面体、棱锥体为主要网格单元，能较好表达地质体的边界特征，主要方法有Delaunay法和AFT法，具有边界适应能力，是目前网格化技术的主要研究方向，其中，如何检测复杂地质体剖分时的边界一致性和生成高质量网格单元是难点问题之一。目前，在网格化过程中，无论是样本数据的收集、解释及其处理，还是网格模型的构建，仍然缺乏有效而系统性的检测手段和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种网格化能够正确剖分、网格单元的精度高的地质体网格化过程中的数据检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的地质体网格化过程中的数据检测方法，利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述并构建3D模型，抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体及其派生类的对象，具体包括地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体，在构建3D模型时，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正，主要包括步骤：

A、多源数据一体化：

3D地质建模主要基于区域内的多源数据，该区域记为Ω，将Ω内的边界数据、钻孔数据、剖面数据、3D扫描数据、以及各种解释数据进行一体化处理，生成样本数据集合S，作为地质体网格化的基础数据；

B、布点检测：

由于Ω内的样本数据比较缺乏，需要在其中布置数据点，采用2种方法：

方法一、特征点插入：识别Ω内的地质特征，如断层、尖灭，并根据给定的密度阈值ε，插入相应点，构建点集合F；

方法二、规格化点插入：以Ω最小/大值为界，构建包围盒，对包围盒内进行规格化插入点，生成点集合G；

C、表面模型检测：

以S为网格化的点数据，采用三角形或四边形作为面片，进行网格化剖分，构建地质体的表面模型，并进行下列检测：

约束检测、局部单元优化检测、闭合性检测、自交性检测、流型检测、面片方向性检测；

D、体模型检测：

对已构建地质体的表面模型进行上述检测并修正完成之后，可以进行体剖分，生成相应的四面体或六面体网格模型，并对其进行下列测试：

网格优化检测、吻合度检测、截面检测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的地质体网格化过程中的数据检测方法，利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述并构建3D模型，抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体及其派生类的对象，具体包括地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体，在构建3D模型时，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正。通过对地质体网格化过程中各个阶段的分析，提出相应的数据检测及修正方法，以确保网格化能够正确剖分，并使得网格单元的精度能够满足地质工作者的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的地质体网格化过程中的数据检测方法的总体流程示意图。

图2为本发明实施例中表面模型的拓扑结构示意图。

图3a、图3b、图3c分别为本发明实施例中悬点、悬边、悬面片的约束检测示例。

图4a、图4b、图4c、图4d分别为本发明实施例中穿透性自交、相邻性自交、穿透性自交重构、相邻性自交重构的自交性检测示例。

图5为本发明实施例中流型检测示例。

图6a、图6b分别为本发明实施例共面检测中初始前沿、前沿推进法过程示意图。

图7a、图7b分别为本发明实施例的多源数据一体化处理中的一体化处理示意图和地层样本数据示例。

图8a、图8b分别为本发明实施例的布置数据处理及检测中的特征点插入和规格化点插入示意图。

图9为本发明实施例中表面模型拓扑结构信息示例。

图10a、图10b、图10c、图10d分别为本发明实施例对模型S₄进行约束检测示例中S₄中的冗余面片示例、S₄中的悬点示例、S₄中的悬边示例、约束检测并修正后的S₄网格示例。

图11a、图11b分别为本发明实施例对S₄进行闭合性检测中闭合性检测失败和闭合性检测成功示意图。

图12为本发明实施例中多个地层模型的自交性检测示意图。

图13为本发明实施例中对S₄地层模型实行流型检测示意图。

图14为本发明实施例中S₄的体模型。

图15a、图15b、图15c、图15d分别为本发明实施例截面检测与一体化显示中S₄截面示例、单截面一体化示例、多个截面及其一体化示例、多个截面及其一体化示例的局部放大示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的地质体网格化过程中的数据检测方法，其较佳的具体实施方式是：

利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述并构建3D模型，抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体及其派生类的对象，具体包括地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体，在构建3D模型时，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正，主要包括步骤：

A、多源数据一体化：

3D地质建模主要基于区域内的多源数据，该区域记为Ω，将Ω内的边界数据、钻孔数据、剖面数据、3D扫描数据、以及各种解释数据进行一体化处理，生成样本数据集合S，作为地质体网格化的基础数据；

