CN110197013A - 基于Morphing的河床基岩面建模方法 - Google Patents

基于Morphing的河床基岩面建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Morphing的河床基岩面建模方法，包括：(1)钻孔数据标准化处理与分组存贮；(2)构建河床横剖面线；(3)河床基岩埋深零值等值线分段处理；(4)基于Morphing的河床基岩面插值点生成；(5)构建河床基岩面模型。本发明根据横跨河谷的钻孔、河床基岩埋深零值等值线、河床范围和DEM等数据，基于三维Morphing，实现了较为精确的河床基岩面模型构建。算法在一定程度上降低了传统基于钻孔的基岩面建模方法对钻孔数据的过分依赖。

Description

基于Morphing的河床基岩面建模方法
技术领域
本发明属于地理信息技术应用领域，具体涉及一种基于Morphing的河床基岩面建模方法。
背景技术
基岩面是指地球陆地表面疏松物质(土壤和底土)底下的坚硬岩层面。基岩面是城市三维地质建模所需的一项重要数据，在城市规划、工程建设和古地貌研究等诸多方面具有重要的研究意义和应用价值。
城市人口数量的不断增加，给城市环境和空间资源带来巨大压力，为了城市的可持续发展，许多城市开始开发利用地下空间资源。在交通方面，越来越多的城市开始规划建设跨江大桥和地铁。由于跨江大桥地铁的建设具有施工难度大，投资大，安全性要求高、不可逆等特点，迫切需要了解河床的基岩面埋深及基岩面形态特征，以便于进行跨江大桥和跨江地铁的合理规划与高效建设。
然而，现有的基岩面建模方法主要为数据驱动的建模方法，该方法需要大量的钻孔数据(张宏鑫.2015.基于MapGIS数字高程模型基岩面高程等值线图的制作.测绘与空间地理信息,38(6),62-63)。而河床钻孔的数量较少，并且多为已有跨江大桥和跨江地铁建设时积累的。这些钻孔数据稀疏，且多为线状的空间不均匀分布，构建的基岩面模型精度相对较低，难以满足实际需求。通常，河床具有一定的形态特征(如V形谷、U形谷)，且其基岩埋深等值线具有两侧对称分布的规律。针对跨江大桥、跨江地铁等项目建设时积累的钻孔数据，基于三维Morphing技术可以较为精确地构建河床基岩面模型。
权利要求中采用的快速求取空间任意两条曲线交点的算法(董明晓,郑康平.2004.一种快速求取空间任意两条曲线交点的算法.机械设计与制造,5(2),55-56)，思路是首先根据P样条曲线的控制多边形判断两条曲线是否相交，并求出两条曲线存在交点的可能参数区间；然后在此区间内，利用控制顶点算出所对应的曲线段，进行精确求交计算。
发明内容
发明目的：本发明针对数据驱动的建模方法过分依赖钻孔数据问题，以大江大河的河床为研究对象，提供一种基于Morphing的河床基岩面建模方法。该方法主要以钻孔、河床基岩埋深零值等值线、河床范围和DEM等数据为建模数据源，基于三维Morphing技术，能够构建出较为精确的河床基岩面模型。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
基于Morphing的河床基岩面建模方法，包括以下步骤：
(1)计算机获取钻孔数据、河床基岩埋深零值等值线数据、河床范围数据和河床DEM数据，并对钻孔数据进行标准化处理，并构建钻孔数据组集合DrillPoints；
(2)构建河床横剖面线，遍历钻孔数据组集合DrillPoints中的每一个钻孔数据组，按该组中钻孔空间排列的先后顺序，生成河床横剖面线并保存至河床横剖面线集合ProfileLines＝{pli|i＝1,2,3,…,p0}，其中，pli表示第i条横剖面线，p0表示横剖面线条数；
(3)河床基岩埋深零值等值线分段处理；
(4)根据河床横剖面线数据集合ProfileLines和基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines，基于三维Morphing，生成河床基岩面插值点；
(5)构建河床基岩面模型。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(1-1)读取所有分布于河床区域的钻孔数据，统一钻孔数据格式；
(1-2)筛选出在河床内且含有基岩埋深信息的钻孔；
