CN109472866A - 一种大地质建筑信息模型的建模方法 - Google Patents

一种大地质建筑信息模型的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大地质建筑信息模型的建模方法，包括如下步骤：步骤一、通过倾斜摄影、三维激光扫描技术获取工作区域现场实景场景数据，构建工作区域地表三维实景模型及点云数据集；步骤二、提取DEM数据，并通过拟合曲面，得到最优的DEM模型；步骤三、一次钻孔约束；步骤四、二次地形约束；步骤五、三次平面地质约束；步骤六、四次地质演变规律约束；步骤七、将地表三维实景模型和地下三维地质体模型结合并进行一体化展示，得到大地质建筑信息模型。本发明方法先进，将地下三维地质体与地表三维实景模型结合起来进行展示，具有可视化、协同性、可操作性等优点。应用广泛，可以有效提高管理水平。

Description

一种大地质建筑信息模型的建模方法
技术领域
本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种大地质建筑信息模型的建模方法。
背景技术
传统地质行业信息化水平普遍较低，目前，地质行业信息化大多是关于地质资料的数据库建设以及二维地图数据信息化展示等，工作重点多集中于成果资料的信息化和社会化服务阶段。而对于地质调查、地质勘察、设计与施工中的三维信息化研究，目前仍处于萌芽阶段，传统的地质调查、勘察、设计方法与BIM技术中的三维可视化、协同、智能的工作模式进行衔接，用以提高效率、降低成本的手段研究更是极少被涉足。
BIM技术在地质行业的研究与应用目前还处于萌芽探索阶段，而本发明创新提出的GBIM 技术(Geology-Building Information Model,又称大地质建筑信息模型)的作为一大创新点将大大推进地质信息化的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种构建大地质建筑信息模型的方法，从而有效解决水文地质、工程地质、环境地质、生态地质和旅游地质等地质调查、勘察、设计和施工阶段的三维展示、三维空间分析等问题。
本发明是这样实现的：
一种大地质建筑信息模型的建模方法，包括如下步骤：
步骤一、通过倾斜摄影、三维激光扫描技术获取工作区域现场实景场景数据，构建工作区域地表三维实景模型及点云数据集；
步骤二、采用基于坡度修正的虚拟网格滤波算法，通过计算机编程实现DEM数据的提取，并通过拟合曲面，得到最优的DEM模型；
步骤三、一次钻孔约束：收集、整理工作区内的实际钻孔数据Z(i)，包括钻孔的位置坐标及各层位深度、岩层等信息，作为一次钻孔约束，运用Delaunay三角剖分和处理后的钻孔数据建立各层位的不规则三角网D-TIN(i)；
步骤四、二次地形约束：在地质图上构建虚拟钻孔Z(i’)，通过DEM进行二次地形约束，对虚拟钻孔Z(i’)与DEM空间求交，得到Z(i’)的高程值，钻孔的顶部在DEM的地形约束下，即可无缝的贴合地表；
步骤五、三次平面地质约束：从平面地质图中判读地层产状，包括倾角α和倾向β，设剖面方向设为γ，通过tanα’＝tanα·cosγ，即可得到地质剖面线上地层的视倾角α’，将地层按照已知钻孔的层位延伸，对于褶轴，由于剖面线上褶皱的两翼岩层沿着视倾角方向交汇于褶轴处,即可分析得到褶皱处虚拟钻孔Z(m’)的层位信息；同理，根据地质剖面线上地层的视倾角a与断层断面视倾角b，将地层按照已知钻孔的层位延伸，延伸至断层剖面投影位置处，从而分析得到断层处虚拟钻孔Z(n’)的层位信息；最后，用平面地质约束得到的虚拟钻孔Z(i’)信息，作为三次约束条件，对D-TIN(i)进行修正和重构，形成修正后的 D-TIN(i’)；