B、布点检测：

由于Ω内的样本数据比较缺乏，需要在其中布置数据点，采用2种方法：

方法一、特征点插入：识别Ω内的地质特征，如断层、尖灭，并根据给定的密度阈值ε，插入相应点，构建点集合F；

方法二、规格化点插入：以Ω最小/大值为界，构建包围盒，对包围盒内进行规格化插入点，生成点集合G；

C、表面模型检测：

以S为网格化的点数据，采用三角形或四边形作为面片，进行网格化剖分，构建地质体的表面模型，并进行下列检测：

约束检测、局部单元优化检测、闭合性检测、自交性检测、流型检测、面片方向性检测；

D、体模型检测：

对已构建地质体的表面模型进行上述检测并修正完成之后，可以进行体剖分，生成相应的四面体或六面体网格模型，并对其进行下列测试：

网格优化检测、吻合度检测、截面检测。

所述步骤B中：

对于其中，i＝1,2,...m,j＝1,2,...n₀,m为F集合的元素个数，n₀为S的样本初始个数，检测F中的每个点f_i与的距离，如果该距离大于ε，则将f_i合并入S中，即S＝S∪{f_i}，最终获得集合S，且其元素个数为n₁,n₀≤n₁≤m+n₀；

对于其中，k＝1,2,...r,j＝1,2,...n₁,r为G集合的元素个数，检测G中的每个点g_k与的距离，如果该距离大于ε，则进行点g_k在地质体边界区域内的判断，对于在Ω内的点g_k，则将g_k也合并入S中，即S＝S∪{g_k}。

所述步骤C中：

所述约束检测包括：对构成表面模型中的对象点、边、及面片，分别进行冗余性和多余性检测，首先构建表面模型的拓扑结构，即表面模型可以由多个面片构成；面片由边构成，或直接由点构成；边由点构成，通过表面模型的拓扑结构，能准确判断它们之间的关联关系，在此基础上，进行面片、边、点的冗/多余性检测；

所述局部单元优化检测包括：在表面模型中遍历搜索共享边的面片单元，对两个共享边的面片作最大空圆准则检测，如果某个顶点在面片的外接圆之内，则修正对角线，完成单元优化过程的检测，对于无法满足最大空圆准则的，进行局部布点修正；

所述闭合性检测包括：从拓扑结构中任意一条边e_i出发，向上搜索与边e_i共享的面片及其总数N，如果N！＝2,则闭合性检测失败，输出不闭合的边或面片，否则继续下条边的搜索，直至所有边均搜索完毕，且每条边仅被两个面片所共享，说明闭合性检测成功，即表面模型具有闭合性，对于导致非闭合的边或面片，需要修正表面模型中的数据，并重新进行闭合性检测；

所述自交性检测主要针对网格面片的自交性进行检测，包括：对于面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，通过包围盒检测方法，搜索c_j，j∈{1,2,...,M}&&j≠i；并分别计算c_i和c_j的平面方程；再将2个平面方程求交，并进行交点有效性判断，获得交点系列*p，如果p＝NULL，则c_i和c_j不自交，否则返回自交信息，对于自交的网格，按以下两种方法进行网格重构，方法一是返回布点阶段，重新插值及修正数据，方法二是局部添加网格；

所述流型检测包括：对于下列情况，即点、边、面片都为模型的正确网格剖分，但是由于多个网格模型的相邻关系，使得存在某个边被多于2个面片所共享，此时需要进行如下检测：设边e_k，k∈{1,2,...,N}，N为边集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，向上搜索由其构成的面片，记为c_i面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，L为与边e_k共享的面片个数，如果L是奇数，则需要分解表面模型，直至L为偶数；

所述面片方向性检测包括：对于凸面体和凹面体的表面模型，首先过面片内一点做垂直于面片的垂线，最少与模型的其它表面面片有1个交点，当交点个数大于1时，从面片内一点开始的垂线，一端向着模型内部方向延伸，与模型有奇数个交点；另一端向着模型外部方向延伸，与模型有偶数个交点，只要选取向着模型内部方向延伸的这端距离面片最近的交点，就能得到正确的面片特殊内部点，之后以面片内一点为起点，以垂线与其它面片的交点为终点做一条向量，把与面片法向量方向相同的向量对应的交点归为一类，方向相反的归为一类，判断哪一类中具有奇数个交点，从中选择距离面片最近的交点来求特殊内部点，再从这个特殊内部点向面片做垂线，根据垂线与面片法向量的方向关系做出调整，如果垂线的方向与面片法向量的方向相同，则此面片法向量指向模型外部，否则交换任意两个顶点的位置。

