CN109359402B - 一种三维土层构建方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维土层构建方法及其装置，通过用户提供的待处理区域的地表高程图和钻孔数据，利用钻孔数据，使用三次样条函数插值算法和多重二次插值算法生成虚拟钻孔数据；对所有的钻孔数据进行处理生成多层高程图；根据多层高程图绘制每一个土层的下表面形状，然后生成表面模型。采用本发明的技术方案，能够快速的生成较为平滑的三维土层模型，适用于三维平滑土层可视化的工程项目。

Description

一种三维土层构建方法及其装置
技术领域
本发明涉及计算机科学可视化领域和地学领域，具体涉及一种三维土层构建方法及其装置。
背景技术
随着计算机硬件性能的提高及三维GIS技术、计算机图形学技术等计算机技术的快速发展和日渐成熟，在地学领域可以运用计算机技术在三维环境下进行地质分析。三维地质模型能够更加直观的展示地下土层的形态和空间分布，最大限度的增强地质分析的直观性和准确性，使工程人员能够直观了解地下土层信息，避免地下工程设计施工面临的巨大风险。
钻孔是获取三维地质信息最直观、准确和详细的手段，但是地质钻孔成本很高，在一个研究区域往往只能获取有限个数目的钻孔数据，为了有足够建立三维土层的钻孔数据，需要引入虚拟钻孔满足需求。这些虚拟钻孔往往是由工程人员根据经验和其它勘探手段获取的结果做出的推断，随着插值算法在计算机技术中的广泛应用，克里金插值算法被广泛用在虚拟钻孔数据生成。克里金插值算法属于空间插值算法，在插值过程中能够取得良好的效果，但是占用大量的处理器资源、运动速度慢、编译函数需要根据经验人为选定。工程人员往往会利用钻孔数据建立实体模型用于空间分析和操作，但需要建立的模型可能会包含交叉或尖灭的土层，如何准确的可视化展示土层情况是土层建模中的重中之重。工程人员在建立实体模型时首先基于钻孔数据建立三棱柱，然后对土层情况进行判断，最后生成可视化的三维土层。但是土层会包含很多三棱柱，处理过程中占用大量的处理器资源，处理时间慢。
现有的土层建模大多是针对某一具体的地点，为了勘测石油、古生物、矿产等目的而建立的模型，普适应性弱，适用范围小。在实际的工程项目中，为了让用户能够在装置中使用钻孔数据建立三维土层并对三维土层进行操作，需要装置能够快速准确的建立三维土层，最少的占用处理器资源。并且一般工程项目例如打地基、建立楼房等，需要在光滑表面的土层进行操作，空间插值算法中，三次样条函数法非常适合光滑曲面，但边界处会因为无相邻插值点出现异常；多重插值方法，可以提高边缘检测的精度和抗干扰能力。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种利用钻孔数据、三次样条函数插值算法和多重二次插值算法生成表面模型的方法及装置，尽可能少的占用处理器资源，快速产生三维土层。
本发明采用的技术方案为：一种三维土层构建方法，包括以下步骤：
(1)用户提供待处理区域(方形)土层的地表高度图和钻孔数据，利用地表的高度图生成该处理区域的表面土层形状；
(2)对用户提供的钻孔数据使用三次样条函数插值算法生成虚拟钻孔，边界处使用多重二次插值算法调整边界的虚拟钻孔信息；
(3)根据用户提供的钻孔数据和插值算法生成的虚拟钻孔数据生成每一个土层的底面表面形状，即生成多个高程图；
(4)将所有生成的高程图绘制成每个土层的形状，之后将处理区域的四个顶点依次向下连接下层的土层形状构成土层的表面模型。
三维土层构建方法及其装置可以快速生成三维土层模型，高效率的向用户可视化展示土层的分布信息，方便用户对该处理区域进行操作。
在步骤(2)中，生成虚拟钻孔时使用三次样条函数插值算法，其整体效果较为平滑，特别是在插值点上表现尤为突出，但在边界处会因无相邻插值点出现异常，在使用了三次样条函数的基础上，使用多重二次插值方法更新边界的插值结果，保证使用多重二次插值时有足够的钻孔数据。
