CN111951393B - 水平构造台地的三维模型构造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平构造台地的三维模型构造方法及装置，其中方法包括：针对构造台地建模数据的预处理；基于各地层边界的点集高程，推断对应被裁剪地层边界的点集高程；基于一地层下层面边界的点集，利用克里金插值方法，实现相应地层下层面的插值处理；地层出露侧面TIN模型的构建；地层被裁剪侧面TIN模型的构建；直至完成不同地层下层面和相应侧面的TIN模型；根据DEM和不同地层的上、下层面和侧面TIN模型，缝合生成不同地层的OBJ三维模型。本发明算法复杂度较低，自动化程度高，模型的准确度较好。
Description
技术领域
本发明涉及地理信息技术应用领域，尤其涉及一种水平构造台地的三维模型构造方法及装置。
背景技术
水平构造地貌是指在地壳垂直运动下原始沉积地层保持水平(或近水平)产状而无褶皱变化的地貌类型(岩层倾角通常小于或等于5°)。在地壳上升区域，由于软硬相间的水平岩层不断受到外力侵蚀，出露于地表的较软岩层不断被侵蚀，显露出不易被侵蚀的坚硬岩石表面，使得地貌表面与坚硬岩石表面一致，从而表现出丰富的水平构造地貌类型。
就不同发育阶段所表现的形态而言，水平构造地貌划分为构造台地(岩层发育的幼年期)、构造石墙(岩层发育的青年期)、构造方山(岩层发育的壮年期)和石峰石林(岩层发育的老年期)。不同阶段的水平构造地貌类型，具有不同的科学研究价值和旅游观赏价值，研究不同类型的水平构造地貌三维建模方法，对研究地貌实体的三维建模、古地貌恢复、地貌演化过程模拟、旅游资源开发和矿产资源利用都具有重要意义。
目前，针对水平构造地貌的三维建模研究相对较少，李安波等(参考：李安波,万夏,王凯亮,闾国年.一种水平构造地貌实体的三维模型构建方法.中国,CN110400371A.2019.)利用地质图和DEM，初步实现了一种基于水平构造方山的三维建模。该方法自动化程度较高，构建的模型较为完整。但是，该方法构建的三维模型地层层面起伏较大，建模质量和准确度有待进一步提升；且该方法不能进行构造台地、石墙等其它类型水平构造地貌的三维建模。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种准确度更高的水平构造台地的三维模型构造方法及装置。
技术方案：本发明所述的水平构造台地的三维模型构造方法包括：
(1)对水平构造台地的地层图层和DEM数据按照预设构造台地建模范围裁剪，并获取地层图层中各地层被裁剪后剩余的自然出露地层边界线，形成自然出露地层边界线集合SL；
(2)根据DEM数据获取集合SL中各自然出露地层边界线的高程，并基于自然出露地层边界线的高程推测对应地层被裁剪位置上非自然出露地层边界线的高程；
(3)将自然出露的地层边界线和对应被裁剪位置上的非自然出露地层边界线合并为一条线，作为所在地层的地层边界线，形成地层边界线集合PL；
(4)从地层图层中获取任一地层s；
(5)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线，利用克里金插值方法，进行地层s下层面的插值处理，构建下层面的TIN模型；
(6)根据DEM数据和等高线构建台地建模范围的TIN模型，从中提取出地层s自然出露侧面的TIN模型；
(7)根据被裁剪位置上的非自然出露地层边界线构建被裁剪侧面的TIN模型；
(8)循环执行步骤(4)-(7)，直至完成所有地层的处理；
(9)根据各地层的下层面和侧面TIN模型，通过缝合生成地层的三维模型。
进一步的，步骤(2)具体包括：
(2-1)获取自然出露地层边界线集合SL＝{sli|i＝1,…,N}，其中，sli为第i条自然出露地层边界线，N为线个数；
(2-2)将每个自然出露地层边界线sli离散成对应点集EPi＝{epij|j＝1,…,Mi}，并利用DEM数据获取所有点的高程，epij表示第i条自然出露地层边界线离散后得到的第j个点，Mi为第i条自然出露地层边界线点个数，i＝1,…,N；
(2-3)根据台地建模范围和各自然出露地层界线识别每个裁剪位置上的非自然出露地层边界线xli，并对xli以预设距离d1进行点加密处理，得到对应加密点集APi＝{apij|j＝1,…,Ri}，Ri为第i条非自然出露地层界线的点个数，i＝1,…,N；
(2-4)以每个自然出露地层边界线的点集EPi为已知点集，以对应非自然出露的地层边界加密点集APi为未知点集，利用反距离加权法获取点集APi中所有点的高程值，即被裁剪位置上的非自然出露地层边界线xli的高程值，i＝1,…,N。