所述步骤D中：

所述网格优化检测包括：计算形成网格单元两个面片的夹角，以检测该网格单元的扭曲度；计算网格单元中最长边与最短边之比，检测其比值是否为[1，3]；计算单位雅可比值，检测网格单元雅可比值是否在[0.4,1]范围内，通过设置参数来控制生成网格单元的几何属性，从而提高网格的质量，这些参数主要包括：局部网格尺寸、可接受的全局最大和最小网格尺寸、网格密度、网格分级、元素曲率半径、在封闭边界上的网格精细化和三维网格优化的步数；

所述吻合度检测包括：面积计算，即分别计算体模型网格外边界单元的面积、以及表面模型单元的面积，检测其差值是否趋近0.0；体积计算，即分别计算体模型和表面模型的体积，并检测其差值；共面检测，这种检测一般适用于体模型和表面模型采用相同网格单元的情况，从TIN的网格初始前沿开始，逐层向区域内部推进，直至填满整个区域，对于任意一个面片M为TIN的面片集合的个数，通过遍历相应的TEN模型外边界面片，则一定存在且仅存在一个面片 N为TEN的面片集合的个数，使得c_i和u_j一致；当检测所有TIN中的面片与TEN模型外边界面片中的面片存在上述一致性关系时，返回完全吻合检测信息；

所述截面检测包括：分别对体模型和表面模型进行截面计算与重构，并将它们进行一体化显示，通过检测网格单元的面片、边、点，进行可视化的对比分析。

本发明通过对地质体网格化过程中各个阶段的分析，提出相应的数据检测及修正方法，以确保网格化能够正确剖分，并使得网格单元的精度能够满足地质工作者的需求。一、本发明的总体流程：

地质体包括诸如地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体复杂对象，具有十分复杂的空间展布及其拓扑关系，缺乏使用数值计算解决问题的方法。本发明利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述。抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体，及其派生类的对象，如地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体。

在构建3D模型时，由于样本的稀疏以及对象形状的复杂性，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正。主要步骤如图1所示。

1、多源数据一体化：

3D地质建模主要基于区域内(记为Ω)的多源数据，将Ω内的边界数据、钻孔数据、剖面数据、3D扫描数据、以及各种解释数据进行一体化处理，生成样本数据集合S，作为地质体网格化的基础数据。

2、布点检测：

通常情况下，Ω内的样本数据比较缺乏，需要在其中布置数据点。采用2种方法，1)特征点插入。识别Ω内的地质特征，如断层、尖灭，并根据给定的密度阈值ε，插入相应点，构建点集合F；2)规格化点插入。以Ω最小/大值为界，构建包围盒，对包围盒内进行规格化插入点，生成点集合G。

对于其中，i＝1,2,...m,j＝1,2,...n₀,m为F集合的元素个数，n₀为S的样本初始个数。检测F中的每个点f_i与的距离，如果该距离大于ε，则将f_i合并入S中，即S＝S∪{f_i}。最终获得集合S，且其元素个数为n₁,n₀≤n₁≤m+n₀。

对于其中，k＝1,2,...r,j＝1,2,...n₁,r为G集合的元素个数。检测G中的每个点g_k与的距离，如果该距离大于ε，则进行点g_k在地质体边界区域内的判断。对于在Ω内的点g_k，则将g_k也合并入S中，即S＝S∪{g_k}。

3、表面模型检测：

以S为网格化的点数据，可采用三角形或四边形作为面片，进行网格化剖分，构建地质体的表面模型。为了保证表面模型的可靠性，需要进行下列检测。

1)约束检测。对构成表面模型中的对象点、边、及面片，分别进行冗余性和多余性检测。首先构建表面模型的拓扑结构(如图2所示)，即表面模型可以由多个面片构成；面片由边构成，或直接由点构成；边由点构成。通过表面模型的拓扑结构，可以准确判断它们之间的关联关系，在此基础上，进行面片、边、点的冗/多余性检测。

以边冗/多余性检测为例，设第k条边e_k，在拓扑结构中，首先搜索边集合，如果发现与边e_k相同的边e_q，其中,q∈{1,2,...,N}-{k}，N为边集合的个数，则发生冗余，删除冗余的边e_q，并修正与之关联的拓扑信息,以确保信息的正确性与完整性。之后，再向上搜索e_k是否构成某个或某几个面片，如果搜索结果为NULL，则边e_k多余；否则假设e_k构成面片c_i,i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，需要继续检测面片c_i的多余性；如果向上搜索结果为NULL，则说明边e_k也是多余的；最终将多余的边e_k进行删除处理。其它检测操作类似。如果能够依次进行面片、边、点的冗/多余性检测，则各个对象的检测仅需要在本层及向上搜索一层即可基本完成。通过约束检测，可以检测并删除图3中的悬点p(图3a)、悬边e(图3b)、以及部分悬面片c(图3c)情况。