在步骤(4)中，对该处理区域内所有土层由下至上进行编号，不同地质属于不同编号，依据不同土层的高程图是否有交叉或重叠，判断土层是否产生交叉或尖灭的情况，如有上述两种情况则对高程图进行处理，将处理后的高程图绘制成每个土层的形状，再生成三维土层的表面模型。
一种三维土层构建装置，所述装置包括：
第一装置，用于实现用户提供待处理区域土层的地表高度图和钻孔数据，利用地表的高度图生成该处理区域的表面土层形状；
第二装置，用于对用户提供的钻孔数据使用三次样条函数插值算法生成虚拟钻孔，边界处使用多重二次插值算法调整边界的虚拟钻孔信息；
第三装置，用于根据用户提供的钻孔数据和插值算法生成的虚拟钻孔数据生成每一个土层的底面表面形状，即生成多个高程图；
第四装置，用于将所有生成的高程图绘制成每个土层的形状，之后将处理区域的四个顶点依次向下连接下层的土层形状构成土层的表面模型。
本发明与现有技术相比的优点在于：通过上述步骤，用户能够在装置中通过提供的数据快速的生成可视化三维土层模型，解决传统方法中的过高占用处理器资源的情况，根据数据自动生成土层信息避免人为干预产生结果，同时能够让用户在表层模型的基础上进行一系列的操作，能够很好地应用于基坑等项目。
附图说明
图1为本发明提供的一种三维土层构建方法及其装置的流程图；
图2为本发明在显示土层下界面形状时可能遇到的两种情况；其中图2(a)为缺少土层，图2(b)为两个土层交换位置，不同的节点形状为不同的土层下界面坐标值。
图3为本发明在显示土层下界面形状的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行描述。其中附图1描述了一种三维土层构建方法及其装置流程图，附图3描述了显示土层下界面形状的流程图。
具体的实现步骤：
(1)利用用户提供的待处理区域(方形)土层的地表高度图，创建该处理区域的表面土层表面形状，高度图可以用很多方法获得或创建，常用的方法是利用数字高程模型(DEM)，高度图实际上是一个2维数组，地形实际上是一系列高度不同的网格，每一个数组中的每个元素的索引值可以定位不同的网格位置(x,y)，存储的值是网格的高度(z)，用这个简单的映射关系生成土层表面地表形状，从高度图创建一个地形，需要创建一个与高度图相同大小的顶点网格，并使用高度图上每个像素的高度值作为顶点的高度，例如可以用8×8像素分辨率的高度图生成8×8大小的顶点网格；
(2)对用户提供的待处理区域的钻孔数据进行插值算法操作生成虚拟钻孔，并将所有的钻孔信息按表1和表2的格式进行存储：
表1钻孔信息基本信息表
序号 字段名称 字段说明 数据类型 字段大小
1 BhID 钻孔序号 自动编号 /
2 BhNum 钻孔编号 文本 /
3 ProjectName 工程名称 文本 /
4 ProjectPosition 工程地点 文本 /
5 XCoordinate 钻孔X坐标 数字 双精度
6 YCoordinate 钻孔Y坐标 数字 双精度
7 ZCoordinate 钻孔Z坐标 数字 单精度
8 BhDepth 钻孔深度 数字 单精度
9 SoilType 场地土类别 文本 /
10 SiteType 建筑场地类别 文本 /
11 BootomElevation 地底标高 数字 单精度
12 BootomDepth 底层深度 数字 单精度
13 Thickness 分层厚度 数字 单精度
14 StratumName 地层名称 文本 /
表2钻孔土层属性表