进一步的，步骤(5)具体包括：
(5-1)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线pls，计算半方差值，具体方法为：从地层边界线pls的离散点集EPs和加密点集APs的合集EAPs中任意选择两个点，两两组成一个点对，形成点对集合，并根据点对中两点之间距离d，将距离d相同的点对分为一组，形成若干点对组，分别按照下式计算半方差γ(d)：
式中，nd是点对中两点距离为d的点对组中的点对个数，z(xt)、z(xt+d)是两点距离为d的点对组中第t个点对的高程值；
(5-2)根据半方差γ(d)绘制并拟合变异函数图，具体方法为：以距离d为横轴，以半方差γ(d)为纵轴，绘制半方差图，通过拟合获取与半方差图最为相似的变异函数模型；
(5-3)根据地层边界线pls圈出的范围获取地层s下层面的待插点集合CP＝{cpu|u＝1,…,Mu}，cpu表示第u个待插点，Mu表示待插点个数；
(5-4)根据拟合的变异函数模型，在第u个待插点上，按照下式计算EAPs中各点的克里金系数
式中，w表示EAPs中点的个数，形如γ(d*#)表示以EAPs中第*和第#个点对的距离d*#为因变量采用变异函数模型计算得到的半方差，表示空集；
(5-5)根据地层边界线pls的点集EAPs的高程值和克里金系数，按照下式计算地层s的下层面任一待插点的高程值；
z(xu)表示地层s的下层面中第u个待插点的高程值；
(5-6)将地层边界线pls和所有插值点合并，形成一个集合，作为地层s的下层面,并对该下层面采用不规则三角网法构建下层面的TIN模型。
进一步的，步骤(6)具体包括：
(6-1)根据台地建模范围的DEM数据生成若干等高距为预设距离d2的等高线；
(6-2)基于步骤(6-1)生成的等高线采用不规则三角网方法，生成台地建模范围的TIN模型；
(6-3)以TIN模型为数据源，以地层s的自然出露侧面所覆盖的范围为约束，提取出自然出露侧面的TIN模型。
进一步的，步骤(7)包括：
(7-1)获取地层s的非自然出露地层边界线xls的点集Aps，以及位于地层s上一层地层p的非自然出露地层边界线xlp的点集App；
(7-2)从点集Aps和点集App中查找到属于每一裁剪面h的点集SPh，将每一点集SPh中的点按排列顺序连接起来，构成每一被裁剪侧面的边界线；
(7-3)以SPh为数据源，以每一被裁剪侧面的边界线为约束范围，利用不规则三角网构建法，构建被裁剪侧面的TIN模型。
进一步的，步骤(9)包括：
(9-1)以DEM为数据源，以顶部地层的底层边界线所覆盖的范围为约束，构建顶部地层的上层面的TIN模型；
(9-2)将每一地层的下层面，赋值为该地层的下一层地层的上层面，从而得到所有地层的上层面、下层面的TIN模型；
(9-3)获取任一地层s，将地层s的上层面、下层面、自然出露侧面、被裁剪侧面的TIN模型中的所有三角面，转化为点数据，保存至点集合TPs；
(9-4)遍历点集TPs，根据OBJ格式中点的格式规范，将各点的横坐标、纵坐标和高程信息写入OBJ文件中；
(9-5)遍历地层s所有TIN模型的三角面，根据点集合TPs构建二维节点K-D树，利用KNN算法，查询每一个三角面中3个端点的索引值，并将其写入OBJ文件中，生成地层s的OBJ三维模型数据；
(9-6)循环步骤(9-3)-(9-5)，直到生成所有地层的OBJ三维模型数据；
(9-7)根据所有地层的OBJ三维模型数据，生成水平构造台地的三维模型。
本发明所述的水平构造台地的三维模型构造装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明算法复杂度较低，自动化程度较高，模型的准确度更好。
附图说明
图1是本发明提供的水平构造台地的三维模型构造方法的流程图；
图2是构造台地建模数据((a)科罗拉多大峡谷全域地形地质图、(b)本实验区的地质图、(c)本实验区的DEM)；
图3是地层边界示意图；
图4是地层边界的线状要素图；
图5是地层边界的点状要素图；
图6是地层层面插值结果图；
图7是出露地层侧面的TIN模型图；
图8是水平构造台地的三维模型图。
具体实施方式
本实施例提供了一种水平构造台地的三维模型构造方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)对水平构造台地的地层图层和DEM数据按照预设构造台地建模范围裁剪，并获取地层图层中各地层被裁剪后剩余的自然出露地层边界线，形成自然出露地层边界线集合SL；
