CN110675496B - 基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三维地质建模领域，尤其涉及一种基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法及其系统，其不同之处在于，其步骤包括：S1、网格剖分：计算结构模型的外包围盒，对外包围盒进行规则网格剖分，生成规则网格正六面体属性模型；S2、数据存储：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；S3、可视化：提取结构模型的外轮廓框架，将纹理图片贴到轮廓框架模型上，同时结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个网格单元表示；S4、网格信息高效定位；S5、网格属性查询：包括多种查询方式，根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。本发明优化三维城市地质模型的存储方式，并支持大数据量的可视化。
Description
技术领域
本发明涉及三维地质建模领域，尤其涉及一种基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法及其系统。
背景技术
三维地质建模（3D Geology Modeling）是一个基于数据/信息分析合成的学科，是将地质、测井、地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起生成三维定量随机模型，是运用计算机技术，在虚拟三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析与预测、地学统计、实体内容分析以及可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。
随着我国经济建设的日益发展和城镇化水平的不断提高，城市地质遭到了不同程度的破坏。在三维可视化的基础上，运用地质结构数据库构建三维城市地质模型有助于缓解城镇化带来的一些不良影响，同时可以优化城镇化建设的资源配置。
三维城市地质建模是指利用三维技术将城市地表、地下的空间结构清晰地展示出来的一种建模方法，通过这种建模可以更加直观地反映出城市地上、地表及地下不同结构的特征。城市地质建模一般包括建模源数据、三维城市地质结构模型数据、三维城市地质属性模型、数字地面模型、三维城市景观模型。与二维平面模型相比，三维城市地质模型能够更加真实地展示城市的结构。三维城市地质建模为城镇化建设提供了支持，具有多元化、多维化、数据量大等特点，且目前已经运用到了多个领域，如城镇化建设规划、城镇化交通线路规划等，产生了较大的社会经济效益。
传统结构模型的存储方式为精细化存储，通常会将点、线、面均进行存储，数据存储量很大，并且不同的模型之间难以进行数据交换及共享。
鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法及其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，提供一种基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法及其系统，优化三维城市地质模型的存储方式，并支持大数据量的可视化。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其不同之处在于，其步骤包括：
S1、网格剖分：计算结构模型的外包围盒，对外包围盒进行规则网格剖分，生成规则网格正六面体属性模型；
S2、数据存储：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
S3、可视化：提取结构模型的外轮廓框架，将纹理图片贴到轮廓框架模型上，同时结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个网格单元表示；
S4、网格信息高效定位：基于所述步骤S2存储的数据和LOD技术实现网格信息高效定位；
S5、网格属性查询：包括多种查询方式，根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
按以上方案，所述步骤S1的网格剖分的具体步骤为：
S11、结构模型：计算结构模型外包围盒，定义网格原点；
S12、网格剖分：对外包围盒进行规则网格剖分，同时记录并存储每个剖分的正六面体的中心点位置坐标；
S13、确定属性：判断点与封闭结构模型之间的内外关系以及边界格子的内外体积大小，从而确定每个正六面体网格单元的内外属性，以及是否为边界单元；
S14、生成模型：最后生成最终的规则网格正六面体属性模型。
按以上方案，所述步骤S2的数据存储的具体步骤为：
S21、存储坐标及属性：剖分后，存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
S22、判断点的位置：内部点赋属性值，外部点赋无效值或标记值，边界格子赋标记值；
S23、存储是否为边界点信息：还需要存储是否为边界格子的信息。
按以上方案，所述步骤S3的可视化的具体步骤为：
S31、提取外轮廓框架模块：提取结构模型的外轮廓框架，查询属性生成纹理图片；
S32、纹理贴图：将纹理图片贴到轮廓框架模型上；
S33、结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示。
