CN112084548A - 用于边坡稳定性分析的2.5d可视化建模方法和系统 - Google Patents

用于边坡稳定性分析的2.5d可视化建模方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法和系统。用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法包括生成多层DEM、边界提取、地层缝合、空间剖面切割、二维空间的三角剖分、约束下的三角剖分等步骤。用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模系统为采用上述方法的系统。本发明提供的所述用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法和系统解决了现有技术的边坡工程可视化与计算相互独立，存在数据处理过程繁琐、文件格式不统一、效果欠缺直观性等技术问题。

Description

用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法和系统
技术领域
本发明涉及边坡建模领域，具体涉及一种用于边坡稳定性分析的 2.5D可视化建模方法和系统。
背景技术
边坡可视化建模是运用计算机技术、结合岩土工程实际，在三维环境下，将边坡工程信息与可视化工具相结合，用于边坡虚拟现实的显示。同时为了进一步考察人类活动对边坡稳定性产生的影响，工程实际希望对于建立的空间边坡模型不仅能“看”，而且可以根据边坡工程理论进行“算”。
但传统的边坡工程的展示与计算是独立的，边坡的地形与钻孔数据通过CAD进行存储，计算是通过另外的边坡软件。因此存在数据处理过程繁琐、文件格式不统一、且效果欠缺直观性的问题，对于复杂边坡模型无法进行有效的稳定性评价，无法满足工程需求。
发明内容
为解决现有技术的边坡工程可视化与计算相互独立，存在数据处理过程繁琐、文件格式不统一、效果欠缺直观性等技术问题，本发明提供一种解决上述问题的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法和系统。
一种用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，包括获取边坡坐标数据、钻孔编录数据，生成多层DEM，以及建立虚拟钻孔对所述多层DEM进行约束与纠正，还包括以下步骤：
步骤1、对所述多层DEM的每一层使用边界提取算法进行边界提取，所述边界提取算法包括以下流程：
步骤1.1、将已知的全部空间点集优先按照y从小到大、其次按照x从小到大的顺序排列；
步骤1.2、分别计算点集中每一个点与第一点的距离，以及两点连线与x轴正方向的夹角，并优先按照夹角从小到大、其次按照距离从大到小排序；第一、第二及最后一点为边界点，加入结果数组；
步骤1.3、从点集中第三点开始，依次判断所有点与所述结果数组中倒数第二点、倒数第一点的连线组成的有向线段的位置；
点在左侧则加入所述结果数组；点在右侧则循环删除所述结果数组中的最后一点，直到判断点位于有向线段的左侧；直至所有点判断完成，所述结果数组即为凸壳有序点集；
步骤2、对提取出的多层边界进行地层缝合，包括以下流程：
步骤2.1、对所述凸壳有序点集进行点集加密，使上下两层的点数相同；
步骤2.2、取上下两地层最右下侧的两点作为起点，分别取同层逆时针方向的下一点，组成四点进行三角剖分；直至所有点的缝合，即获得三维模型；
步骤3、对所述三维模型进行空间剖面切割及二维空间的三角剖分，包括以下流程：
步骤3.1、采用不规则三角形格网构建地层面，获得多层三角形格网；提供一三维空间坐标点、一法线向量，确定切割面；
步骤3.2、将所述切割面遍历每一层所述三角形格网，如果与其中的三角形相交则记录交点，不存在则略过，获得交点坐标集；
步骤3.3、对所述交点坐标集进行点集加密，对加密后的点进行 Delaunay三角剖分，获得二维剖面；重复上述步骤，从而获得一系列的所述二维剖面，组成了2.5维计算模型；
步骤4、对上一步中存在约束条件的所述二维剖面进行约束下的三角剖分，具体包括以下流程：
步骤4.1、提供约束边，并从中提取有序点集，将所述有序点集进行Delaunay三角剖分，获得包括约束边的二维剖面；
步骤4.2、循环判断某一所述约束线段所影响的三角形集合，提取影响多边形，并进行局部的三角剖分；
步骤4.3、删除边界外的三角形。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤1.2中，计算距离、夹角时，每一步都强制保留7位有效数字。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤2.2具体包括以下流程：
步骤2.2.1、将上下两地层的最右下侧点分别记为Ui、Di，同层逆时针方向的下一点分别记为Ui+1、Di+1；
步骤2.2.2、如Ui与Di+1的距离大于Di与Ui+1的距离，则储存三角形Ui+1Di Di+1、Ui+1UiDi；反之则储存三角形Ui Di Di+1、Ui+1Ui Di+1；
步骤2.2.3、直至所有点的缝合，即获得三维模型。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤3.3具体包括以下流程：
步骤3.3.1、对所述交点坐标集进行点集加密，在加密后的点中选定最近的二个点连成基边，再根据Delaunay准则向外寻找符合要求的第三点构建新的三角形；
步骤3.3.2、以新的三角形的另两条边为基边，分别重复上一步操作，直至所有的点都被处理，获得所述二维剖面。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤4.1具体流程为：
