CN111325844B - 一种基岩断层面三维模型的自动构建方法 - Google Patents

一种基岩断层面三维模型的自动构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基岩断层面三维模型的自动构建方法，具体包括步骤：首先，基于断层线矢量数据和基岩面DEM，提取基岩面断层剖面线；其次，基于基岩面断层剖面线和断层产状，推演断层面边界，并构建断层面模型；最后，为断层面模型绑定材质，生成基岩断层面三维模型。本发明实现了一种快速构建基岩断层面三维模型的方法。本发明与现有技术相比，既提高了基岩断层面的三维表达效果，又具有较高的自动化程度。

Description

一种基岩断层面三维模型的自动构建方法
技术领域
本发明涉及三维建模技术和地质学领域，尤其涉及一种基岩断层面三维模型的自动构建方法。
背景技术
断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，在地壳中广泛发育。地壳断块沿断层的突然运动是地震发生的主要原因，且在断层带上由于岩石破碎和易于风化侵蚀，而沿断层线常常发育沟谷、泉或湖泊。断层空间展布特征的准确直观表达，是地质空间表达的重要内容，对重大工程规划、地质灾害防治、地下空间开发等诸多应用具有重要的约束和指导意义。
然而，在地质图中，以二维断层线的方式表达的断层信息，难以准确地表达断层面的三维空间展布特征。断层面是地壳受力发生断层而形成的岩石破裂面，通常呈面状展布。在三维地质建模研究与应用不断深入的今天，如何基于地质图中的断层线状分布信息和产状信息，研究实现三维断层面模型的自动构建，具有重要的研究意义和实用价值。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基岩断层面三维模型的自动构建方法，自动化程度高。
技术方案：本发明所述的基岩断层面三维模型的自动构建方法包括：
(1)分别读取基岩断层线矢量数据和基岩面DEM到断层线集合F和基岩面DEM像元集合RE中；
(2)从断层线集合F中读取任一断层线，并基于基岩面DEM像元集合RE，提取基岩面断层剖面线；
(3)以基岩面断层剖面线为断层面上边界，基于断层产状信息推演断层面下边界，并基于断层面上边界和下边界构建基岩断层面模三维型；
(4)根据预设颜色创建材质，完成与基岩断层面三维模型的绑定；
(5)循环执行步骤(2)至(4)，完成基岩面DEM中所有基岩断层面三维模型的构建。
进一步的，步骤(1)具体包括：
(1-1)读取基岩断层线矢量数据到断层集合F＝{fi|i＝1,2,…,FN}；其中，fi表示第i个断层线，FN表示断层线数量；
(1-2)读取基岩面DEM到基岩面DEM像元集合RE＝{rep,q|p＝1,2,…,PN,q＝1,2,…QN}；其中，rep,q表示基岩面DEM的第p行第q列的像元，PN为基岩面DEM的行数，QN为基岩DEM的列数。
进一步的，步骤(2)具体包括：
(2-1)从集合F中获取任一断层线fi，并取出断层线fi中所有折线段，获取每个折线段的两个端点，存入集合FE＝{(fek,1,fek,2)|k＝1,2,…,FPN}，fek,1,fek,2表示第k个折线段的两个端点，FPN为折线段数量；
(2-2)创建一个空的三维点列FP；
(2-3)基于基岩面像元集合RE，根据下列公式插值计算fek,1,fek,2的中间点坐标fpk(xk,yk,zk)，并将fpk存入点列FP：
Figure GDA0002463584440000021
其中，k＝1,2,…,FPN，(xk,1,yk,1)为fek,1的坐标，(xk,2,yk,2)为fek,2的坐标，d为fek,1,fek,2间的距离，pk、qk分别为点fpk对应的基岩面DEM像元的行号、列号，
Figure GDA0002463584440000022
为fpk对应的基岩面DEM像元值，(X,Y)为基岩面DEM的原点坐标，C为基岩面DEM的像元大小，
Figure GDA0002463584440000023
为向下取整符号；
(2-4)插值完成后的三维点列FP＝{fpk|k＝1,2,…,FPN}即为基岩面断层剖面线。
进一步的，步骤(3)具体包括：