步骤六、四次地质演变规律约束：在D-TIN(i’)的基础中进行广义三棱柱(GTP)的计算，具体算法如下：采用自上而下的计算规则，若3个顶点编号地层相同，直接进入下一个三角形，直到遍历完当前层的所有数据；若3个顶点有不同的值，则向下扩展1个顶点，判断是否相同，直到找到相同值的点，在向下寻找顶点的过程中，若出现超过基本地质演变规律的情况，则直接判定为尖灭体，相关信息分别记入虚拟钻孔Z(i’)中，作为四次约束，重新计算GTP，形成地下三维地质体模型；
步骤七、将地表三维实景模型和地下三维地质体模型结合并进行一体化展示，得到大地质建筑信息模型。
更进一步的方案是：
步骤二的具体过程如下：
(1)首先构建点云的结构体PStrut＝{x,y,z}(其中，PStrut：点云的结构体数据；x：点云点的x坐标；y：点云点的y坐标；z：点云点的z坐标),将工作区范围内的所有点云数据以PStrut的形式进行标准化，记为p1,p2,…pn(n：工作区范围内的点云数量)；
(2)将第一步得到的点云数据p1,p2,…pn组合成为一维点云数组P＝{p1,p2,…pn}。(其中：P 表示点云的数组，存储所有的点云数据；p1,p2,…pn：具体的点云数据)；
(3)从第二步构建的点云数组P中的第一个点云数据p1开始，以p1为中心，构建边长为r的立方体，遍历所有点云数据，将立方体范围内的点云重新写入到新数组Pc＝{Pc1,Pc2,…Pcm}中 (Pc:表示立方体范围内的点云数组；Pc1,Pc2,…Pcm：分别表示立方体范围内的点云数据，m为符合要求的点云数)。将新数组Pc中的点云数据按z的大小排列，取z值为中位数的点作为基准点Pcmid，计算Pc中所有点云数据与Pcmid之间的坡比，计算公式如下：
T：坡比；
xi：数组Pc中第i个点的x值，i≤m；
yi：数组Pc中第i个点的y值，i≤m；
zi：数组Pc中第i个点的z值，i≤m；
xmid：基准点Pcmid的x值；
ymid：基准点Pcmid的y值；
zmid：基准点Pcmid的z值；
当T大于设定的阈值(初始0.75)的时候，认为该点是地面物体干扰点，将干扰点从Pc数组中剔除，不断循环执行，最后得到剔除后的所有数组集合即为种子数组；
(4)利用ArcGIS软件对种子数组数据进行曲面拟合，生成最优DEM。
更进一步的方案是：
步骤三中，建立各层位的不规则三角网D-TIN(i)，具体步骤如下：
(1)设有n个实际钻孔点Z(n)，钻孔中共有m个层位，每个层位点集合记为Z(n)m，以第一个层位点集合Z(n)1为例，在Z(n)1中任意取一点Z(1)1，在其余各点中寻找与此点距离最近的点Z(2)1，连接Z(1)1，Z(2)1，形成控制边E12；
(2)以控制边E12为基础，从Z(n)1中找出同该边两端点距离和最小的点，将该点作为第三个顶点Z(3)1，分别与控制边E12的两个端点Z(1)1，Z(2)1相连接，形成向外扩展的三角形；
(3)通过重复上一步，以这个三角形新生的两条边E13，E23为基础边，分别寻找距离他们最新的点，继续构建三角形，直到所有的点都连入三角形，完成第一层位不规则三角网D-TIN(1) 的构建。
更进一步的方案是：
步骤六中，尖灭体采用1/4尖灭规则进行处理，即在两个钻孔间1/4处新增1个虚拟钻孔，该钻孔的其他层属性不变，在涉及到尖灭的地层，顶板和底板的高程值Z相同，即该点尖灭地层厚度为0。
更进一步的方案是：
步骤七中，是通过OpenGL开发，实现地上地下一体化展示、分析。由于地下三维地质体模型受DEM约束，因此地表三维实景模型和地下三维地质体模型可以很好的融合在一起，而不至于出现交叉与空隙。而具体的开发过程对于本领域技术人员来讲是可以根据现有技术，参考OpenGL的相关教程或说明直接得到的，并没有具体的技术难度，此处不再详述。
本发明具有如下有益效果：
1、方法先进：采用创新的G-BIM技术，将地下三维地质体与地表三维实景模型结合起来进行展示，具有可视化、协同性、可操作性等优点，为地上地下工程的开发、智能管理、维护等提供信息化技术手段，促进与推动地质行业信息化技术的发展。
