CN109658505A - 一种带断层面的三维空间构体方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地学地质领域、三维建模构体领域，特别是一种带断层面的三维空间构体方法及系统，其不同之处在于，该方法依次包括以下步骤：S1、加载需要建模构体的面数据；S2、检查面数据的异常情况：如果有则实施校正措施；如果没有则进行下一步；S3、进行拓扑搜索构体操作，构建一个封闭且拓扑关系正确的地层体；S4、循环步骤S3的构建一个地层体的操作，即可实现对所有地层体的构建。本发明可以高效准确的完成地层体的创建。

Description

一种带断层面的三维空间构体方法及系统

技术领域

本发明涉及地学地质领域、三维建模构体领域，特别是一种带断层面的三维空间构体方法及系统。

背景技术

在计算机科学中，树(tree)是一种抽象数据类型(ADT)或是实作这种抽象数据类型的数据结构，用来模拟具有树状结构性质的数据集合。它是由n(n>0)个有限节点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做“树”是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。它的特点是：每个节点有零个或多个子节点；没有父节点的节点称为根节点；每一个非根节点有且只有一个父节点；除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树。

树形数据结构是一类重要的非线性数据结构。树形数据结构在计算机领域中有着广泛应用，如在编译程序中，可用树来表示源程序的语法结构。又如在数据库系统中，树形数据结构也是信息的重要组织形式之一。以及在文件管理中，多级目录结构就采用树形数据结构。

树的遍历是树的一种重要的运算。所谓遍历是指对树中所有结点的信息的访问，即依次对树中每个结点访问一次且仅访问一次。树的三种最重要的遍历方式分别称为前序遍历、中序遍历和后序遍历。以这三种方式遍历一棵树时，若按访问结点的先后次序将结点排列起来，就可分别得到树中所有结点的前序列表、中序列表和后序列表。相应的结点次序分别称为结点的前序、中序和后序。

图的深度优先遍历类似于树的前序遍历。采用的搜索方法的特点是尽可能先对纵深方向进行搜索。这种搜索方法称为深度优先搜索(Depth-First Search)。相应地，用此方法遍历图就很自然地称之为图的深度优先遍历。深度优先遍历，是图论中的经典算法。其利用深度优先搜索算法可以产生目标图的相应拓扑排序表，利用拓扑排序表可以方便的解决很多相关的图论问题，如最大路径问题等等。

深度优先遍历的访问过程为：设x是当前被访问顶点，在对x做过访问标记后，选择一条从x出发的未检测过的边(x，y)。若发现顶点y已访问过，则重新选择另一条从x出发的未检测过的边，否则沿边(x，y)到达未曾访问过的y，对y访问并将其标记为已访问过；然后从y开始搜索，直到搜索完从y出发的所有路径，即访问完所有从y出发可达的顶点之后，才回溯到顶点x，并且再选择一条从x出发的未检测过的边。上述过程直至从x出发的所有边都已检测过为止。此时，若x不是源点，则回溯到在x之前被访问过的顶点；否则图中所有和源点有路径相通的顶点(即从源点可达的所有顶点)都已被访问过，若图G是连通图，则遍历过程结束，否则继续选择一个尚未被访问的顶点作为新的顶点，继续遍历。

岩层或岩体破裂错开，沿两盘发生相对移动的面，称断层面。断层面有的较规则平整，有的破碎曲折。断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造。正断层是地质构造中断层的一种。是根据断层的两盘相对位移划分的。断层形成后，上盘相对下降，下盘相对上升的断层称为正断层。逆断层是地质构造中断层的一种。为上盘上升，下盘相对下降的断层，主要由水平挤压与重力作用而形成。地层是地质历史上某一时代形成的成层的岩石和堆积物。在本发明中特指根据原始数据生成的一个三角网格面。

