CN107886572A - 一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，包括步骤如下：(1)导入三维地层面三角网模型，用户设置对所述三维地质模型空间进行网格体划分的网格精度；(2)对所述三维地层面三角网模型进行固定网格体划分；(3)记录下每个网格体内含有的所有三角形信息；(4)运用基于视觉观察的漫水块体追踪法，得到各个块体对应的外表面三角形集合。本发明的优点在于：使用的算法不但能对不具有拓扑一致性的三维地层面三角网模型机型块体追踪，并且在原三维地层面三角网模型不具有拓扑一致性的情况下仍然能得出准确的结果。

Description

一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法

技术领域

本发明涉及三维地质建模技术领域，特别涉及一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法。

背景技术

三维地质建模中，地层面均是由三角网表示的。对块体进行追踪是指找出所述三角网中能作为所述块体表面的三角形集合。当多个层面相交的情况出现时，若多个层面相交部分的三角形没有出现拓扑结构错乱的情况，则称这些层面具有拓扑一致性。传统的块体追踪算法，为了在执行之前确保曲面模型的拓扑一致性，需要进行曲面求交和裁剪操作。当地质模型较为复杂时，多次的求交和裁剪使得三角网在交线附近变得密集且不均匀，三角网尺寸差异变大，难以得到拓扑一致的三角网曲面。使用传统的块体追踪算法对这种局部非拓扑一致的模型进行块体追踪会出现不可预期的错误：可能会得出不封闭的块体，交线处出现犬齿交错的现象；也可能会完全丢失块体。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，能有效地解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，包括如下步骤：

S1：导入三维地层面三角网模型，用户设置对所述三维地层面三角网模型空间进行网格体划分的网格精度；

S2：对所述三维地层面三角网模型进行固定网格体划分；

S3：记录下每个网格体内含有的所有三角形信息；

S4：运用基于视觉观察的漫水块体追踪法，得到各个块体对应的表面三角形集合。

进一步，所述步骤S1中的网格体划分的网格精度是指所述三维地层面三角网模型将要被划分为的单位网格的大小；

进一步，所述步骤S2中的对三维地层面三角网模型进行固定网格体划分是指根据用户指定的网格精度，将所三维地层面三角网模型平均划分为符合用户指定精度的网格，之后再用一个三维数组将所述划分出的网格体存储起来；

进一步，所述步骤S3中记录每个网格体内含有的三角形信息的具体步骤为：

S31：遍历每一个地层面三角网，对于每一个地层面三角网，进行步骤32所述的操作；

S32：遍历所述地层面三角网上的每一个三角形，对于每一个三角形，进行步骤S33所述的操作；

S33：遍历所述三角形的每一个顶点，对于每一个顶点，进行步骤S34所述的操作；

S34：通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在所述三维数组中的下标，以此取得所述顶点所在的网格体，对所述顶点所在网格体进行步骤S35所述的操作；

S35：将所述地层面三角网编号以及所述三角形在其所在地层面三角网中的编号加入到所述网格体已保存的三角形信息集合中。

进一步，所述步骤S34中，通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在三维数组中的下标的具体做法为：用每一维的坐标分别除去网格体在该维度上的规模并向下取整，即为网格体在该维度上的下标；由顶点坐标三个维度上的值分别进行同样的处理即可得到该点所在的网格在所述三维数组中的下标。

进一步，所述步骤S4中，基于视觉观察的漫水块体追踪算法的具体过程是：

S41：将一个新的块体作为当前块体，尝试从三维地质空间中取得一个未被访问过且不含有三角形的网格体作为当前块体起始网格体，若不能找到不含有三角形且未被访问过的网格体则块体追踪过程结束，否则将所述起始网格体加入到遍历队列中并进行步骤S42；

S42：若遍历队列为空则重新进行步骤S41，否则从遍历队列中取出一个网格体进行步骤S43；

S43：对所述取出的网格体，若其已经被访问过，则重新进行步骤S42，否则将其标记为已经被访问过，并进行步骤S44；

S44：对所述网格体，找到其周围的六个邻接网格体，对每一个邻接网格体，更新所述邻接网格体的投影方向，并进行步骤S45所述的操作；

S45：对所述邻接网格体，若其中不含有三角形，则将其加入到遍历列表中，之后返回进行步骤S42，否则对所述邻接网格体中的三角形进行所属块体判别之后再进行步骤S42。