(1-3)将呈线性排列的同一列钻孔构建成一个钻孔数据组dpsi，dpsi＝{dpj|i＝1,2,3,…,ni}，dpj表示第j个钻孔数据，ni表示第i个钻孔数据组包含的钻孔个数；
(1-4)将所有的钻孔数据组dpsi保存至钻孔数据组集合DrillPoints＝{dpsi|i＝1,2,3,…,m0}，其中，dpsi表示第i个钻孔数据组，m0表示钻孔数据组个数。
进一步地，所述步骤(3)具体包括：
(3-1)采用快速求取空间任意两条曲线交点的算法求取河床横剖面线与河床基岩埋深零值等值线的交点；
(3-2)根据交点，将河床基岩埋深零值等值线划分为若干条线段，并将其保存至河床基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines＝{sli|i＝1,2,3,…,p1}，其中，sli表示第i条河床基岩埋深零值等值线线段，p1表示基岩埋深零值等值线线段条数。
进一步地，所述步骤(4)具体包括：
(4-1)基于Morphing的基岩面分块插值点生成，读取一条河床基岩埋深零值等值线，遍历所有由该等值线划分得到的基岩埋深零值等值线线段，设置该线段、河谷另一侧与该线段对应的等值线线段、该线段左侧横剖面线和右侧横剖面线分别为首约束线(FC)、末约束线(LC)、起始界线(SRC)和目标界线(DEST)(如图1所示)，采用三维Morphing中的四边描述法，生成河床基岩面块插值点；
(4-2)合并生成河床基岩面插值点集合，合并河床基岩面块插值点，得到河床基岩面插值点并保存至河床基岩面插值点集合MorphingPoints＝{mpi|i＝1,2,3,…,n1}，其中，mpi表示第i个河床基岩面插值点，n1表示河床基岩面插值点个数(如图2所示)。
进一步地，所述步骤(5)具体包括：
(5-1)基于河床DEM数据，提取河床基岩埋深零值等值线上所有点的高程，并保存至点数据集合LinePoints＝{lpi|i＝1,2,3,…,m1}，其中，lpi表示第i个点数据，m0表示点数据的个数；
(5-2)根据河床基岩面插值点数据集合MorphingPoints和DEM数据，计算插值点的地表高程和基岩面埋深的差值，得到插值点的基岩面高程；
(5-3)计算钻孔的基岩面高程，遍历钻孔数据组集合DrillPoints中所有的钻孔，计算钻孔的地表高程与基岩面埋深的差值，得到钻孔的基岩面高程；
(5-4)构建基岩面模型，以河床范围为约束范围，根据河床基岩埋深等值线上的点数据集合LinePoints、基岩面插值点数据集合MorphingPoints和钻孔数据组集合DrillPoints中所有的点数据，采用逐点插入法，构建河床基岩面不规则三角网(TIN)；
(5-5)基于反距离权重插值方法(IDW)，生成河床基岩面模型。
有益效果：本发明与现有技术相比：
1、本发明根据横跨河谷的钻孔、河床基岩埋深零值等值线、河床范围和DEM等数据，基于三维Morphing，实现了较为精确的河床基岩面模型构建。
2、算法在一定程度上降低了传统基于钻孔的基岩面建模方法对钻孔数据的过分依赖。
附图说明
图1为基于Morphing的四边描述法示意图；
图2为基于Morphing的基岩面分块插值示意图；
图3为本发明方法的流程图；
图4为河床钻孔、基岩埋深零值等值线、范围数据示意图；
图5为河床DEM数据示意图；
图6为标准化处理与分组存储的钻孔数据示意图；
图7为构建的河床横剖面线数据示意图；
图8为河床基岩埋深零值等值线线段示意图；
图9为生成的河床基岩面插值点集合示意图；
图10为构建的河床基岩面不规则三角网示意图；
图11为河床基岩面模型。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步地说明。
研究思路如图3所示，以长江下游某段河床作为研究区域，坐标系为该处地方坐标系，选择河床钻孔数据、河床基岩埋深零值等值线数据、河床范围数据(图4)和河床DEM数据作为实验数据(图5)。
实施例
基于Morphing的河床基岩面建模方法，包括以下步骤：
(1)计算机获取钻孔数据、河床基岩埋深零值等值线数据、河床范围数据和河床DEM数据，并对钻孔数据进行标准化处理，并构建钻孔数据组集合DrillPoints；该步骤具体包括：