用户提供的钻孔信息先按照表1和表2的格式进行存储，对表2内信息进行解析，得出待处理区域内期望的土层分布，即没有交叉和尖灭的情况下土层的分布顺序，之后对钻孔数据用三次样条函数进行分段插值，每一个钻孔数据的Z轴坐标一样，但是不同土层的高程值不同，依靠表2可以推测每一个钻孔数据中不同土层的下界面Z轴坐标为多少，定义两个相邻钻孔的坐标为节点[a,b]，土层的高程为节点的对应值y，插值节点a≤x0＜x1＜…＜xn≤b，对应值为y0,y1,…,yn，若函数S(x)满足S(xj)＝yj(j＝0,1,2,…,n)，S(x)在[xj,xj+1](j＝0,1,…,n-1)上都是不高于三次的多项式，当S(x)在[a,b]具有二阶连续导数，则称S(x)为三次样条函数，三次样条函数为公式1，其中aj,bj,cj,dj待定，并满足S(xj)＝yj(j＝0,1,…,n),S(xj-0)＝S(xj+0)(j＝1,2,…,n),S'(xj-0)＝S'(xj+0)(j＝1,2,…,n)，S”(xj-0)＝S”(xj+0)(j＝1,2,…,n)：
Sj(x)＝ajx3+bjx2+cjx+dj,j＝0,1,…,n-1 (1)
令Mj＝S”(xj)，由插值条件S(xj)＝yj和经过两次积分，三次样条的插值函数为公式2，其中hj＝xj+1-xj：
利用连接条件S'(xj-0)＝S'(xj+0)，可得表达式3：
μjMj-1+2Mj+λjMj+1＝βj,j＝1,2,…,n-1 (3)
其中：
先求出μj,λj,βj，在利用表达式3求出Mj,Mj+1，将结果代入公式2求出各区间上的三次样条插值函数S(x)的表达式，根据土层点的坐标求出各段的三次样条插值函数，利用插值函数求出钻孔的每层高程值，由于三次样条函数插值的结果整体效果上较为平滑，但在边界处因为没有相邻点而表现异常，对边界点使用多重二次插值进行调整；边界待更新节点(xp,yp)的高程值zp可由公式4插值得到：
其中cj代表圆锥斜率系数的列矢量，可以通过求解齐次线性方程组求出，其中圆锥顶点定位在(xj,yj)，(xp,yp)是圆锥内的点，∑为求和符号；
(3)所有生成的虚拟钻孔按照表1和表2的格式存储后，根据表2中的信息生成多层高程图，以具体例子为例，假设待处理区域内有4个钻孔数据，土层为4层，此时钻孔属性表中值更新为表3：
表3钻孔土层属性表
首先获取用户提供的高度图中的钻孔数据对应的(x,y)点的高程值，即z值，设4个钻孔数据对应的高程值分别为z1,z2,z3,z4，4个钻孔在xy平面的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)，从表3中第一层开始遍历，在土层一致的情况下(如表3中所示情况)对钻孔的高程值进行处理，记录每一层下界面坐标，即第一层下界面坐标为(x1,y1,z1-a1)(x2,y2,z2-a2),(x3,y3,z3-a3),(x4,y4,z4-a4)，依据这些坐标可以绘制第一层土层的高程图，可视化的显示土层起伏变化，对第二层、第三层、第四层按照同样的方法进行操作，更新高程值后绘制土层，例子显示的是在普通情况下土层的绘制，在实际应用中的土层并不是每种土层都排列整齐，往往会遇到交叉或尖灭的情况，当土层中存在交叉或尖灭的情况时，表2存储的值不会和表3一样排列整齐，可能会出现某些钻孔中缺少了一层土层，例如表3中钻孔编号为ZK239的钻孔信息中缺少第二层土层时，表3中ZK239的土层信息里第一层为杂填土，第二层为残积土，第三层为粉质黏土，第四层为空；另一种可能为两个土层在某地上下层交换，例如表三种钻孔编号为ZK239和ZK344的钻孔信息中第三层和第四层上下位置颠倒时，表3中ZK239和ZK344的土层信息里第一层为杂填土，第二层为素填土，第三层为粉质黏土，第四层为残积土；还有一种可能是以上两种可能的结合，前两种土层情况如图2所示；在从第一层遍历钻孔土层属性表时，发现某一层的土层和期望的土层属性不同时，遍历该钻孔的所有土层判断在该钻孔中是否存在期望土层，不存在则为第一种情况，反之为第二种情况；