本实施例以美国科罗拉多大峡谷的构造台地作为研究对象，该实验数据的坐标系为GCS_North_American_1927，建模数据来源是从美国地质勘探局(United StatesGeological Survey，USGS)的官网(https://ngmdb.usgs.gov/mapview/)下载获得。地层图层和DEM数据以及裁剪后的数据如图2所示，其中，裁剪可使用ArcEngine API中的裁剪工具。地层边界线的获取可以通过调用ArcEngine API中的要素转线工具，将地层图层中的面状要素转换为线状要素，得到地层边界线。本实施例中最终集合SL中有地层边界线9条。
(2)根据DEM数据获取集合SL中各自然出露地层边界线的高程，并基于自然出露地层边界线的高程推测对应地层被裁剪位置上非自然出露地层边界线的高程。
该步骤具体包括：
(2-1)获取自然出露地层边界线集合SL＝{sli|i＝1,…,N}，其中，sli为第i条自然出露地层边界线，N为线个数；
(2-2)将每个自然出露地层边界线sli离散成对应点集EPi＝{epij|j＝1,…,Mi}，并利用DEM数据获取所有点的高程，epij表示第i条自然出露地层边界线离散后得到的第j个点，Mi为第i条自然出露地层边界线点个数，i＝1,…,N；
(2-3)根据台地建模范围和各自然出露地层界线识别每个裁剪位置上的非自然出露地层边界线sli被裁剪地层边界线xli，并对xli以预设距离d1进行点加密处理，得到对应加密点集APi＝{apij|j＝1,…,Ri}，Ri为第i条非自然出露地层界线的点个数，i＝1,…,N(与自然出露地层界线条数一致)；本实施例中，d1＝5m，自然出露地层边界线和非自然出露地层边界线如图3所示；
(2-4)以每个自然出露地层边界线的点集EPi为已知点集，以对应非自然出露的地层边界加密点集APi为未知点集，利用反距离加权法获取点集APi中所有点的高程值，即被裁剪位置上的非自然出露地层边界线xli的高程值，i＝1,…,N。最终出露地层边界线和被裁剪位置上的非自然出露地层边界线的线状要素图如图4所示，非自然出露地层边界线的加密点集和自然出露地层边界线的点集如图5所示。
(3)将自然出露的地层边界线和对应被裁剪位置上的非自然出露地层边界线合并为一条线，作为所在地层的地层边界线，形成地层边界线集合PL。
(4)从地层图层中获取任一地层s。
(5)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线，利用克里金插值方法，进行地层s下层面的插值处理，构建下层面的TIN模型。
该步骤具体包括：
(5-1)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线pls，计算半方差值，具体方法为：从地层边界线pls的离散点集EPs和加密点集APs的合集EAPs中任意选择两个点，两两组成一个点对，形成点对集合，并根据点对中两点之间距离d，将距离d相同的点对分为一组，形成若干点对组，分别按照下式计算半方差γ(d)：
式中，nd是点对中两点距离为d的点对组中的点对个数，z(xt)、z(xt+d)是两点距离为d的点对组中第t个点对的高程值；
(5-2)根据半方差γ(d)绘制并拟合变异函数图，具体方法为：以距离d为横轴，以半方差γ(d)为纵轴，绘制半方差图，通过拟合获取与半方差图最为相似的变异函数模型；变异函数模型可以为高斯、线性、球状等模型，本实施例中，使用的是球状模型，计算公式为：
c0表示距离为零时的半方差、a表示达到恒定时的半方差，c表示值域范围；
(5-3)根据地层边界线pls圈出的范围获取地层s下层面的待插点集合CP＝{cpu|u＝1,…,Mu}，cpu表示第u个待插点，Mu表示待插点个数；
(5-4)根据拟合的变异函数模型，在第u个待插点上，按照下式计算EAPs中各点的克里金系数
式中，w表示EAPs中点的个数，形如γ(d*#)表示以EAPs中第*和第#个点对的距离d*#为因变量采用变异函数模型计算得到的半方差，表示空集；
(5-5)根据地层边界线pls的点集EAPs的高程值和克里金系数，按照下式计算地层s的下层面任一待插点的高程值；
z(xu)表示地层s的下层面中第u个待插点的高程值；