(1-1)读取所有分布于河床区域的钻孔数据，统一钻孔数据格式；
(1-2)筛选出在河床内且含有基岩埋深信息的钻孔；
(1-3)将呈线性排列的同一列钻孔构建成一个钻孔数据组dpsi，dpsi＝{dpj|i＝1,2,3,…,ni}，dpj表示第j个钻孔数据，ni表示第i个钻孔数据组包含的钻孔个数；
(1-4)将所有的钻孔数据组dpsi保存至钻孔数据组集合DrillPoints＝{dpsi|i＝1,2,3,…,m0}，其中，dpsi表示第i个钻孔数据组，m0表示钻孔数据组个数。
本实施例中，共处理了105个河床内的工程地质钻孔数据，所有钻孔都包含基岩面埋深信息，得到6组钻孔数据(图6)。
(2)构建河床横剖面线，遍历钻孔数据组集合DrillPoints中的每一个钻孔数据组，按该组中钻孔空间排列的先后顺序，生成河床横剖面线并保存至河床横剖面线集合ProfileLines＝{pli|i＝1,2,3,…,p0}，其中，pli表示第i条横剖面线，p0表示横剖面线条数；
本实施例中，得到6条河床横剖面线(图7)。
(3)河床基岩埋深零值等值线分段处理。具体包括：
(3-1)采用快速求取空间任意两条曲线交点的算法求取河床横剖面线与河床基岩埋深零值等值线的交点；
(3-2)根据交点，将河床基岩埋深零值等值线划分为若干条线段，并将其保存至河床基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines＝{sli|i＝1,2,3,…,p1}，其中，sli表示第i条河床基岩埋深零值等值线线段，p1表示基岩埋深零值等值线线段条数。
本实施例中，得到12条基岩埋深零值等值线线段(图8)。
(4)根据河床横剖面线数据集合ProfileLines和基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines，基于三维Morphing，插值生成河床基岩面插值点。该步骤具体包括：
(4-1)基于Morphing的基岩面分块插值点生成。读取一条河床基岩埋深零值等值线，遍历所有由该等值线划分得到的基岩埋深零值等值线线段，设置该线段、河谷另一侧与该线段对应的等值线线段、该线段左侧横剖面线和右侧横剖面线分别为首约束线(FC)、末约束线(MC)、起始界线(SRC)和目标界线(DEST)(如图1所示)，采用三维Morphing中的四边描述法，生成河床基岩面块插值点；
(4-2)合并生成河床基岩面插值点集合。合并河床基岩面块插值点，得到河床基岩面插值点并保存至河床基岩面插值点集合MorphingPoints＝{mpi|i＝1,2,3,…,n1}，其中，mpi表示第i个河床基岩面插值点，n1表示河床基岩面插值点个数(如图2所示)。本实施例中，得到6565个河床基岩面插值点(图9)。
(5)构建河床基岩面模型。该步骤具体包括：
(5-1)基于DEM数据，提取河床基岩埋深零值等值线上所有点的高程，并保存至点数据集合LinePoints＝{lpi|i＝1,2,3,…,m1}，其中，lpi表示第i个点数据，m0表示点数据的个数；
(5-2)根据河床基岩面插值点数据集合MorphingPoints和DEM数据，计算插值点的地表高程和基岩面埋深的差值，得到插值点的基岩面高程；
(5-3)计算钻孔的基岩面高程。遍历钻孔数据组集合DrillPoints中所有的钻孔，计算钻孔的地表高程与基岩面埋深的差值，得到钻孔的基岩面高程；
(5-4)构建基岩面模型。以河床范围为约束范围，根据河床基岩埋深等值线上的点数据集合LinePoints、基岩面插值点数据集合MorphingPoints和钻孔数据组集合DrillPoints中所有的点数据，采用逐点插入法，构建河床基岩面不规则三角网(TIN)；
(5-5)基于反距离权重插值方法(IDW)，生成河床基岩面模型。
本实施例中，构建的河床基岩面TIN如图10所示，河床基岩面模型如图11所示。

Claims (5)

1.基于Morphing的河床基岩面建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)计算机获取钻孔数据、河床基岩埋深零值等值线数据、河床范围数据和河床DEM数据，并对钻孔数据进行标准化处理，并构建钻孔数据组集合DrillPoints；