第一种情况下，计算机自动补充一层，缺失层厚度为0m，该层后面的信息依次后移，此时缺少土层的钻孔数据的土层分布和期望土层分布一致，例如上述例子表3中ZK239的土层信息里第一层为杂填土，第二层为残积土，第三层为粉质黏土，第四层为空，更新为第一层为杂填土，第二层为素填土(厚度0m)，第三层为残积土，第四层为粉质黏土，厚度信息不进行更改，按照更改后的信息更新高程值；第二种情况下，更新高程值时定位到期望土层，忽略其上层所有土层的属性，累计加和上层所有土层厚度和该层厚度更新高程，例如上述例子表3中ZK344的土层信息里第一层为杂填土厚度a'4，第二层为素填土厚度b'4，第三层为粉质黏土厚度d'4，第四层为残积土厚度c'4，更新残积土的高程时，在该钻孔处粉质黏土的下界面坐标为(x4,y4,z4-a'4-b'4-d'4)，更新后的高程值绘制土层；
(4)所有的期望土层均绘制后在装置中显示，期望土层的属性由下至上进行编号，不同的编号对应不同的颜色，用户可以选择不同土层对应的颜色，将处理区域的四个顶点依次向下连接下层的土层形状构成表面模型，土层在着色过程中只对表面进行着色，从最下层的下表面开始垂直向上探寻，只要碰到土层界面，就根据下界面的编号进行着色，在装置中构建带有颜色的可视化三维土层，表面模型构建完成后按照用户的需求进行操作，例如用户需要在处理区域内的指定地点挖掘矩形坑进行后续操作时，装置使用OCC.BRepAlgoAPI库中的BRepAlgoAPI_Cut函数和OCC.BRepPrimAPI库中的建模函数进行挖掘，挖掘后装置自动添加5个面，矩形侧面按照表面模型侧面的生成方式进行生成和着色，底面着色则根据地层编号进行着色。

Claims (5)

1.一种三维土层构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）用户提供待处理区域土层的地表高度图和钻孔数据，利用地表的高度图生成该处理区域的表面土层形状；
（2）对用户提供的钻孔数据使用三次样条函数插值算法生成虚拟钻孔，边界处使用多重二次插值算法调整边界的虚拟钻孔信息；
（3）根据用户提供的钻孔数据和插值算法生成的虚拟钻孔数据生成每一个土层的底面表面形状，即生成多个高程图；
（4）将所有生成的高程图绘制成每个土层的形状，之后将处理区域的四个顶点依次向下连接下层的土层形状构成土层的表面模型。
2.根据权利要求1所述的一种三维土层构建方法，其特征在于：快速生成三维土层模型，高效率的向用户可视化展示土层的分布信息，方便用户对土层区域范围内的操作。
3.根据权利要求1所述的一种三维土层构建方法，其特征在于：在步骤（2）中，生成虚拟钻孔时使用三次样条函数插值算法，其整体效果较为平滑，但在边界处会因无相邻插值点出现异常，在使用了三次样条函数的基础上，使用多重二次插值方法更新边界的插值结果，保证使用多重二次插值时有足够的钻孔数据。
4.根据权利要求1所述的一种三维土层构建方法，其特征在于：在步骤（4）中，对该处理区域内所有土层由下至上进行编号，不同地质属于不同编号，依据不同土层的高程是否有交叉或重叠，判断土层是否产生交叉或尖灭的情况，如有上述两种情况则对高程图进行处理，将处理后的高程图绘制成每个土层的形状，再生成三维土层的表面模型。
5.一种三维土层构建装置，其特征在于，所述装置包括：
第一装置，用于实现用户提供待处理区域土层的地表高度图和钻孔数据，利用地表的高度图生成该处理区域的表面土层形状；
第二装置，用于对用户提供的钻孔数据使用三次样条函数插值算法生成虚拟钻孔，边界处使用多重二次插值算法调整边界的虚拟钻孔信息；
第三装置，用于根据用户提供的钻孔数据和插值算法生成的虚拟钻孔数据生成每一个土层的底面表面形状，即生成多个高程图；
第四装置，用于将所有生成的高程图绘制成每个土层的形状，之后将处理区域的四个顶点依次向下连接下层的土层形状构成土层的表面模型。
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