进一步，步骤S44中更新投影方向是指求出所述网格体中心点到所述邻接网格体中心点的向量，求得的向量即为邻接网格体的当前投影方向。

进一步，步骤S45中判定三角形归属块体的具体做法为：

S451：遍历一次所述网格体中已保存的所有三角形信息，并记录下所述网格体中的三角形是否来自同一个地层面三角网；

S452：若所述网格体中的三角形均来自同一个地层面，则直接将网格体中记录的所有三角形判定为当前块体的外边界，否则进行步骤S453；

S453：创建一个颜色表，所述颜色表中颜色的数量应大于或等于当前网格体中已记录的三角形信息数量且不存在两个相同的颜色；

S454：构造一个平行投影视景体，所述视景体远近裁剪面大小均为与所述网格体投影方向垂直的面的大小，近裁剪面为内侧法向量与投影方向相同的面，远裁剪面为内侧法向量与投影方向相反的面；

S455：利用所述视景体对所述网格体中含有的三角形进行平行投影绘制得出绘制结果，其中每个三角形均使用颜色表中已记录的一个颜色，三角形与颜色表中的颜色一一对应；

S456：统计出绘制结果中每种颜色绘制结果中的面积占比，所述颜色对应面积占比大于2％的颜色认定为有效颜色，有效颜色对应的三角形认定为有效三角形；

S457：将有效三角形判定为当前块体的表面三角形。

与现有技术相比本发明的优点在于：在地质建模的块体追踪过程中引入了基于视觉观察的漫水块体追踪算法，该算法在块体追踪的过程中采用基于视觉观察方式的网格中三角形归属块体判定算法，可以达到与人眼“所见即所得”观察方式判定结果相一致的效果，使其追踪结果在原三维地层面三角网模型并非拓扑一致的情况下仍然能得出准确的结果。

附图说明

图1为本发明实施例的主流程图；

图2为本发明实施例步骤S4的流程图；

图3为本发明实施例步骤S45的流程图；

图4为本发明实施例块体与地层面三角网碰撞示意图；

图5为本发明实施例视觉观察式三角形归属块体判别算法绘制结果示意图；

图6为本发明实施例非拓扑一致三维地层面三角网模型导入效果图；

图7为本发明实施例非拓扑一致三维地层面三角网拓扑不一致处效果图；

图8为传统块体追踪算法得出块体效果图；

图9为本发明实施例得出正确块体效果图；

图10为本发明实施例对非拓扑一致三维地层面三角网模型完成块体追踪效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1至3所示，一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，首先对空间进行固定网格划分，记录下每个所述划分出的网格体内含有的三角形信息，再使用基于视觉观察的漫水块体追踪算法，在块体追踪过程中，使用基于视觉观察方式的三角形归属块体判定方法进行三角形归属块体的判定。无论原三维地层面三角网模型是否拓扑一致，采用该方法进行块体追踪均可得到准确的追踪结果。

其包括步骤：

S1：导入三维地层面三角网模型，用户设置对三维地层面三角网模型空间进行网格体划分的网格精度，其中网格精度是指三维地层面三角网模型将要被平均划分为的单位网格的大小；

S2：对所述三维地层面三角网模型进行固定网格体划分；

固定网格体划分将空间平均划分为一定数量符合用户指定精度的网格体，并将所述网格体一一记录下来，其具体做法是：

S21：将所述三维地层面三角网模型平均划分为一定数量符合输入精度的网格体；

其中平均划分是指将整个空间划分为一定数量符合用户指定精度的网格，当用户指定的精度不能平均划分整个空间时，则对用户所给出的精度进行微调；微调方式为用整个空间的规模除去用户给出的精度得出一个商值，并以整个空间的规模除去对所述商值向下取整的值得出的结果来替代原有的用户规模；

S22：用一个三维数组来存储所述划分出的网格体；

即利用一个三维数组来存放所述划分出的网格，网格对应的下标即为所述网格其在三维空间中的相对位置。例如：使用a代表所述三维数组，则a[i][j][k]所描述的网格体即在x轴、y轴、z轴上的投影分别与x轴上第i个网格、y轴上第j个网格、z轴上第k个网格重合的网格体。

S3：记录下每个网格体内含有的所有三角形信息；

其中三角形信息是指三角形所在的地层面三角网编号以及所述三角形在其所在地层面三角网中的编号的组合，所述三角形信息与三角形有一一对应的关系；记录下每个网格体内含有的所有三角形信息即指在网格体数据结构中记录下在所述网格体中出现过的三角形的三角形信息。其具体做法是：

S31：遍历每一个地层面三角网，对于每一个地层面三角网，进行步骤S32的操作；

S32：遍历所述地层面三角网上的每一个三角形，对于每一个三角形，进行步骤S33的操作；

S33：遍历所述三角形的每一个顶点，对于每一个顶点，进行步骤S34的操作；

S34：通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在三维数组中的下标，以此取得顶点所在的网格体，对顶点所在网格体进行步骤S35的操作；

其中通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在所述三维数组中的下标是指：分别用顶点在x、y、z方向上的坐标值分别除去单位网格体的规模所得出的商取整即为所述顶点所在网格体在x、y、z方向上的下标。