(2)构建河床横剖面线，遍历钻孔数据组集合DrillPoints中的每一个钻孔数据组，按该组中钻孔空间排列的先后顺序，生成河床横剖面线并保存至河床横剖面线集合ProfileLines＝{pli|i＝1,2,3,…,p0}，其中，pli表示第i条横剖面线，p0表示横剖面线条数；
(3)河床基岩埋深零值等值线分段处理；
(4)根据河床横剖面线数据集合ProfileLines和基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines，基于三维Morphing，生成河床基岩面插值点；
(5)构建河床基岩面模型。
2.根据权利要求1所述的基于Morphing的河床基岩面建模方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：
(1-1)读取所有分布于河床区域的钻孔数据，统一钻孔数据格式；
(1-2)筛选出在河床内且含有基岩埋深信息的钻孔；
(1-3)将呈线性排列的同一列钻孔构建成一个钻孔数据组dpsi，dpsi＝{dpj|i＝1,2,3,…,ni}，dpj表示第j个钻孔数据，ni表示第i个钻孔数据组包含的钻孔个数；
(1-4)将所有的钻孔数据组dpsi保存至钻孔数据组集合DrillPoints＝{dpsi|i＝1,2,3,…,m0}，其中，dpsi表示第i个钻孔数据组，m0表示钻孔数据组个数。
3.根据权利要求1所述的基于Morphing的河床基岩面建模方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：
(3-1)采用快速求取空间任意两条曲线交点的算法求取河床横剖面线与河床基岩埋深零值等值线的交点；
(3-2)根据交点，将河床基岩埋深零值等值线划分为若干条线段，并将其保存至河床基岩埋深零值等值线线段集合SectionLines＝{sli|i＝1,2,3,…,p1}，其中，sli表示第i条河床基岩埋深零值等值线线段，p1表示基岩埋深零值等值线线段条数。
4.根据权利要求1所述的基于Morphing的河床基岩面建模方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：
(4-1)基于Morphing的基岩面分块插值点生成，读取一条河床基岩埋深零值等值线，遍历所有由该等值线划分得到的基岩埋深零值等值线线段，设置该线段、河谷另一侧与该线段对应的等值线线段、该线段左侧横剖面线和右侧横剖面线分别为首约束线(FC)、末约束线(LC)、起始界线(SRC)和目标界线(DEST)(如图1所示)，采用三维Morphing中的四边描述法，生成河床基岩面块插值点；
(4-2)合并生成河床基岩面插值点集合，合并河床基岩面块插值点，得到河床基岩面插值点并保存至河床基岩面插值点集合M0rphingPoints＝{mpi|i＝1,2,3,…,n1}，其中，mpi表示第i个河床基岩面插值点，n1表示河床基岩面插值点个数(如图2所示)。
5.根据权利要求1所述的基于Morphing的河床基岩面建模方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括：
(5-1)基于河床DEM数据，提取河床基岩埋深零值等值线上所有点的高程，并保存至点数据集合LinePoints＝{lpi|i＝1,2,3,…,m1}，其中，lpi表示第i个点数据，m0表示点数据的个数；
(5-2)根据河床基岩面插值点数据集合MorphingPoints和DEM数据，计算插值点的地表高程和基岩面埋深的差值，得到插值点的基岩面高程；
(5-3)计算钻孔的基岩面高程，遍历钻孔数据组集合DrillPoints中所有的钻孔，计算钻孔的地表高程与基岩面埋深的差值，得到钻孔的基岩面高程；
(5-4)构建基岩面模型，以河床范围为约束范围，根据河床基岩埋深等值线上的点数据集合LinePoints、基岩面插值点数据集合MorphingPoints和钻孔数据组集合DrillPoints中所有的点数据，采用逐点插入法，构建河床基岩面不规则三角网(TIN)；
(5-5)基于反距离权重插值方法(IDW)，生成河床基岩面模型。
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