2)局部单元优化检测。在表面模型中遍历搜索共享边的面片单元，对两个共享边的面片作最大空圆准则检测，如果某个顶点在面片的外接圆之内，则修正对角线，完成单元优化过程的检测。对于无法满足最大空圆准则的，进行局部布点修正。

3)闭合性检测。为了真实地描述地质体，所构建的表面模型通常应该是一个闭合的空间形状，以便表达诸如侵入岩、透镜体、矿体。为此需要对表面模型进行闭合性测试。从拓扑结构中任意一条边e_i出发，向上搜索与边e_i共享的面片及其总数N，如果N！＝2,则闭合性检测失败，输出不闭合的边或面片；否则继续下条边的搜索，直至所有边均搜索完毕，且每条边仅被两个面片所共享，说明闭合性检测成功，即表面模型具有闭合性。对于导致非闭合的边或面片，需要修正表面模型中的数据，并重新进行闭合性检测。闭合性检测也可以搜索出并删除悬面片(图3c)情况。

4)自交性检测。在地质体网格化剖分过程中，由于地质现象的复杂性，以及剖分算法的健壮性，可能导致网格发生自交。自交性检测主要针对网格面片的自交性进行检测。对于面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，通过包围盒检测方法，搜索c_j，j∈{1,2,...,M}&&j≠i；并分别计算c_i和c_j的平面方程；再将2个平面方程求交，并进行交点有效性判断，获得交点系列*p。如果p＝NULL，则c_i和c_j不自交；否则返回自交信息，例如图4a穿透性自交、以及图4b相邻性自交。对于自交的网格，需要进行网格重构，方法1是返回布点阶段，重新插值及修正数据；方法2是局部添加网格，如图4c和图4d，分别对应图4a和图4b的c_i网格重构结果之一。

5)流型检测。为了进一步进行地质体的体模型构建，需要进行流型检测，以确保体剖分算法的稳定性。对于悬点、悬边、悬面片这类非流型，可以通过上述约束检测、闭合性检测实现非流型的检测并删除相关数据。对于下列情况，即点、边、面片都为模型的正确网格剖分，但是由于多个网格模型的相邻关系，使得存在某个边被多于2个面片所共享，此时需要进行如下检测：设边e_k，k∈{1,2,...,N}，N为边集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，向上搜索由其构成的面片，记为c_i面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，L为与边e_k共享的面片个数。如果L是奇数，则需要分解表面模型，直至L为偶数(如图5)。

6)面片方向性检测。为了进行地质体的体剖分以及可视化渲染，需要对所构建表面模型进行面片方向性检测，以保持面片方向一致性并使其法向量指向表面模型外部。对于凸面体和凹面体的表面模型，首先过面片内一点做垂直于面片的垂线，最少与模型的其它表面面片有1个交点。当交点个数大于1时，从面片内一点开始的垂线，一端向着模型内部方向延伸，与模型有奇数个交点；另一端向着模型外部方向延伸，与模型有偶数个交点。只要选取向着模型内部方向延伸的这端距离面片最近的交点，就可以得到正确的面片特殊内部点。之后以面片内一点为起点，以垂线与其它面片的交点为终点做一条向量，可以把与面片法向量方向相同的向量对应的交点归为一类，方向相反的归为一类。判断哪一类中具有奇数个交点，从中选择距离面片最近的交点来求特殊内部点。再从这个特殊内部点向面片做垂线，根据垂线与面片法向量的方向关系做出调整，如果垂线的方向与面片法向量的方向相同，则此面片法向量指向模型外部，否则交换任意两个顶点的位置。

4、体模型检测：

对已构建地质体的表面模型进行上述检测并修正完成之后，可以进行体剖分，生成相应的四面体或六面体网格模型，并对其进行下列测试。

1)网格优化检测。对于构建体模型的网格单元进行优化检测，优化质量直接关系模型的可用性与可靠性，如关系到矿体储量计算分析的精度、工程应用问题。主要方法：计算形成网格单元两个面片的夹角，以检测该网格单元的扭曲度；计算网格单元中最长边与最短边之比，检测其比值是否为[1，3]；计算单位雅可比值，检测网格单元雅可比值是否在[0.4,1]范围内。此外，可以通过设置参数来控制生成网格单元的几何属性，从而提高网格的质量。这些参数主要包括：局部网格尺寸、可接受的全局最大和最小网格尺寸、网格密度、网格分级、元素曲率半径、在封闭边界上的网格精细化和三维网格优化的步数。