(3-1)基于获取的断层线fi，根据下面公式计算断层面推演方向的单位向量
Figure GDA0002463584440000024
Figure GDA0002463584440000025
其中，diri为fi的倾向，dipi为fi的倾角；
(3-2)将基岩面断层剖面线作为断层面上边界，根据下式计算得到断层面下边界FL＝{flk|k＝1,2,…,FPN}；
Figure GDA0002463584440000026
其中，D为预设断层面推演深度；
(3-3)基于断层面上边界和断层面下边界，构建基岩断层面三维模型Si。
进一步的，步骤(3-3)具体包括：
(3-3-1)依次按照fpk、flk、fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的正三角面片集合STL＝{stlk(fpk,flk,fpk+1)|k＝1,...,FPN-1}，其中，stlk(fpk,flk,fpk+1)表示由点fpk,flk,fpk+1形成的三角面，fpk、fpk+1表示断层面上边界中第k和第k+1个点，flk表示断层面下边界中第k个点；
(3-3-2)依次按照flk+1,flk,fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的倒三角面片集合STR＝{strk(flk+1,flk,fpk+1)|k＝1,...,FPN-1}，其中，strk(flk+1,flk,fpk+1)表示由点flk+1,flk,fpk+1形成的三角面；
(3-3-3)将正三角面片集合STL和倒三角面片集合STR进行整合，得到基岩断层面三维模型Si。
进一步的，步骤(4)具体包括：
(4-1)基于三维建模软件，根据预设颜色创建材质ci；
(4-2)将材质ci与基岩断层面三维模型Si绑定。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明可以实现基岩断层面三维模型的自动构建，自动化程度高，三维效果好。
附图说明
图1是本实施例中采用的基岩面DEM和断层线数据；
图2是本实施例中断层数据的属性表；
图3是本发明提供的流程图；
图4是本实施例中构建的西杨坊－东阳断层的断层面三维模型；
图5是本实施例中构建的基岩断层面三维模型的仰视图；
图6是本实施例中构建的基岩断层面三维模型的侧视图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案作进一步详细的说明，本实施例选取了南京市的基岩断层数据和基岩面DEM数据(像元大小为10米，如图1和图2)，该实验数据采用的投影坐标系为南京92坐标系。下面结合附图，并通过描述一个具体的实施例，来进一步说明。
如图3所示，本实施例提供了一种基岩断层面三维模型的自动构建方法，具体包括如下步骤：
(1)分别读取基岩断层线矢量数据和基岩面DEM到断层线集合F和基岩面DEM像元集合RE中。
该步骤具体包括：
(1-1)读取基岩断层线矢量数据到断层集合F＝{fi|i＝1,2,…,FN}；其中，fi表示第i个断层线，FN表示断层线数量；在本实施例中，FN＝14；
(1-2)读取基岩面DEM到基岩面DEM像元集合RE＝{rep,q|p＝1,2,…,PN,q＝1,2,…QN}；其中，rep,q表示基岩面DEM的第p行第q列的像元，PN为基岩面DEM的行数，QN为基岩DEM的列数。在本实施例中，PN＝8313，QN＝15226。
(2)从断层线集合F中读取任一断层线，并基于基岩面DEM像元集合RE，提取基岩面断层剖面线。
该步骤具体包括：
(2-1)从集合F中获取任一断层线fi，并取出断层线fi中所有折线段，获取每个折线段的两个端点，存入集合FE＝{(fek,1,fek,2)|k＝1,2,…,FPN}，fek,1,fek,2表示第k个折线段的两个端点，FPN为折线段数量；
(2-2)创建一个空的三维点列FP；
(2-3)基于基岩面像元集合RE，根据下列公式插值计算fek,1,fek,2的中间点坐标fpk(xk,yk,zk)，并将fpk存入点列FP；
Figure GDA0002463584440000041