层面是指岩层的上、下界面叫层面。上层面又称顶面，下层面又称底面。两个岩层的接触面，既是上覆岩层的底面，又是下伏岩层的顶面。如果地质结构中，某些面的边界与其他面不相关联，则称这些面为悬挂面。悬挂面的出现是由自身数据出错而导致的，一般在建模过程中根据需要会对悬挂面做删除或修改操作，能更好地保证所构建地质体的封闭性与正确性。

三维地学建模是将地质、测井、地球物理资料和各种解释结果综合在一起生成的三维定量几何模型。三维地质建模通常包括构面和构体两部分，其中构面包含断层面的构建和地层面的构建；构体是将断层面、地层面和侧面等有效的层面组成一个拓扑正确的封闭地层体。带断层面的三维空间地层体的构建则是本发明的关注点所在。

目前的地层体建模技术还处于尝试探索阶段，缺乏完善的地层体构建技术。即便当前阶段三维地层面构建方法及系统已经较为完善，但如果地层体构建技术“接力”失败，那么地层面构建系统也无法最大化发挥其建模作用，这直接导致了地质体建模领域的应用需求无法实现，地理信息系统在地学地质领域的应用遇到了严重的瓶颈。

鉴于此，为了克服现有技术缺点，提供一种带断层面的三维空间构体方法及系统成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种带断层面的三维空间构体方法及系统，可以高效准确的完成地层体的创建。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种带断层面的三维空间构体方法，其不同之处在于，该方法包括以下步骤：