2)吻合度检测。重点检测体模型网格外边界与表面模型边界的吻合度，以确保体模型能够最好地逼近表面模型，从而真实反映地质体原貌。主要方法包括：面积计算，即分别计算体模型网格外边界单元的面积、以及表面模型单元的面积，检测其差值是否趋近0.0；体积计算，即分别计算体模型和表面模型的体积，并检测其差值；共面检测，这种检测一般适用于体模型和表面模型采用相同网格单元的情况，以四面体模型TEN和三角形表面模型TIN为例，其网格单元都是3个点组成。从TIN的网格初始前沿开始(图6a)，逐层向区域内部推进，直至填满整个区域(图6b)。这里图6a、6b为2D前沿推进法的基本过程，3D过程类似。对于任意一个面片M为TIN的面片集合的个数，通过遍历相应的TEN模型外边界面片，则一定存在且仅存在一个面片N为TEN的面片集合的个数，使得c_i和u_j一致；当检测所有TIN中的面片与TEN模型外边界面片中的面片存在上述一致性关系时，返回完全吻合检测信息。

3)截面检测。分别对体模型和表面模型进行截面计算与重构，并将它们进行一体化显示，通过检测网格单元的面片、边、点，进行可视化的对比分析。

本发明实现的环境包括硬件环境和软件环境：

硬件环境包括三维地震勘探设备、钻孔、传统测量设备、电子测量设备、GPS、激光扫描仪、高性能PC、服务器。软件环境包括地理信息系统、.net平台和OpenGL图形库。

本发明的特点是：

1)本发明针对目前在网格化过程中缺乏有效而系统性的检测手段和方法，通过对地质体网格化过程中各个阶段的分析，提出相应的数据检测及修正方法。对3D地质建模区域内的数据进行一体化处理，经过布点检测、表面模型检测、体模型检测，为地质体的网格化提供准确的数据。

2)通过构建表面模型的拓扑结构，对表面模型进行约束检测、局部单元优化检测、闭合性检测、自交性检测、流型检测、面片方向性检测一系列的系统性检测，并提出指导性的修正信息和方法，不仅保证表面模型的网格质量及其真实地刻画地质体，而且为地质体的体模型构建提供可剖分的数据。

3)针对如何检测复杂地质体剖分时的边界一致性和生成高质量网格单元难题，本发明提供网格优化检测、吻合度检测、截面检测的方法，可有效地对地质体中存在包含关系、相邻关系时的边界一致性检测及其修正，并使得网格单元的精度能够满足地质工作者的需求。

4)本发明所提供的地质体网格化过程中的数据检测方法,不仅能够检测地质、矿山、石油领域中复杂地质体网格化过程中的数据问题,而且也适用于医学、生物领域中复杂物体网格化过程中的数据检测及其修正问题。

二、具体实施例：

以位于河北一个铁矿为例。

具体步骤如下：

步骤1、将矿区内的边界数据、钻孔数据、剖面数据、3D扫描数据、以及各种解释数据进行一体化处理(图7a)，生成各个地层的样本数据集合{S₁,S₂,...,S₉}。以如图7b地层S₄的样本数据为例，对其它样本操作类似。它们将作为地质体网格化的基础数据。

步骤2、从图7a、图7b可见，矿区内的样本数据比较缺乏，需要在其中布置数据点。首先可识别区内的断层，并根据给定的密度阈值ε＝50，插入相应点，构成断层F₂的点集(图8a)。之后进行规格化点插入，设置诸如X/Y/Z方向的密度、XY旋转角度系列参数，获得规格化点集(图8b)。将所生成的点合并入S₄中，以备网格化之用。

步骤3、进行表面模型检测，具体步骤如下：

步骤301、以S₄为网格化的点数据，进行网格化剖分，构建地层S₄的表面模型，并生成该表面模型的拓扑结构。如图9表示S₄的拓扑结构在缓存中的存储形式，分别显示了构成S₄的其中第10个和第22个面片及其拓扑信息。

步骤302、对构成表面模型S₄中的对象点、边、及面片，分别进行冗余性和多余性检测。在拓扑结构中，搜索构成S₄的面片集合，发现面片冗余(图10a)，则可从S₄的面片集合中删除此冗余面片，并修正与之关联的拓扑信息；通过向上搜索可分别发现多余点(图10b)和多余边(图10c)，并删除相关的悬点和悬边，最终可以获得经过约束检测并修正后的S₄网格(图10d)。