2、应用广泛：本发明建立了地上地下一体化的大地质建筑信息模型，可应用于地上地下工程勘察、设计、施工管理，如城市地下空间、长输油气管道、天然气石油储备库等工程。
3、提高管理水平：本发明将大地质理念与BIM、无人机摄影、数据库、三维地理信息系统(3D-GIS)等信息技术的有机结合，集成基于地上地下一体化的大地质建筑信息模型，以信息化手段生动形象展示地上地下空间地理、地质信息，实现对工程全生命周期管理，便于管理者进行决策，提高项目实施与管理的科学决策水平和效率。
4、功能亮点：本发明提出的大地质建筑信息模型可以实现地表三维实景模型和地下三维地质体模型的无缝衔接与融合：通过钻孔、地形、平面地质、地质演变规律进行四次建模约束，将传统二维地质调查与勘察成果通过三维形式展现，结合倾斜摄影构建的地表三维实景模型，最终，在此基础之上建立地上地下一体化的大地质建筑信息模型，为工程的设计、施工管理提供了决策分析依据。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为本发明中褶皱处地层层位信息推演约束示意图；
图3为本发明中断层处地层层位信息约束推演示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种大地质建筑信息模型的建模方法，包括如下步骤：
步骤一、通过倾斜摄影、三维激光扫描技术获取工作区域现场实景场景数据，构建工作区域地表三维实景模型及点云数据集；
步骤二、采用基于坡度修正的虚拟网格滤波算法，通过计算机编程实现DEM数据的提取，具体包括如下步骤：
(1)首先构建点云的结构体PStrut＝{x,y,z}(其中，PStrut：点云的结构体数据；x：点云点的x坐标；y：点云点的y坐标；z：点云点的z坐标),将工作区范围内的所有点云数据以PStrut 的形式进行标准化，记为p1,p2,…pn(n：工作区范围内的点云数量)；
(2)将第一步得到的点云数据p1,p2,…pn组合成为一维点云数组P＝{p1,p2,…pn}。(其中：P 表示点云的数组，存储所有的点云数据；p1,p2,…pn：具体的点云数据)；
(3)从第二步构建的点云数组P中的第一个点云数据p1开始，以p1为中心，构建边长为r的立方体，遍历所有点云数据，将立方体范围内的点云重新写入到新数组Pc＝{Pc1,Pc2,…Pcm}中 (Pc:表示立方体范围内的点云数组；Pc1,Pc2,…Pcm：分别表示立方体范围内的点云数据，m为符合要求的点云数)。将新数组Pc中的点云数据按z的大小排列，取z值为中位数的点作为基准点Pcmid，计算Pc中所有点云数据与Pcmid之间的坡比，计算公式如下：
T：坡比；
xi：数组Pc中第i个点的x值，i≤m；
yi：数组Pc中第i个点的y值，i≤m；
zi：数组Pc中第i个点的z值，i≤m；
xmid：基准点Pcmid的x值；
ymid：基准点Pcmid的y值；
zmid：基准点Pcmid的z值；
当T大于设定的阈值(初始0.75)的时候，认为该点是地面物体干扰点，将干扰点从Pc数组中剔除，不断循环执行，最后得到剔除后的所有数组集合即为种子数组；
(4)利用ArcGIS软件对种子数组数据进行曲面拟合，生成最优DEM。
步骤三、一次钻孔约束：收集、整理工作区内的实际钻孔数据Z(i)，包括钻孔的位置坐标及各层位深度、岩层等信息，作为一次钻孔约束，运用Delaunay三角剖分和处理后的钻孔数据建立各层位的不规则三角网D-TIN(i)；
其算法简述如下：
(1)设有n个实际钻孔点Z(n)，钻孔中共有m个层位，每个层位点集合记为Z(n)m，以第一个层位点集合Z(n)1为例，在Z(n)1中任意取一点Z(1)1，在其余各点中寻找与此点距离最近的点Z(2)1，连接Z(1)1，Z(2)1，形成控制边E12；
(2)以控制边E12为基础，从Z(n)1中找出同该边两端点距离和最小的点，将该点作为第三个顶点Z(3)1，分别与控制边E12的两个端点Z(1)1，Z(2)1相连接，形成向外扩展的三角形；