S1、加载需要建模构体的面数据；

S2、检查面数据的异常情况：如果有则实施校正措施；如果没有则进行下一步；

S3、进行拓扑搜索构体操作，构建一个封闭且拓扑关系正确的地层体；

S4、循环步骤S3的构建一个地层体的操作，即可实现对所有地层体的构建。

按以上方案，步骤S1中的面数据包括断层面数据、侧面数据、地层面数据。

按以上方案，步骤S2中的面数据的异常情况是指各个面相交处有无压盖、相交或穿越的情况。

按以上方案，步骤S2中的校正措施具体为：

S21、检查每个面数据自身的拓扑正确性：如果数据自身拓扑正确，将相交的面与面之间互相做剪断操作；反之，如果数据自身拓扑不正确，则对相应面的参数进行编辑与修改；

S22、对步骤S21中进行剪断操作的剪断面进行求交操作，得出剪断面间的公共弧段即节线；

S23、对剪断面间的节线求平均误差；

S24、检查有无悬挂面：如果有，则对悬挂面进行相应的删除、修改操作后执行步骤S3；如果没有，则直接执行步骤S3。

按以上方案，步骤S3中，所述拓扑搜索构体操作具体为：

S31、对所有面与面进行求交操作，得出面与面的公共弧段即节线；

S32、生成构体数据结构，所述构体数据结构包含节线结构体和面结构体；

S33、根据面结构体与节线结构体，以“节线—面—节线—……”的顺序，向着面的收敛方向生成所有面。

按以上方案，步骤S32具体为：

S321、生成节线结构体，所述节线结构体用于记录与当前节线相关联的面数据；

S322、生成面结构体，所述面结构体用于记录与当前面相关联的节线数据。

按以上方案，步骤S33中的所述收敛方向是以可使最终构成的地质体最小化为收敛原则来确定。

同时为实现以上发明目的，本发明还提供了一种带断层面的三维空间构体系统，其不同之处在于，该系统包括：

用于加载需要建模构体的面数据的数据加载层；

用于检查并修正面数据之间异常情况的数据校验层；

用于对所有面与面进行求交操作，得出面与面的公共弧段的节线创建层；

用于生成构体数据结构的数据结构创建层；

用于根据面结构体与节线结构体，向着面的收敛方向生成所有面的地层体构建层；

用于实现对所有地层体构建的循环构体层。

按以上方案，所述数据校验层包括：

拓扑校验单元，用于检查并修正每个面数据自身的拓扑正确性；

剪断面求交单元，用于剪断面求交以获取面与面交线即节线；

节线拟合单元，用于对节线求平均误差，使得剪断的面可以拓扑正确且连续贯通；

悬挂面纠正单元，用于检查并编辑修改含有悬挂面的面数据。

按以上方案，所述数据结构创建层包括：

节线结构体构建单元，用于记录存储与当前节线相关联的面数据，从而生成节线结构体；

面结构体构建单元，用于记录存储与当前面相关联的节线数据，从而生成面结构体。

由上述方案可知，本发明的有益效果为：

1)本发明所提供的一种带断层面的三维空间构体方法及系统可以平稳“接力”三维地层面构建系统，充分发挥其建模作用，很好的满足并实现地质领域三维建模的应用需求，突破了地理信息系统在地学地质领域应用的壁垒；

2)本发明所述的带断层面的三维空间构体方法及系统对建模人员要求较低，建模操作人员只需了解建模的基本概念、具备基本的建模能力就可以高效准确的完成地层体的创建，这有利于建模技术的广泛应用与普及。

附图说明

图1是本发明实施例地质应用场景示意图；

图2是本发明实施例节线平均误差示意图；

图3是本发明实施例节线平均误差效果图；

图4是本发明实施例树状结构示意图；

图5是本发明实施例构体方法流程示意图；

图6是本发明实施例构体系统结构示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据以下地质应用场景：某三维空间现有地层面、断层面、侧面共计六个面自然排列，现要求将这六个面生成一个封闭的地质体。

为便于理解，本发明将应用场景中的六个面体现在图1上，将图1中F2、F6看作地层面，F5看作侧面(工区的边界之一)，其余面F1、F3、F4看作断层面。假设这6个面在地质场景中呈自然排列状态。

步骤1)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据加载层，用于加载需要建模构体的六个面数据，包括F1、F3、F4共计三个断层面数据，F5共计一个侧面数据，F2、F6共计两个地层面数据。

步骤2)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据校验层，用于调用程序自动检查并修正面数据之间的异常情况，所述的异常情况包含断层面、地层面、侧面相交处有无压盖、相交(或穿越)等情况。如果有，则实施以下校正措施。

步骤21)、本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据校验层中的拓扑校验单元用于调用程序自动检查每个面数据自身的拓扑正确性，保证后继数据处理的稳定性。

如果程序未报错，则说明数据自身拓扑正确，将相交的面与面之间互相做剪断操作。

反之，如果数据自身拓扑不正确，程序会以二维列表的形式进行报错，二维列表的内容就显现出某个面的某个具体错误，根据具体错误对该面进行相应参数的编辑与修改。

步骤22)、本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据校验层中的剪断面求交单元用于对步骤21)中进行剪断操作的剪断面求交以获取面与面交线即节线。

步骤23)、本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据校验层中的节线拟合单元用于对剪断面的节线求平均误差，求平均误差的目的在于使得剪断的面可以拓扑正确，并且连续贯通。

如图2所示，假设面F1与面F2相交，在步骤21)中已对这两个面做了剪断操作，可见面F1与面F2原本的公共弧段L3变为两条弧段L3’和L3”，为使这两个面可以连续贯通，并且拓扑正确，需要对弧段L3’和L3”求平均误差(平差)，使这两条弧段合并回归为原本的一条弧段L3。弧段L3’和L3”均属于线实体，由一定范围的点元素集合而成，取弧段L3’的起始端点A’(x1，y1)，以及对应的弧段L3”的起始端点A”(x2，y2)，求点A’和点A”坐标的平均值得到点A的坐标(x0，y0)，其中，x0＝(x1+x2)/2，y0＝(y1+y2)/2。

同理，沿着弧段的方向，分别从弧段L3’和弧段L3”的起始端点A’、A”开始，取弧段上对应两点坐标的平均值，可以得到点A，……，点B等一系列有序的点，这些点集合而成一个线实体L3。这就实现了两条弧段L3’和L3”最终合并回归为一条弧段L3，进而使面F1与面F2可以连续贯通，并且拓扑正确，如图3所示。