按以上方案，所述纹理贴图的方式为：根据剖面查询属性值，在包围盒六个边界上贴纹理图。
按以上方案，所述纹理贴图的方式为：在存储数据中取到外部边界轮廓所有网格单元中心点及属性值，根据属性值绘制纹理图片，将绘制好的纹理图片贴回原始的三角网格结构模型上。
按以上方案，所述纹理贴图的方式为：显示外边界相关的六面体单元网格。
按以上方案，所述步骤S4中，可根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格。
基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化系统，其不同之处在于：其包括
网格剖分模块：计算结构模型外包围盒，并对其进行网格剖分，确定各个网格单元的属性，生成最终的规则网格正六面体属性模型；
数据存储模块：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的数据，并存储是否为边界格子的信息；
可视化模块：对同一地质模型采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示；
网格信息高效定位模块：根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格；
网格属性查询模块：网格属性查询包括多种查询方式，查询结果均可根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
按以上方案，所述网格属性查询模块提供三种查询方式：
A、剖面查询：根据剖面首先查询到剖面对应的属性，然后根据属性生成纹理图片，同步将轮廓框架模型切割开，然后在切割面处直接贴图；
B、点选查询：根据点位置直接查询对应的属性；
C、钻孔查询：根据钻孔位置及深度直接查询对应的属性。
对比现有技术，本发明的有益特点为：
1）优化了三维城市地质模型的存储方式，区别于传统结构模型的精细化存储（点、线、面均存储），对于属性体模型，在数据库中只需存储经网格剖分的单元网格的中心点信息，即可确定该单元网格的属性信息；
2）支持大数据量的可视化，结合LOD技术，对同一地质模型建立不同细节层次及不同精度的网格单元，快速绘制场景，从而减轻了大数据量下的属性体可视化压力。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例模型可视化（LOD）示意图；
图3为本发明实施例网格剖分步骤示意图；
图4为本发明实施例结构模型外包围盒示意图；
图5为本发明实施例外包围盒网格剖分示意图；
图6为本发明实施例数据存储技术流程示意图；
图7为本发明实施例可视化的三种方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
网格剖分是三维建模领域目前关注度较高的一种新型的模型构建技术，它把模型分成很多小的单元，网格剖分与计算目标的匹配程度、网格的质量好坏，决定着后期建模的质量。网格剖分时要注意网格的数量、疏密、单元阶次和质量，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小，在结构不同的部位采用大小不同的网格能适应计算数据的分布特点，增加单元阶次可提高计算精度，质量好坏也会影响计算精度。
网格剖分可以优化传统剖分数据的存储方式，并且结合LOD技术将大数据进行可视化处理。三维地质模型可视化是正确认识地质构造的重要手段，其要求能够描述岩石和年代地层单元的几何形态，描述地质对象间的空间和时间关系，以及描述地质对象内部构造的变化等。由于经过网格剖分后的模型数据量巨大，且数据之间跨度较大，用传统工具来显示模型效果较差，因此运用可视化技术对数据进行更好地显示，从而克服由于数据过多造成的数据可读性较差的缺点。可视化一般流程为：首先，将原始数据进行预处理；其次，将应用数据映射成为几何数据；接着，将几何数据绘制为图像数据；最后，显示可视化结果。
本发明所涉及到的技术如下：
（1）LOD技术
LOD技术即Levels of Detail的简称，意为多细节层次，LOD技术指根据物体模型的节点在显示环境所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，在不影响画面效果的前提下，降低非重要物体的面数和表面细节度，从而获得高效率的渲染运算。该技术通常会对一个复杂的多面体物体建立不同精度的模型，这些不同的模型保留了不同层次的原物体的特性。合理地选择不同的层次模型可以高质量并且更快速地显示模型环境。
LOD模型的生成包括三种方式：
1）光照模型：该方法通过光照技术获得物体的不同面及细节；
2）纹理映射：该方法运用有纹理的多边形来表示某个细节层次的区域；
3）多边形简化：绝大多数的LOD算法都属于多边形简化算法。该算法通过输入由多个多边形组成的模型，输出一个与原模型相似并保持有其主要特征但进行了简化的模型。
（2）规则网格
规则网格一般指正方形、三角形、矩形等。规则网格是将区域空间切分为规则的网格单元，每个网格单元对应一个数值。数学上可表示为矩阵，计算机实现中则是二维数组，每个网格单元的一个元素对应一个值。每一个网格（cell）具有唯一的行（row）和列（column）标识，给出某一网格中的x、y地理坐标，可以定位一个网格。每一个网格都有一个表示其地理特征的值。利用规则网格可以更清楚地展示变化细节，其分析处理办法容易实现，某些空间操作及存储组织灵活方便。
（3）3D纹理贴图