(5-6)将地层边界线pls和所有插值点合并，形成一个集合，作为地层s的下层面,并对该下层面采用不规则三角网法构建下层面的TIN模型。最终构建的所有地层的下层面的TIN模型如图6所示。
(6)根据DEM数据和等高线构建台地建模范围的TIN模型，从中提取出地层s自然出露侧面的TIN模型。
该步骤具体包括：
(6-1)根据台地建模范围的DEM数据生成若干等高距为预设距离d2的等高线；
(6-2)基于步骤(6-1)生成的等高线采用不规则三角网方法，生成台地建模范围的TIN模型；
(6-3)以TIN模型为数据源，以地层s的出露侧面所覆盖的范围为约束，提取出自然出露侧面的TIN模型。本实施例中最终构建的所有地层的自然出露侧面的TIN模型如图7所示。
(7)根据被裁剪位置上的非自然出露地层边界线构建被裁剪侧面的TIN模型。
该步骤具体包括：
(7-1)获取地层s的非自然出露地层边界线xls的点集Aps，以及位于地层s上一层地层p非自然出露地层边界线xlp的点集App；
(7-2)从点集Aps和点集App中查找到属于每一裁剪面h的点集SPh，将每一点集SPh中的点按排列顺序连接起来，构成每一被裁剪侧面的边界线；
(7-3)以SPh为数据源，以每一被裁剪侧面的边界线为约束范围，利用不规则三角网构建法，构建被裁剪侧面的TIN模型。
(8)循环执行步骤(4)-(7)，直至完成所有地层的处理。
(9)根据各地层的下层面和侧面TIN模型，通过缝合生成地层的三维模型。
该步骤具体包括：
(9-1)以DEM为数据源，以顶部地层的底层边界线所覆盖的范围为约束，构建顶部地层的上层面TIN模型；
(9-2)将每一地层的下层面，赋值为该地层的下一层地层的上层面，从而得到所有地层的上层面、下层面的TIN模型；
(9-3)获取任一地层s，将地层s的上层面、下层面、自然出露侧面、被裁剪侧面的TIN模型中的所有三角面，转化为点数据，保存至点集合TPs；
(9-4)遍历点集TPs，根据OBJ格式中点的格式规范，将各点的横坐标、纵坐标和高程信息写入OBJ文件中；
(9-5)遍历地层s所有TIN模型的三角面，根据点集合TPs构建二维节点K-D树，利用KNN算法，查询每一个三角面中3个端点的索引值，并将其写入OBJ文件中，生成地层s的OBJ三维模型数据；
(9-6)循环步骤(9-3)-(9-5)，直到生成所有地层的OBJ三维模型数据；
(9-7)根据所有地层的OBJ三维模型数据，生成水平构造台地的三维模型，如图8所示。
本实施例还提供了一种水平构造台地的三维模型构造装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种水平构造台地的三维模型构造方法，其特征在于该方法包括：
(1)对水平构造台地的地层图层和DEM数据按照预设构造台地建模范围裁剪，并获取地层图层中各地层被裁剪后剩余的自然出露地层边界线，形成自然出露地层边界线集合SL；
(2)根据DEM数据获取集合SL中各自然出露地层边界线的高程，并基于自然出露地层边界线的高程推测对应地层被裁剪位置上非自然出露地层边界线的高程；
(3)将自然出露的地层边界线和对应被裁剪位置上的非自然出露地层边界线合并为一条线，作为所在地层的地层边界线，形成地层边界线集合PL；
(4)从地层图层中获取任一地层s；
(5)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线，利用克里金插值方法，进行地层s下层面的插值处理，构建下层面的TIN模型；
(6)根据DEM数据和等高线构建台地建模范围的TIN模型，从中提取出地层s自然出露侧面的TIN模型；
(7)根据被裁剪位置上的非自然出露地层边界线构建被裁剪侧面的TIN模型；
(8)循环执行步骤(4)-(7)，直至完成所有地层的处理；
(9)根据各地层的下层面和侧面TIN模型，通过缝合生成地层的三维模型；
步骤(9)包括：
(9-1)以DEM为数据源，以顶部地层的底层边界线所覆盖的范围为约束，构建顶部地层的上层面的TIN模型；
(9-2)将每一地层的下层面，赋值为该地层的下一层地层的上层面，从而得到所有地层的上层面、下层面的TIN模型；
(9-3)获取任一地层s，将地层s的上层面、下层面、自然出露侧面、被裁剪侧面的TIN模型中的所有三角面，转化为点数据，保存至点集合TPs；
(9-4)遍历点集TPs，根据OBJ格式中点的格式规范，将各点的横坐标、纵坐标和高程信息写入OBJ文件中；
(9-5)遍历地层s所有TIN模型的三角面，根据点集合TPs构建二维节点K-D树，利用KNN算法，查询每一个三角面中3个端点的索引值，并将其写入OBJ文件中，生成地层s的OBJ三维模型数据；