S35：将所述地层面三角网编号以及所述三角形在其所在地层面三角网中的编号加入到所述网格体已保存的三角形信息集合中。

S4：运用视觉观察式外表面判定算法，得到各个块体对应的外表面三角形集合；其具体做法是：

S41：将一个新的块体作为当前块体，尝试从三维地质空间中取得一个未被访问过且不含有三角形的网格体作为当前块体起始网格体，若不能找到不含有三角形且未被访问过的网格体则块体追踪过程结束，否则将所述起始网格体加入到遍历队列中并进行步骤S42；

S42：若遍历队列为空则重新进行步骤S41，否则从遍历队列中取出一个网格体进行步骤S43；

S43：对取出的网格体进行判断，若其已经被访问过，则重新进行步骤S42，否则将其标记为已被访问过，并进行步骤S44；

S44：找到网格体周围的六个邻接网格体，更新每一个邻接网格体，更新所述邻接网格体的投影方向，并进行步骤S45的操作；

其中，找到周围所有以面相邻接的网格体的做法是分别将当前网格体x、y、z三个方向上的坐标值分别加1或减1后得到数个网格体下标，所述得出的网格体下标即为所述以面相邻接的网格体对应的下标。例如a[i][j][k]的所有以面相邻接的网格体下标有a[i+1][j][k]、a[i][j+1][k]、a[i][j][k+1]、a[i-1][j][k]、a[i][j-1][k]、a[i][j][k-1]共6个，当a[i][j][k]处于三维空间边界时，计算出的下标可能没有对应的网格体，对所述没有对应网格体下标则不寻求其对应网格体以参与之后的操作。另外，更新投影方向是指求出所述网格体中心点到所述邻接网格体中心点的向量，所述求得的向量即为所述邻接网格体的当前投影方向；

S45：对所述邻接网格体进行判断，若其中不含有三角形，则将其加入到遍历列表中，之后返回进行步骤S42，否则对所述邻接网格体中的三角形进行所属块体判别之后再进行步骤S42。

其中所属块体判别是指判定三角形是否应该作为当前块体的外表面三角形，其具体做法是：

S451：遍历一次网格体中已保存的所有三角形信息，并记录下所述网格体中的三角形是否来自同一个地层面三角网；

S452：若网格体中的三角形均来自同一个地层面，则直接将网格体中记录的所有三角形判定为当前块体的外边界，否则进行步骤S453

S453：创建一个颜色表，所述颜色表中颜色的数量应大于或等于当前网格体中已记录的三角形信息数量且不存在两个相同的颜色；

S454：构造一个平行投影视景体，所述视景体裁剪面大小为与所述网格体投影方向垂直的面的大小，近裁剪面为内侧法向量与投影方向相同的面，远裁剪面为内侧法向量与投影方向相反的面；

S455：利用所述视景体对所述网格体中含有的三角形进行平行投影绘制得出绘制结果，其中每个三角形均使用颜色表中已记录的一个颜色，三角形与颜色表中的颜色一一对应；在图4所展示的情景中，三角形上的数字表示该三角形绘制时将使用的颜色在颜色表中的索引，其中“6”为区域内深色三角形的对应颜色索引。本发明的实施过程并非在三角形上绘制数字，此处仅仅使用数字代替颜色以说明算法实施过程。

S456：统计出绘制结果中每种颜色绘制结果中的面积占比，所述颜色对应面积占比大于2％的颜色认定为有效颜色，有效颜色对应的三角形认定为有效三角形；在图5所展示的情景为使用与所述网格体等同大小同位置的视景体对所述网格体中含有的三角形进行平行投影绘制的结果，其中深色区域上的数字表示的是该区域颜色在颜色表中的索引，由此可以准确地得出有效颜色，又因三角形和颜色表中的颜色一一对应，所以可以准确地得出有效三角形。本发明的实施过程并非在三角形上绘制数字，此处仅仅使用数字代替颜色以说明算法实施过程。

S457：将有效三角形判定为当前块体的外表面三角形。

实施例1

1导入原始模型信息，如图6所示的情况中，导入了三维地层面三角网模型。该模型x方向长度为32000，y方向长度为18000，z方向深度为15800，设置网格体划分的网格精度为200；

2对三维地层面三角网模型进行均匀网格体划分，此时模型空间被均匀划分为了1137600个长宽高均为200的网格体，其中每条与x轴平行的直线方向上有160个，每条与y轴平行的直线方向上有90个，每条与z轴平行的直线方向上有790个；