(3)通过重复上一步，以这个三角形新生的两条边E13，E23为基础边，分别寻找距离他们最新的点，继续构建三角形，直到所有的点都连入三角形，完成第一层位不规则三角网D-TIN(1) 的构建。
步骤四、二次地形约束：在地质图上构建虚拟钻孔Z(i’)，通过DEM进行二次地形约束，对虚拟钻孔Z(i’)与DEM空间求交，得到Z(i’)的高程值，钻孔的顶部在DEM的地形约束下，即可无缝的贴合地表；
步骤五、三次平面地质约束：从平面地质图中判读地层产状(倾角α，倾向β)，设剖面方向设为γ，通过tanα’＝tanα·cosγ，即可得到地质剖面线上地层的视倾角α’，将地层按照已知钻孔的层位(Z(a)、Z(b))延伸，对于褶轴，由于剖面线上褶皱的两翼岩层沿着视倾角方向交汇于褶轴处,即可分析得到褶皱处虚拟钻孔Z(m’)的层位信息(图2)；同理，根据地质剖面线上地层的视倾角a与断层断面视倾角b，将地层按照已知钻孔(Z(c)、Z(d)) 的层位延伸，延伸至断层剖面投影位置处，从而分析得到断层处虚拟钻孔Z(n’)的层位信息 (图3)。最后，用平面地质约束得到的虚拟钻孔Z(i’)信息，作为三次约束条件，对D-TIN(i) 进行修正和重构，形成修正后的D-TIN(i’)；
步骤六、四次地质演变规律约束：在D-TIN(i’)的基础中进行广义三棱柱(GTP)的计算，具体算法如下：采用自上而下的计算规则，若3个顶点编号地层相同，直接进入下一个三角形，直到遍历完当前层的所有数据；若3个顶点有不同的值，则向下扩展1个顶点，判断是否相同，直到找到相同值的点，在向下寻找顶点的过程中，若出现超过基本地质演变规律的情况，则直接判定为尖灭体(尖灭体采用1/4尖灭规则进行处理，即在两个钻孔间1/4处新增1个虚拟钻孔，该钻孔的其他层属性不变，在涉及到尖灭的地层，顶板和底板的高程值(Z)相同，即该点尖灭地层厚度为0)，相关信息分别记入虚拟钻孔Z(i’)中，作为四次约束，重新计算GTP，形成地下三维地质体模型；
步骤七、由于地下三维地质体模型受DEM约束，因此地表三维实景模型和地下三维地质体模型可以很好的融合在一起，而不至于出现交叉与空隙。在第一步和第六步得到的成果(地表三维实景模型和地下三维地质体模型)基础上，通过OpenGL开发，实现地上地下一体化展示、分析。

Claims (5)

1.一种大地质建筑信息模型的建模方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、通过倾斜摄影、三维激光扫描技术获取工作区域现场实景场景数据，构建工作区域地表三维实景模型及点云数据集；
步骤二、采用基于坡度修正的虚拟网格滤波算法，通过计算机编程实现DEM数据的提取，并通过拟合曲面，得到最优的DEM模型；
步骤三、一次钻孔约束：收集、整理工作区内的实际钻孔数据Z(i)，包括钻孔的位置坐标及各层位深度、岩层等信息，作为一次钻孔约束，运用Delaunay三角剖分和处理后的钻孔数据建立各层位的不规则三角网D-TIN(i)；
步骤四、二次地形约束：在地质图上构建虚拟钻孔Z(i’)，通过DEM进行二次地形约束，对虚拟钻孔Z(i’)与DEM空间求交，得到Z(i’)的高程值，钻孔的顶部在DEM的地形约束下，即可无缝的贴合地表；
步骤五、三次平面地质约束：从平面地质图中判读地层产状，包括倾角α和倾向β，设剖面方向设为γ，通过tanα’＝tanα·cosγ，即可得到地质剖面线上地层的视倾角α’，将地层按照已知钻孔的层位延伸，对于褶轴，由于剖面线上褶皱的两翼岩层沿着视倾角方向交汇于褶轴处,即可分析得到褶皱处虚拟钻孔Z(m’)的层位信息；同理，根据地质剖面线上地层的视倾角a与断层断面视倾角b，将地层按照已知钻孔的层位延伸，延伸至断层剖面投影位置处，从而分析得到断层处虚拟钻孔Z(n’)的层位信息；最后，用平面地质约束得到的虚拟钻孔Z(i’)信息，作为三次约束条件，对D-TIN(i)进行修正和重构，形成修正后的D-TIN(i’)；