3D纹理贴图是能大幅度提高3D图像真实性的3D图像处理技术，使用这项技术可以减少纹理衔接错误；实时生成剖析截面显示图；有更真实的雾，烟，火和动画效果；提高变换视角看物的真实性；模拟移动光源产生的自然光影效果。3D纹理相当于一个立体的“图形”，具有一个（x，y，z）三维坐标，3D纹理贴图相当于将三维坐标映射到三维物体空间中，在实际应用中，为了更加容易实现目标，通常会将物体和3D纹理处理成立方体或圆柱体。
随着城市化发展，城市地质工作越来越重要，建设三维城市地质模型可以有效解决城市快速发展带来的地质环境问题，具有重要的现实意义。
如图1所示，本发明基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其不同之处在于，其步骤包括：
S1、网格剖分：计算结构模型的外包围盒，对外包围盒进行规则网格剖分，生成规则网格正六面体属性模型；
S2、数据存储：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
S3、可视化：提取结构模型的外轮廓框架，将纹理图片贴到轮廓框架模型上，同时结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个网格单元表示；
S4、网格信息高效定位：基于所述步骤S2存储的数据和LOD技术实现网格信息高效定位；
S5、网格属性查询：包括多种查询方式，根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
优选的，所述网格属性查询模块提供三种查询方式：
A、剖面查询：根据剖面首先查询到剖面对应的属性，然后根据属性生成纹理图片，同步将轮廓框架模型切割开，然后在切割面处直接贴图；
B、点选查询：根据点位置直接查询对应的属性；
C、钻孔查询：根据钻孔位置及深度直接查询对应的属性。
如图3所示，所述步骤S1的网格剖分的具体步骤为：
S11、结构模型：计算结构模型外包围盒，定义网格原点dx、dy、dz，如图4所示；
S12、网格剖分：对外包围盒进行规则网格剖分，同时记录并存储每个剖分的正六面体的中心点位置坐标，如图5所示；
S13、确定属性：判断点与封闭结构模型之间的内外关系以及边界格子的内外体积大小，从而确定每个正六面体网格单元的内外属性，以及是否为边界单元；
S14、生成模型：最后生成最终的规则网格正六面体属性模型。
如图6所示，所述步骤S2的数据存储的具体步骤为：
S21、存储坐标及属性：剖分后，存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
S22、判断点的位置：内部点赋属性值，外部点赋无效值（NULL）或标记值，边界格子赋标记值；
S23、存储是否为边界点信息：还需要存储是否为边界格子的信息。
如图7所示，所述步骤S3的可视化的具体步骤为：
S31、提取外轮廓框架模块：提取结构模型的外轮廓框架，查询属性生成纹理图片；此时需要解决属性模型与轮廓框架模型两者之间边界的适应性问题，即根据属性值如何表现结构模型起伏的外边界，总体思路就是高效查询属性生成纹理图片，然后再将纹理图片贴到轮廓框架模型上即可；
S32、纹理贴图：将纹理图片贴到轮廓框架模型上；
S33、结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示。
优选的，所述纹理贴图的方式为：根据剖面查询属性值，在包围盒BOX六个边界上贴纹理图。
优选的，所述纹理贴图的方式为：在存储数据中取到外部边界轮廓所有网格单元中心点及属性值，根据属性值绘制纹理图片，将绘制好的纹理图片贴回原始的三角网格结构模型上。
优选的，所述纹理贴图的方式为：显示外边界相关的六面体单元网格。
具体的，所述步骤S4中，可根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格。
基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化系统，其不同之处在于：其包括
网格剖分模块：计算结构模型外包围盒，并对其进行网格剖分，存储并确定各个网格单元的属性，生成最终的规则网格正六面体属性模型。
数据存储模块：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的数据。另外还需要存储是否为边界格子的信息。
可视化模块（LOD）：对同一地质模型，采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示，初始地质模型采用精度低、细节粗略的网格单元参与可视化；对于放大的局部区域，采用精度高、细节详细的网格单元，从而提高场景的绘制速度。如图2为不同精度绘制所得场景，其中2（a）网格步长为1000，2（b）网格步长为500，2（c）网格步长为250（单位：米）。
网格信息高效定位模块：根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格。
网格属性查询模块：网格属性查询提供三种方式，1）剖面查询，根据剖面首先查询到剖面对应的属性，然后根据属性生成纹理图片，同步将轮廓框架模型切割开，然后在切割面处直接贴图；2）点选查询，根据点位置直接查询对应的属性；3）钻孔查询，根据钻孔位置及深度直接查询对应的属性。上述查询结果都可以根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
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 (7)