步骤303、由于S₄地层中包含了若干条断层，并进行了特征点插入，在保持断层特征边的前提下，对S₄地层模型中的局部网格单元进行优化检测，对于无法满足最大空圆准则的，转入步骤2，进行局部布点修正。

步骤304、对S₄地层模型进行闭合性检测，从拓扑结构中任意一条边e_i出发，向上搜索与边e_i共享的面片及其总数N，如果N！＝2,则闭合性检测失败，并输出不闭合的相关边(图11a)，转入步骤301，对模型进行局部重构；否则继续下条边的搜索，直至所有边均搜索完毕，且每条边仅被两个面片所共享，则S₄地层模型具有闭合性(图11b)。

步骤305、分别对S₂、S₄地层模型进行自交性检测，如果检测失败，则转入步骤301，对模型进行局部修正与重构；如果检测成功，而由于S₂是侵入岩且侵入到S₄地层中，属于地质体中存在包含关系，则需要将2个地层模型合并，再进行自交性检测。结果如图12所示，网格发生穿透性自交，则转入步骤301，进行局部添加网格重构。

步骤306、对S₄地层模型实行流型检测，在所构建S₄模型的拓扑结构中，向上搜索并发现存在边被偶数个面片所共享(如图13)，则不需要分解S₄模型。

步骤307、对S₄地层模型进行面片方向性检测。遍历S₄模型所有表面面片，逐个进行调整。先寻找面片对应的特殊内部点，再从这个特殊内部点向面片做垂线，根据垂线与面片法向量的方向关系做出调整。具体步骤如下：

步骤3071、选定面片内一点。假设模型的某个表面面片ABC的初始排列顺序为A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)，取AB中点为D，取CD中点为E(x_e,y_e,z_e)，选定面片ABC内一点E。

步骤3072、求过面片内一点且垂直于面片的直线。利用向量积求面片ABC的法向量n＝(m,n,p)。

n＝AB×BC (1)

向量积可以通过行列式求解：

过点E且垂直于面片ABC的直线L₁的参数方程如下，其中t为参数，因为直线L₁平行于面片ABC的法向量n，所以直线L₁的方向向量可以取法向量n。

步骤3073、求直线与模型其它表面面片的所有交点。直线L₁与除面片ABC外的其它表面面片最少有一个交点，需要求出所有交点的坐标。依次求直线与面片所在平面的交点，判断交点与面片的位置关系，位置关系有两大类：交点在面片内或外。取模型一表面面片A₁B₁C₁为例说明直线与面片交点的求法。先求面片A₁B₁C₁所在平面的点法式方程。已知面片A₁B₁C₁三个顶点的坐标分别为A₁＝(x_a,y_a,z_a)、B₁＝(x_b,y_b,z_b)和C₁＝(x_c,y_c,z_c)，根据式(1)求得面片A₁B₁C₁的法向量n₁＝(n_1x,n_1y,n_1z)，又已知面片所在平面上一点A₁，可得面片所在平面的点法式方程如下。

n_1x(x-x_a)+n_1y(y-y_a)+n_1z(z-z_a)＝0 (3)

把式(2)代入式(3)得到参数t的值，从而求得交点P₁＝(p_1x,p_1y,p_1z)的坐标。

求得交点坐标后，判断交点P₁落在面片A₁B₁C₁内还是外，分别连接交点P₁和面片的三个顶点，形成向量P₁A₁、P₁B₁和P₁C₁，然后依次求两两向量的向量积P₁A₁B₁＝P₁A₁×P₁B₁、P₁B₁C₁＝P₁B₁×P₁C₁和P₁C₁A₁＝P₁C₁×P₁A₁。如果交点在面片内，则这三个向量积的方向相同，如果交点在面片外，则有一个向量积的方向与其它两个的方向刚好相反。利用如下的向量积判断P₁A₁B₁、P₁B₁C₁和P₁C₁A₁三个向量的方向是否相同。

通过对交点与面片位置关系可能存在的所有情况的分析与归纳，共得到如表1所示的五类情况。表1中条件指公式(4)中dot1、dot2和dot3计算结果的正负(正负的表示与dot1、dot2和dot3的顺序无关)。

表1交点与面片的位置关系

以上五类包括了所有可能存在的情况，可以判断交点与面片的位置关系。当交点落在面片的顶点或边上时，一个交点可能被2个或2个以上的面片所共有，此时要注意只能算做一个交点。