3记录下每个网格体内含有的所有三角形信息；

4运用视觉观察式外表面判定算法，得到各个块体所对应的外表面三角形集合。图7展示的场景中，由线框标记并放大展示的部分即为该三维地层面三角网模型中拓扑不一致的一处，图8展示的场景中，传统块体追踪算法得出的结果为错误结果，该块体并没有被原三维地层面三角网模型中的拓扑不一致地层面三角网区分开来，图9展示的场景中，本发明算法成功地依靠非拓扑一致地层面将两个块体区分开来，得出了正确的块体追踪结果。图10所示的场景中，本发明算法对非拓扑一致的三维地层面三角网模型进行了准确的块体追踪。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：导入三维地层面三角网模型，用户设置对所述三维地层面三角网模型空间进行网格体划分的网格精度；

S2：对所述三维地层面三角网模型进行固定网格体划分；

S3：记录下每个网格体内含有的所有三角形信息；

S4：运用基于视觉观察的漫水块体追踪法，得到各个块体对应的表面三角形集合。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：所述步骤S1中的网格体划分的网格精度是指所述三维地层面三角网模型将要被划分为的单位网格的大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：所述步骤S2中的对三维地层面三角网模型进行固定网格体划分是指根据用户指定的网格精度，将所三维地层面三角网模型平均划分为符合用户指定精度的网格，之后再用一个三维数组将所述划分出的网格体存储起来。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：所述步骤S3中记录每个网格体内含有的三角形信息的具体步骤为：

S31：遍历每一个地层面三角网，对于每一个地层面三角网，进行步骤32所述的操作；

S32：遍历所述地层面三角网上的每一个三角形，对于每一个三角形，进行步骤S33所述的操作；

S33：遍历所述三角形的每一个顶点，对于每一个顶点，进行步骤S34所述的操作；

S34：通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在所述三维数组中的下标，以此取得所述顶点所在的网格体，对所述顶点所在网格体进行步骤S35所述的操作；

S35：将所述地层面三角网编号以及所述三角形在其所在地层面三角网中的编号加入到所述网格体已保存的三角形信息集合中。

5.根据权利要求4所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：所述步骤S34中，通过所述顶点的坐标计算出该顶点所在的网格体在三维数组中的下标的具体做法为：用每一维的坐标分别除去网格体在该维度上的规模并向下取整，即为网格体在该维度上的下标；由顶点坐标三个维度上的值分别进行同样的处理即可得到该点所在的网格在所述三维数组中的下标。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：所述步骤S4中，基于视觉观察的漫水块体追踪算法的具体过程是：

S41：将一个新的块体作为当前块体，尝试从三维地质空间中取得一个未被访问过且不含有三角形的网格体作为当前块体起始网格体，若不能找到不含有三角形且未被访问过的网格体则块体追踪过程结束，否则将所述起始网格体加入到遍历队列中并进行步骤S42；

S42：若遍历队列为空则重新进行步骤S41，否则从遍历队列中取出一个网格体进行步骤S43；

S43：对所述取出的网格体，若其已经被访问过，则重新进行步骤S42，否则将其标记为已经被访问过，并进行步骤S44；

S44：对所述网格体，找到其周围的六个邻接网格体，对每一个邻接网格体，更新所述邻接网格体的投影方向，并进行步骤S45所述的操作；

S45：对所述邻接网格体，若其中不含有三角形，则将其加入到遍历列表中，之后返回进行步骤S42，否则对所述邻接网格体中的三角形进行所属块体判别之后再进行步骤S42。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：步骤S44中更新投影方向是指求出所述网格体中心点到所述邻接网格体中心点的向量，求得的向量即为邻接网格体的当前投影方向。

8.根据权利要求6所述的一种基于视觉观察的非拓扑一致性三维地质块体追踪方法，其特征在于：步骤S45中判定三角形归属块体的具体做法为：

S451：遍历一次所述网格体中已保存的所有三角形信息，并记录下所述网格体中的三角形是否来自同一个地层面三角网；

S452：若所述网格体中的三角形均来自同一个地层面，则直接将网格体中记录的所有三角形判定为当前块体的外边界，否则进行步骤S453；

S453：创建一个颜色表，所述颜色表中颜色的数量应大于或等于当前网格体中已记录的三角形信息数量且不存在两个相同的颜色；

S454：构造一个平行投影视景体，所述视景体远近裁剪面大小均为与所述网格体投影方向垂直的面的大小，近裁剪面为内侧法向量与投影方向相同的面，远裁剪面为内侧法向量与投影方向相反的面；

S455：利用所述视景体对所述网格体中含有的三角形进行平行投影绘制得出绘制结果，其中每个三角形均使用颜色表中已记录的一个颜色，三角形与颜色表中的颜色一一对应；

S456：统计出绘制结果中每种颜色绘制结果中的面积占比，所述颜色对应面积占比大于2％的颜色认定为有效颜色，有效颜色对应的三角形认定为有效三角形；

S457：将有效三角形判定为当前块体的表面三角形。