步骤24)、本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据校验层中的悬挂面纠正单元用于在可视化界面上检查有无悬挂面，如果有，需要用户根据业务逻辑通过人机交互对悬挂面进行相应的删除、修改等操作后进行下一步骤；如果没有悬挂面，则直接执行下一步骤。

反之，如果断层面、地层面、侧面相交处没有出现压盖、相交(或穿越)等情况，则说明断层面、地层面、侧面之间拓扑关系正确，即可进行拓扑搜索构体。

步骤3)拓扑搜索构体有如下操作：

步骤31)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的节线创建层，用于对F1～F6所有面与面进行求交操作，得出面与面的公共弧段(本发明将公共弧段定义为节线)，见表1-1所示：

表1-1

面1	面2	公共弧段(节线)
			F1	F2	L3
F1	F3	L2
			F1	F5	L4
F1	F6	L1
			F2	F3	L11
F2	F5	L9
			F2	F4	L8
F3	F4	L7
			F3	F6	L12
F4	F5	L10
			F4	F6	L6
F5	F6	L5

面F1～F6共计6个面，生成对应节线L1～L12共计12条弧段。

步骤32)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据结构创建层，用于根据步骤31)生成的节线数据和已有的面数据，调用系统程序自动生成构体数据结构，构体数据结构包含节线结构体和面结构体。

步骤321)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据结构创建层中的节线结构体构建单元将与当前节线相关联的面数据记录存储到数据库，就生成了节线结构体。所以，节线结构体用于记录与当前节线相关联的面数据。

如，节线结构体L1：记录面F1、F6的数据；节线结构体L2：记录面F1、F3的数据。

依次类推，可得出所有的节线结构体。

步骤322)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的数据结构创建层中的面结构体构建单元将与当前面相关联的节线数据记录存储到数据库，就生成了面结构体。所以，面结构体用于记录与当前面相关联的节线数据。如，面结构体F1：记录节线L1、L2、L3、L4的数据；面结构体F2：记录节线L8、L11、L3、L9的数据。

依次类推，可得出所有的面结构体。

步骤33)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的地层体构建层，用于根据面结构体与节线结构体，以“节线—面—节线—……”的顺序，向着面的收敛方向(本发明定义收敛方向为以可使最终构成的地质体最小化为收敛原则)生成所有面。

初始节线目标用户可以自行定义，本示例以节线L1为初始节线目标，根据步骤32)中节线结构体和面结构体所记录的信息数据可知：节线结构体L1记录了面F1、F6的数据；面结构体F1记录了节线L1、L2、L3、L4的数据；节线结构体L2记录了面F1、F6的数据……这就形成了本发明所述“节线—面—节线—……”的循环顺序。依此，根据节线结构体和面结构体可得出所有面与节线的拓扑关系，将这些关系全部列出来就呈现出树状结构，如图4所示。

假设图4的初始状态是所有顶点均未曾访问过。在图4中任选一顶点L1为初始出发点(源点)，则程序按照以下过程深度优先遍历：首先访问出发点L1，并将其标记为“已访问”，然后依次从L1出发访问L1的每个邻接点F1、F6；其中F1未曾访问，所以访问结点F1，访问结点F1所做的操作是建立F1面，并标记FI为“已访问”。然后以F1为新的出发点，搜索F1的每个邻接点L1、L2、L3、L4；其中L1已被标记为“已访问”，所以接下来访问L2的每个邻接点F1、F3；其中F1已被标记为“已访问”，所以继续访问F3，访问结点F3所做的操作是建立F3面，并标记F3为“已访问”；……。同理，可以构建所有面。