步骤3074、选择奇数端离面片距离最近的交点。做一条从面片上一点指向交点的向量，根据此向量与面片法向量的关系，可以把交点分为两类：与法向量方向相同的归为一类；方向相反的归为一类。选择包含奇数个交点的一类中离面片距离最近的交点。

步骤3075、求面片的特殊内部点。以所选交点和面片上一点的中点作为面片的特殊内部点。再调整面片前两个顶点的顺序，即已经找到面片的特殊内部点，从特殊内部点向面片做垂线，如果和面片法向量方向相同，无需调整；如果和面片法向量方向相反，则交换面片任意两个顶点的顺序。

步骤4、体模型检测

步骤401、对S₄模型进行上述测试并修正完成之后，可以进行体剖分，生成相应的四面体网格模型(如图14)，并对其进行下列测试。

步骤402、通过设置可接受的全局最大尺寸(1e6)、网格密度(1)、网格分级(0)、启动在封闭边界上的网格精细化和三维网格优化的步数，来控制生成网格单元的几何属性，对S₄的体模型进行网格优化。

步骤403、对地层S₁和S₂分别检测体模型网格外边界与表面模型边界的吻合度；而由于S₁和S₂为地质体中存在的相邻关系，需要进一步进行模型合并之后的吻合度检测。由表2可知，检测所有TIN中的面片与TEN模型外边界面片中的面片存在一致性关系，返回完全吻合检测信息。

表2地层S₁和S₂吻合度检测信息

步骤404、分别对S₄的体模型和表面模型进行截面计算与重构，如图15a为任意一个截面的计算结果，并将截面和S₄的表面模型进行一体化显示(如图15b)。为了进行区域整体性的检测，可以进行任意多截面的计算，如图15c为分别对S₅、S₆、S₇的体模型和表面模型进行任意多个截面及其一体化显示，其中，截面的边界用边界点突出表达。之后，可以通过检测网格单元的面片、边、点，进行可视化的对比分析，如图15d是对图15c中的局部放大结果，以检测截面与表面模型的数据一致性。

步骤5、将构建并检测通过的体模型和表面模型，进行工程应用，为解决地质复杂现象提供可靠的平台，使地质工作者可以获得更多的地下信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种地质体网格化过程中的数据检测方法，其特征在于，利用非数值计算方法，对虚拟地质环境中的对象及其之间的相互关系加以描述并构建3D模型，抽象的地质对象主要包括点、边、面片、表面和体及其派生类的对象，具体包括地层、断层、侵入岩、透镜体、矿体，在构建3D模型时，需要在各个构建过程中进行数据检测，并指导数据及模型的修正，主要包括步骤：

A、多源数据一体化：

3D地质建模主要基于区域内的多源数据，该区域记为Ω，将Ω内的边界数据、钻孔数据、剖面数据、3D扫描数据、以及各种解释数据进行一体化处理，生成样本数据集合S，作为地质体网格化的基础数据；

B、布点检测：

由于Ω内的样本数据比较缺乏，需要在其中布置数据点，采用2种方法：

方法一、特征点插入：识别Ω内的地质特征，如断层、尖灭，并根据给定的密度阈值ε，插入相应点，构建点集合F；

方法二、规格化点插入：以Ω最小/大值为界，构建包围盒，对包围盒内进行规格化插入点，生成点集合G；

C、表面模型检测：

以S为网格化的点数据，采用三角形或四边形作为面片，进行网格化剖分，构建地质体的表面模型，并进行下列检测：

约束检测、局部单元优化检测、闭合性检测、自交性检测、流型检测、面片方向性检测；

D、体模型检测：

对已构建地质体的表面模型进行上述检测并修正完成之后，进行体剖分，生成相应的四面体或六面体网格模型，并对其进行下列测试：

网格优化检测、吻合度检测、截面检测；

所述步骤B中：

对于其中，i＝1,2,...m,j＝1,2,...n₀,m为F集合的元素个数，n₀为S的样本初始个数，检测F中的每个点f_i与的距离，如果该距离大于ε，则将f_i合并入S中，即S＝S∪{f_i}，最终获得集合S，且其元素个数为n₁,n₀≤n₁≤m+n₀；

对于其中，k＝1,2,...r,j＝1,2,...n₁,r为G集合的元素个数，检测G中的每个点g_k与的距离，如果该距离大于ε，则进行点g_k在地质体边界区域内的判断，对于在Ω内的点g_k，则将g_k也合并入S中，即S＝S∪{g_k}；