1.基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其特征在于，其步骤包括：
S1、网格剖分：计算结构模型的外包围盒，对外包围盒进行规则网格剖分，生成规则网格正六面体属性模型；
网格剖分的具体步骤为：
S11、结构模型：计算结构模型外包围盒，定义网格原点；
S12、网格剖分：对外包围盒进行规则网格剖分，同时记录并存储每个剖分的正六面体的中心点位置坐标；
S13、确定属性：判断点与封闭结构模型之间的内外关系以及边界格子的内外体积大小，从而确定每个正六面体网格单元的内外属性，以及是否为边界单元；
S14、生成模型：最后生成最终的规则网格正六面体属性模型；
S2、数据存储：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
数据存储的具体步骤为：
S21、存储坐标及属性：剖分后，存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的中心点坐标值及属性值；
S22、判断点的位置：内部点赋属性值，外部点赋无效值，边界格子赋标记值；
S23、存储是否为边界点信息：还需要存储是否为边界格子的信息；
S3、可视化：提取结构模型的外轮廓框架，将纹理图片贴到轮廓框架模型上，同时结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个网格单元表示；
可视化的具体步骤为：
S31、提取外轮廓框架模块：提取结构模型的外轮廓框架，查询属性生成纹理图片；
S32、纹理贴图：将纹理图片贴到轮廓框架模型上；
S33、结合多细节层次LOD技术，对同一地质模型采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示，初始地质模型采用精度低、细节粗略的网格单元参与可视化；对于放大的局部区域，采用精度高、细节详细的网格单元，从而提高场景的绘制速度；
S4、网格信息高效定位：基于S2存储的数据和LOD技术实现网格信息高效定位；
S5、网格属性查询：包括多种查询方式，根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
2.根据权利要求1所述的基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其特征在于，所述纹理贴图的方式为：根据剖面查询属性值，在包围盒六个边界上贴纹理图。
3.根据权利要求1所述的基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其特征在于，所述纹理贴图的方式为：在存储数据中取到外部边界轮廓所有网格单元中心点及属性值，根据属性值绘制纹理图片，将绘制好的纹理图片贴回原始的三角网格结构模型上。
4.根据权利要求1所述的基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其特征在于，所述纹理贴图的方式为：显示外边界相关的六面体单元网格。
5. 根据权利要求1所述的基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化方法，其特征在于：S4中，可根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格。
6.基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化系统，应用权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：其包括
网格剖分模块：计算结构模型外包围盒，并对其进行网格剖分，确定各个网格单元的属性，生成最终的规则网格正六面体属性模型；
数据存储模块：存储包围盒中剖分后的每个正六面体单元格子的数据，并存储是否为边界格子的信息；
可视化模块：对同一地质模型采用多个不同细节层次、不同精度的网格单元表示；
网格信息高效定位模块：根据剖面、LOD级别、行列号快速的查询对应的网格；
网格属性查询模块：网格属性查询包括多种查询方式，查询结果均可根据返回的结果集动态生成网格提交给用户。
7.根据权利要求6所述的基于三维城市地质模型的网格剖分和可视化系统，其特征在于：所述网格属性查询模块提供三种查询方式：
A、剖面查询：根据剖面首先查询到剖面对应的属性，然后根据属性生成纹理图片，同步将轮廓框架模型切割开，然后在切割面处直接贴图；
B、点选查询：根据点位置直接查询对应的属性；
C、钻孔查询：根据钻孔位置及深度直接查询对应的属性。
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Denomination of invention: Grid generation and visualization method and system based on three-dimensional urban geological model Granted publication date: 20230714 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN ZONDY CYBER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980009510 |
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