(9-6)循环步骤(9-3)-(9-5)，直到生成所有地层的OBJ三维模型数据；
(9-7)根据所有地层的OBJ三维模型数据，生成水平构造台地的三维模型。
2.根据权利要求1所述的水平构造台地的三维模型构造方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：
(2-1)获取自然出露地层边界线集合SL＝{sli|i＝1,…,N}，其中，sli为第i条自然出露地层边界线，N为线个数；
(2-2)将每个自然出露地层边界线sli离散成对应点集EPi＝{epij|j＝1,…,Mi}，并利用DEM数据获取所有点的高程，epij表示第i条自然出露地层边界线离散后得到的第j个点，Mi为第i条自然出露地层边界线点个数，i＝1,…,N；
(2-3)根据台地建模范围和各自然出露地层界线识别每个裁剪位置上的非自然出露地层边界线xli，并对xli以预设距离d1进行点加密处理，得到对应加密点集APi＝{apij|j＝1,…,Ri}，Ri为第i条非自然出露地层界线的点个数，i＝1,…,N；
(2-4)以每个自然出露地层边界线的点集EPi为已知点集，以对应非自然出露的地层边界加密点集APi为未知点集，利用反距离加权法获取点集APi中所有点的高程值，即被裁剪位置上的非自然出露地层边界线xli的高程值，i＝1,…,N。
3.根据权利要求1所述的水平构造台地的三维模型构造方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：
(5-1)从地层边界线集合PL中获取地层s的地层边界线pls，计算半方差值，具体方法为：从地层边界线pls的离散点集EPs和加密点集APs的合集EAPs中任意选择两个点，两两组成一个点对，形成点对集合，并根据点对中两点之间距离d，将距离d相同的点对分为一组，形成若干点对组，分别按照下式计算半方差γ(d)：
式中，nd是点对中两点距离为d的点对组中的点对个数，z(xt)、z(xt+d)是两点距离为d的点对组中第t个点对的高程值；
(5-2)根据半方差γ(d)绘制并拟合变异函数图，具体方法为：以距离d为横轴，以半方差γ(d)为纵轴，绘制半方差图，通过拟合获取与半方差图最为相似的变异函数模型；
(5-3)根据地层边界线pls圈出的范围获取地层s下层面的待插点集合CP＝{cpu|u＝1,…,Mu}，cpu表示第u个待插点，Mu表示待插点个数；
(5-4)根据拟合的变异函数模型，在第u个待插点上，按照下式计算EAPs中各点的克里金系数
式中，w表示EAPs中点的个数，形如γ(d*#)表示以EAPs中第*和第#个点对的距离d*#为因变量采用变异函数模型计算得到的半方差，表示空集；
(5-5)根据地层边界线pls的点集EAPs的高程值和克里金系数，按照下式计算地层s的下层面任一待插点的高程值；
z(xu)表示地层s的下层面中第u个待插点的高程值；
(5-6)将地层边界线pls和所有插值点合并，形成一个集合，作为地层s的下层面,并对该下层面采用不规则三角网法构建下层面的TIN模型。
4.根据权利要求1所述的水平构造台地的三维模型构造方法，其特征在于：步骤(6)具体包括：
(6-1)根据台地建模范围的DEM数据生成若干等高距为预设距离d2的等高线；
(6-2)基于步骤(6-1)生成的等高线采用不规则三角网方法，生成台地建模范围的TIN模型；
(6-3)以TIN模型为数据源，以地层s的自然出露侧面所覆盖的范围为约束，提取出自然出露侧面的TIN模型。
5.根据权利要求1所述的水平构造台地的三维模型构造方法，其特征在于：步骤(7)包括：
(7-1)获取地层s的非自然出露地层边界线xls的点集Aps，以及位于地层s上一层地层p的非自然出露地层边界线xlp的点集App；
(7-2)从点集Aps和点集App中查找到属于每一裁剪面h的点集SPh，将每一点集SPh中的点按排列顺序连接起来，构成每一被裁剪侧面的边界线；
(7-3)以SPh为数据源，以每一被裁剪侧面的边界线为约束范围，利用不规则三角网构建法，构建被裁剪侧面的TIN模型。
6.一种水平构造台地的三维模型构造装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5中任意一项所述的方法。
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