其中，k＝1,2,…,FPN，(xk,1,yk,1)为fek,1的坐标，(xk,2,yk,2)为fek,2的坐标，d为fek,1,fek,2间的距离，pk、qk分别为点fpk对应的基岩面DEM像元的行号、列号，
Figure GDA0002463584440000042
为fpk对应的基岩面DEM像元值，(X,Y)为基岩面DEM的原点坐标，C为基岩面DEM的像元大小，
Figure GDA0002463584440000043
为向下取整符号；在本实施例中，fe1,1的坐标为(111755.02,204164.829)，fe1,2的坐标为(112431.871,203639.179),基岩面DEM的原点坐标为(89385.637,56491.814)，基岩面DEM的像元大小为10米。
(2-4)插值完成后的三维点列FP＝{fpk|k＝1,2,…,FPN}即为基岩面断层剖面线。在本实施例中，当断层线为f1时，FPN＝1611。
(3)以基岩面断层剖面线为断层面上边界，基于断层产状信息推演断层面下边界，并基于断层面上边界和下边界构建基岩断层面模三维型。
该步骤具体包括：
(3-1)基于获取的断层线fi，根据下面公式计算断层面推演方向的单位向量
Figure GDA0002463584440000051
Figure GDA0002463584440000052
其中，diri为fi的倾向，dipi为fi的倾角；在本实施例中，当断层线为f1时，dir1＝60°，dip1＝60°，
Figure GDA0002463584440000053
(3-2)将基岩面断层剖面线作为断层面上边界，根据下式计算得到断层面下边界FL＝{flk|k＝1,2,…,FPN}；
Figure GDA0002463584440000054
其中，D为预设断层面推演深度；本实施例中D为2000米。
(3-3)基于断层面上边界和断层面下边界，构建基岩断层面三维模型Si，构建的方法具体包括：
(3-3-1)依次按照fpk、flk、fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的正三角面片集合STL＝{stlk(fpk,flk,fpk+1)|k＝1,...,FPN-1}，其中，stlk(fpk,flk,fpk+1)表示由点fpk,flk,fpk+1形成的三角面，fpk、fpk+1表示断层面上边界中第k和第k+1个点，flk表示断层面下边界中第k个点；
(3-3-2)依次按照flk+1,flk,fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的倒三角面片集合STR＝{strk(flk+1,flk,fpk+1)|k＝1,...,FPN-1}，其中，strk(flk+1,flk,fpk+1)表示由点flk+1,flk,fpk+1形成的三角面；
(3-3-3)将正三角面片集合STL和倒三角面片集合STR进行整合，得到基岩断层面三维模型Si。如图4所示，为西杨坊－东阳断层的断层面三维模型。
(4)根据预设颜色创建材质，完成与基岩断层面三维模型的绑定。
该步骤具体包括：
(4-1)基于三维建模软件API，根据预设颜色创建材质ci；本实施例中预设颜色为正红色。
(4-2)将材质ci与基岩断层面三维模型Si绑定。
(5)循环执行步骤(2)至(4)，完成基岩面DEM中所有基岩断层面三维模型的构建。完成构建后将所有的三维断层面模型导出为模型文件。具体如图5和图6所示。
此外，本发明实施例中，仅针对基岩断层进行了断层面三维模型的构建，该方法同样适用于第四纪断层的断层面三维模型构建，只需将本专利中的基岩面DEM替换为地表面DEM即可。本发明实施例中仅基于三维模型编辑软件Unity3d API创建材质，该方法也可以使用3ds Max、AutoCad等软件的API。本发明实施例中仅以fbx格式导出基岩断层面三维模型，该方法也可以导出OBJ等其它格式的基岩断层面三维模型。

Claims (3)

1.一种基岩断层面三维模型的自动构建方法，其特征在于该方法包括：
(1)分别读取基岩断层线矢量数据和基岩面DEM到断层线集合F和基岩面DEM像元集合RE中；