步骤六、四次地质演变规律约束：在D-TIN(i’)的基础中进行广义三棱柱GTP的计算，具体算法如下：采用自上而下的计算规则，若3个顶点编号地层相同，直接进入下一个三角形，直到遍历完当前层的所有数据；若3个顶点有不同的值，则向下扩展1个顶点，判断是否相同，直到找到相同值的点，在向下寻找顶点的过程中，若出现超过基本地质演变规律的情况，则直接判定为尖灭体，相关信息分别记入虚拟钻孔Z(i’)中，作为四次约束，重新计算GTP，形成地下三维地质体模型；
步骤七、将地表三维实景模型和地下三维地质体模型结合并进行一体化展示，得到大地质建筑信息模型。
2.根据权利要求1所述大地质建筑信息模型的建模方法，其特征在于：
步骤二的具体过程如下：
(1)首先构建点云的结构体PStrut＝{x,y,z}(其中，PStrut：点云的结构体数据；x：点云点的x坐标；y：点云点的y坐标；z：点云点的z坐标),将工作区范围内的所有点云数据以PStrut的形式进行标准化，记为p1,p2,…pn(n：工作区范围内的点云数量)；
(2)将第一步得到的点云数据p1,p2,…pn组合成为一维点云数组P＝{p1,p2,…pn}；(其中：P表示点云的数组，存储所有的点云数据；p1,p2,…pn：具体的点云数据)；
(3)从第二步构建的点云数组P中的第一个点云数据p1开始，以p1为中心，构建边长为r的立方体，遍历所有点云数据，将立方体范围内的点云重新写入到新数组Pc＝{Pc1,Pc2,…Pcm}中(Pc:表示立方体范围内的点云数组；Pc1,Pc2,…Pcm：分别表示立方体范围内的点云数据，m为符合要求的点云数)；将新数组Pc中的点云数据按z的大小排列，取z值为中位数的点作为基准点Pcmid，计算Pc中所有点云数据与Pcmid之间的坡比，计算公式如下：
T：坡比；
xi：数组Pc中第i个点的x值，i≤m；
yi：数组Pc中第i个点的y值，i≤m；
zi：数组Pc中第i个点的z值，i≤m；
xmid：基准点Pcmid的x值；
ymid：基准点Pcmid的y值；
zmid：基准点Pcmid的z值；
当T大于设定的阈值的时候，认为该点是地面物体干扰点，将干扰点从Pc数组中剔除，不断循环执行，最后得到剔除后的所有数组集合即为种子数组；
(4)利用ArcGIS软件对种子数组数据进行曲面拟合，生成最优DEM。
3.根据权利要求2所述大地质建筑信息模型的建模方法，其特征在于：
步骤三中，建立各层位的不规则三角网D-TIN(i)，具体步骤如下：
(1)设有n个实际钻孔点Z(n)，钻孔中共有m个层位，每个层位点集合记为Z(n)m，以第一个层位点集合Z(n)1为例，在Z(n)1中任意取一点Z(1)1，在其余各点中寻找与此点距离最近的点Z(2)1，连接Z(1)1，Z(2)1，形成控制边E12；
(2)以控制边E12为基础，从Z(n)1中找出同该边两端点距离和最小的点，将该点作为第三个顶点Z(3)1，分别与控制边E12的两个端点Z(1)1，Z(2)1相连接，形成向外扩展的三角形；
(3)通过重复上一步，以这个三角形新生的两条边E13，E23为基础边，分别寻找距离他们最新的点，继续构建三角形，直到所有的点都连入三角形，完成第一层位不规则三角网D-TIN(1)的构建。
4.根据权利要求3所述大地质建筑信息模型的建模方法，其特征在于：
步骤六中，尖灭体采用1/4尖灭规则进行处理，即在两个钻孔间1/4处新增1个虚拟钻孔，该钻孔的其他层属性不变，在涉及到尖灭的地层，顶板和底板的高程值Z相同，即该点尖灭地层厚度为0。
5.根据权利要求4所述大地质建筑信息模型的建模方法，其特征在于：
步骤七中，是通过OpenGL开发，实现地上地下一体化展示、分析。
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