所述步骤C中：

所述约束检测包括：对构成表面模型中的对象点、边、及面片，分别进行冗余性和多余性检测，首先构建表面模型的拓扑结构，即表面模型由多个面片构成；面片由边构成，或直接由点构成；边由点构成，通过表面模型的拓扑结构，能准确判断它们之间的关联关系，在此基础上，进行面片、边、点的冗/多余性检测；

所述局部单元优化检测包括：在表面模型中遍历搜索共享边的面片单元，对两个共享边的面片作最大空圆准则检测，如果某个顶点在面片的外接圆之内，则修正对角线，完成单元优化过程的检测，对于无法满足最大空圆准则的，进行局部布点修正；

所述闭合性检测包括：从拓扑结构中任意一条边e_i出发，向上搜索与边e_i共享的面片及其总数N，如果N！＝2,则闭合性检测失败，输出不闭合的边或面片，否则继续下条边的搜索，直至所有边均搜索完毕，且每条边仅被两个面片所共享，说明闭合性检测成功，即表面模型具有闭合性，对于导致非闭合的边或面片，需要修正表面模型中的数据，并重新进行闭合性检测；

所述自交性检测主要针对网格面片的自交性进行检测，包括：对于面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，通过包围盒检测方法，搜索c_j，j∈{1,2,...,M}&&j≠i；并分别计算c_i和c_j的平面方程；再将2个平面方程求交，并进行交点有效性判断，获得交点系列*p，如果p＝NULL，则c_i和c_j不自交，否则返回自交信息，对于自交的网格，按以下两种方法进行网格重构，方法一是返回布点阶段，重新插值及修正数据，方法二是局部添加网格；

所述流型检测包括：对于下列情况，即点、边、面片都为模型的正确网格剖分，但是由于多个网格模型的相邻关系，使得存在某个边被多于2个面片所共享，此时需要进行如下检测：设边e_k，k∈{1,2,...,N}，N为边集合的个数，在所构建表面模型的拓扑结构中，向上搜索由其构成的面片，记为c_i面片，i∈{1,2,...,M}，M为面片集合的个数，L为与边e_k共享的面片个数，如果L是奇数，则需要分解表面模型，直至L为偶数；

所述面片方向性检测包括：对于凸面体和凹面体的表面模型，首先过面片内一点做垂直于面片的垂线，最少与模型的其它表面面片有1个交点，当交点个数大于1时，从面片内一点开始的垂线，一端向着模型内部方向延伸，与模型有奇数个交点；另一端向着模型外部方向延伸，与模型有偶数个交点，只要选取向着模型内部方向延伸的这端距离面片最近的交点，就能得到正确的面片特殊内部点，之后以面片内一点为起点，以垂线与其它面片的交点为终点做一条向量，把与面片法向量方向相同的向量对应的交点归为一类，方向相反的归为一类，判断哪一类中具有奇数个交点，从中选择距离面片最近的交点来求特殊内部点，再从这个特殊内部点向面片做垂线，根据垂线与面片法向量的方向关系做出调整，如果垂线的方向与面片法向量的方向相同，则此面片法向量指向模型外部，否则交换任意两个顶点的位置；

所述步骤D中：

所述网格优化检测包括：计算形成网格单元两个面片的夹角，以检测该网格单元的扭曲度；计算网格单元中最长边与最短边之比，检测其比值是否为[1，3]；计算单位雅可比值，检测网格单元雅可比值是否在[0.4,1]范围内，通过设置参数来控制生成网格单元的几何属性，从而提高网格的质量，这些参数主要包括：局部网格尺寸、可接受的全局最大和最小网格尺寸、网格密度、网格分级、元素曲率半径、在封闭边界上的网格精细化和三维网格优化的步数；

所述吻合度检测包括：面积计算，即分别计算体模型网格外边界单元的面积、以及表面模型单元的面积，检测其差值是否趋近0.0；体积计算，即分别计算体模型和表面模型的体积，并检测其差值；共面检测，这种检测一般适用于体模型和表面模型采用相同网格单元的情况，从TIN的网格初始前沿开始，逐层向区域内部推进，直至填满整个区域，对于任意一个面片M为TIN的面片集合的个数，通过遍历相应的TEN模型外边界面片，则一定存在且仅存在一个面片 N为TEN的面片集合的个数，使得c_i和u_j一致；当检测所有TIN中的面片与TEN模型外边界面片中的面片存在上述一致性关系时，返回完全吻合检测信息；

所述截面检测包括：分别对体模型和表面模型进行截面计算与重构，并将它们进行一体化显示，通过检测网格单元的面片、边、点，进行可视化的对比分析。