(2)从断层线集合F中读取任一断层线，并基于基岩面DEM像元集合RE，提取基岩面断层剖面线；具体包括：
(2-1)从集合F中获取任一断层线fi，并取出断层线fi中所有折线段，获取每个折线段的两个端点，存入集合FE＝{(fek,1,fek,2)|k＝1,2,…,FPN}，fek,1,fek,2表示第k个折线段的两个端点，FPN为折线段数量；
(2-2)创建一个空的三维点列FP；
(2-3)基于基岩面像元集合RE，根据下列公式插值计算fek,1,fek,2的中间点坐标fpk(xk,yk,zk)，并将fpk存入点列FP：
Figure FDA0004075684440000011
其中，k＝1,2,…,FPN，(xk,1,yk,1)为fek,1的坐标，(xk,2,yk,2)为fek,2的坐标，d为fek,1,fek,2间的距离，pk、qk分别为点fpk对应的基岩面DEM像元的行号、列号，
Figure FDA0004075684440000012
为fpk对应的基岩面DEM像元值，(X,Y)为基岩面DEM的原点坐标，C为基岩面DEM的像元大小，
Figure FDA0004075684440000013
为向下取整符号；
(2-4)插值完成后的三维点列FP＝{fpk|k＝1,2,…,FPN}即为基岩面断层剖面线；
(3)以基岩面断层剖面线为断层面上边界，基于断层产状信息推演断层面下边界，并基于断层面上边界和下边界构建基岩断层面三维模型；具体包括：
(3-1)基于获取的断层线fi，根据下面公式计算断层面推演方向的单位向量
Figure FDA0004075684440000014
Figure FDA0004075684440000015
其中，diri为fi的倾向，dipi为fi的倾角；
(3-2)将基岩面断层剖面线作为断层面上边界，根据下式计算得到断层面下边界FL＝{flk|k＝1，2，…，FPN}；
Figure FDA0004075684440000021
其中，D为预设断层面推演深度；
(3-3)基于断层面上边界和断层面下边界，构建基岩断层面三维模型Si，具体包括：
(3-3-1)依次按照fpk、flk、fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的正三角面片集合STL＝{stlk(fpk，flk，fpk+1)|k＝1，…，FPN-1}，其中，stlk(fpk，flk，fpk+1)表示由点fpk，flk，fpk+1形成的三角面，fpk、fpk+1表示断层面上边界中第k和第k+1个点，flk表示断层面下边界中第k个点；
(3-3-2)依次按照flk+1，flk，fpk+1的顶点顺序，构建基岩断层面三维模型Si的倒三角面片集合STR＝{strk(flk+1，flk，fpk+1)|k＝1，…，FPN-1}，其中，strk(flk+1，flk，fpk+1)表示由点flk+1，flk，fpk+1形成的三角面；
(3-3-3)将正三角面片集合STL和倒三角面片集合STR进行整合，得到基岩断层面三维模型Si；
(4)根据预设颜色创建材质，完成与基岩断层面三维模型的绑定；
(5)循环执行步骤(2)至(4)，完成基岩面DEM中所有基岩断层面三维模型的构建。
2.根据权利要求1所述的基岩断层面三维模型的自动构建方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：
(1-1)读取基岩断层线矢量数据到断层集合F＝{fi|i＝1，2，…，FN}；其中，fi表示第i个断层线，FN表示断层线数量；
(1-2)读取基岩面DEM到基岩面DEM像元集合RE＝{rep，q|p＝1，2，…，PN，q＝1，2，…QN}；其中，rep，q表示基岩面DEM的第p行第q列的像元，PN为基岩面DEM的行数，QN为基岩DEM的列数。
3.根据权利要求1所述的基岩断层面三维模型的自动构建方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：
(4-1)基于三维建模软件，根据预设颜色创建材质ci；
(4-2)将材质ci与基岩断层面三维模型Si绑定。
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