总之，图4中从节线L1开始，沿着“L1-F1-L2-F3……”的搜索路线，依次对树状结构中每个结点均做一次且仅做一次访问，尽可能先对树中每个结点的纵深方向进行搜索，直至图中所有和源点L1有路径相通的顶点(亦称为从源点可达的顶点，本例中指F6)均已被访问为止。若此时图中仍有未访问的顶点，则另选一个尚未访问的顶点作为新的源点重复上述过程，直至图中所有顶点均已被访问为止。

本示例中，访问节线结点的目的是根据节线结构体建立与该节线相关联的面，访问面结点的目的是根据面结构体寻找与该面相关联的节线，然后再访问该节线并建立与该节线相关联的面，依此循环就可以建立所有的面，从而形成一个封闭体。

按照以上操作可以构建一个地层体。

步骤4)本发明所述的带断层面的三维空间构体系统中的循环构体层，用于循环以上构建一个地层体的操作，即可实现对所有地层体的构建。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带断层面的三维空间构体方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、加载需要建模构体的面数据；

S2、检查面数据的异常情况：如果有则实施校正措施；如果没有则进行下一步；

S3、进行拓扑搜索构体操作，构建一个封闭且拓扑关系正确的地层体；

S4、循环步骤S3的构建一个地层体的操作，即可实现对所有地层体的构建。

2.根据权利要求1所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S1中的面数据包括断层面数据、侧面数据、地层面数据。

3.根据权利要求1所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S2中的面数据的异常情况是指各个面相交处有无压盖、相交或穿越的情况。

4.根据权利要求1所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S2中的校正措施具体为：

S21、检查每个面数据自身的拓扑正确性：如果数据自身拓扑正确，将相交的面与面之间互相做剪断操作；反之，如果数据自身拓扑不正确，则对相应面的参数进行编辑与修改；

S22、对步骤S21中进行剪断操作的剪断面进行求交操作，得出剪断面间的公共弧段即节线；

S23、对剪断面间的节线求平均误差；

S24、检查有无悬挂面：如果有，则对悬挂面进行相应的删除、修改操作后执行步骤S3；如果没有，则直接执行步骤S3。

5.根据权利要求1所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S3中，所述拓扑搜索构体操作具体为：

S31、对所有面与面进行求交操作，得出面与面的公共弧段即节线；

S32、生成构体数据结构，所述构体数据结构包含节线结构体和面结构体；

S33、根据面结构体与节线结构体，以“节线—面—节线—……”的顺序，向着面的收敛方向生成所有面。

6.根据权利要求5所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S32具体为：

S321、生成节线结构体，所述节线结构体用于记录与当前节线相关联的面数据；

S322、生成面结构体，所述面结构体用于记录与当前面相关联的节线数据。

7.根据权利要求5所述的带断层面的三维空间构体方法，其特征在于：步骤S33中的所述收敛方向是以可使最终构成的地质体最小化为收敛原则来确定。

8.一种带断层面的三维空间构体系统，其特征在于：该系统包括

用于加载需要建模构体的面数据的数据加载层；

用于检查并修正面数据之间异常情况的数据校验层；

用于对所有面与面进行求交操作，得出面与面的公共弧段的节线创建层；

用于生成构体数据结构的数据结构创建层；

用于根据面结构体与节线结构体，向着面的收敛方向生成所有面的地层体构建层；

用于实现对所有地层体构建的循环构体层。

9.根据权利要求8所述的带断层面的三维空间构体系统，其特征在于：所述数据校验层包括：

拓扑校验单元，用于检查并修正每个面数据自身的拓扑正确性；

剪断面求交单元，用于剪断面求交以获取面与面交线即节线；

节线拟合单元，用于对节线求平均误差，使得剪断的面可以拓扑正确且连续贯通；

悬挂面纠正单元，用于检查并编辑修改含有悬挂面的面数据。

10.根据权利要求8所述的带断层面的三维空间构体系统，其特征在于：所述数据结构创建层包括：

节线结构体构建单元，用于记录存储与当前节线相关联的面数据，从而生成节线结构体；

面结构体构建单元，用于记录存储与当前面相关联的节线数据，从而生成面结构体。