步骤4.1.1、提供外边界线段集合、内边界线段集合、内约束线段集合，分别提取有序点集，并在外边界内插入离散点；
步骤4.1.2、将上一步提取的所述有效点集与离散点合并去重，进行Delaunay三角剖分，获得所述包括约束边的二维剖面。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤4.2具体流程为：
步骤4.2.1、判断所述包括约束边的二维剖面的三角形格网中与约束边的线段相交的三角形，对被线段所分开的两个多边形进行局部的三角剖分；
步骤4.2.2、删除受影响的三角形，并将局部三角剖分形成的新的三角形加入至原有的三角形格网中。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，所述步骤4.3具体流程为：
步骤4.3.1：将约束线段首尾相连逆时针排列，获取并记录约束线段右侧的三角形，并对这一三角形的另两条边重复上述操作；
以此递归，直至获取到三角形有一边只被一个三角形包含，将这一条边记为特征边，约束线段也记为特征边；
步骤4.3.2：删除所述特征边外的三角形。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，还包括网格细化的步骤，具体流程为：
步骤5.1：将待细化的三角形三边分别插入中点，由此新生成四个三角形，将其加入至原三角形格网中，并删除原三角形。
在本发明提供的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的一种较佳实施例中，还包括病态细化的步骤，具体流程为：
步骤5.2：设B＝r/t，r为三角形外接外接圆半径，t为三角形的最短边长，
Figure RE-GDA0002291011590000041
重复所述步骤5.1至B满足条件。
一种用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模系统，包括：
边坡坐标数据模块，自动提取与解析CAD文件中的边坡坐标数据，并将其规则化后加入数据库；
钻孔编录数据模块，具有可视化UI交互界面，对钻孔编录数据进行入库与规则组织；并在地层划分的基础上实现多层DEM的生成，建立虚拟钻孔对其进行约束与纠正；
边界提取模块，采用所述步骤1所记载的方法对多层DEM的每一层进行边界提取；
地层缝合模块，采用所述步骤2所记载的方法对多层边界进行地层缝合；
约束模块，采用所述步骤3、所述步骤4所记载的方法实现空间剖面切割及三角剖分，生成2.5维计算模型。
相较于现有技术，本发明提供的所述用于边坡稳定性分析的2.5D 可视化建模方法实现了边坡的可视化建模，不仅为工程相关人员提供一个直观的观察与研究地质单元的空间分布及其相互关系的模型、对现有的地质数据和资料进行有效保存与管理的手段，还能对已完成的勘察工作进行检验。有助于加强对边坡内在失稳机理的认识，解释地质资料中包含的深层地质信息和内在联系。也节约了资金，减少了实际应用中的盲目性，降低风险，对边坡工程的安全评估与及时处置起指导作用。
附图说明
图1是基于改进格雷厄姆算法进行凸壳提取的效果示意图，包括：
图1-1点集排序的示意图；
图1-2连接前两点和首末点的示意图；
图1-3判断点是否为右拐点的示意图；
图1-4最终结果示意图；
图2是地层缝合的示意图；
图3是三角网生长算法的流程图；
图4是二维Delaunay三角剖分的效果示意图；
图5是约束三角剖分算法的总流程图；
图6是内部插点剖分的效果示意图；
图7是约束边嵌入算法的流程图；
图8是嵌入约束边的效果示意图；
图9是边界外三角形删除算法的流程图；
图10是删除外界三角形后的效果示意图；
图11是进行全局细化后的效果示意图；
图12是进行全局细化和病态细化后的效果示意图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，包括:
步骤1：将CAD文件另存为DXF文件，再用与变的数据提取与解析软件，将其中的高程坐标数据提取出来，规则化后加入数据库。
步骤2：将钻孔编录数据也规则化后加入数据库。
步骤3：在地层划分的基础上根据粒子群优化的Kriging插值实现多层DEM的生成，并建立虚拟钻孔对其进行约束和纠正。
步骤4：基于改进格雷厄姆(Graham)算法实现凸壳边界提取。
将空间点集中的点按优先y坐标从小到大、其次x坐标从小到大的顺序排序，第一点记为p0。
请参阅图1-1，是点集排序的示意图。
遍历点集中所有点与p0连线线段的距离以及与X轴正方向的夹角，然后按照优先夹角从小到大、其次距离从大到小的顺序排序。计算过程中保留7为有效数字，从而保证结果的准确。
请参阅图1-2，是连接前两点和首末点的示意图。
显然第一、二点与最后一点一定是凸壳上的点。将第一、二点加入结果数组。从p2点开始依次判断点集中所有点与结果数组中次末点与末点有向线段的位置。
如果被判断点在左侧则加入结果数组。在右侧则循环删除结果数组中的最后一点直到判断点位于结果数组次末点与最末点有向线段的左侧终止。然后再判断下一点，直至所有点判断完成。输出结果数组即为凸壳有序点集。
请参阅图1-3，是判断点是否为右拐点的示意图。
显然p2点位于p0→p1的左侧，所以将其加到结果数组最末。而 p4点位于p2→p3的右侧，因此删除结果数组中最末的p3点，再判断p4点与p1→p2的相对位置，依次类推。
最终结果如图1-4所示。
步骤5：采用同步前进法进行地层缝合。
预先进行点集加密的处理。通过不断打断地层边界中的最长边，最终使相邻的地层的点集数量相同。
请参阅图2，是地层缝合的示意图。
分别取相邻两地层最右侧的一点，如果最右侧有多个点，则取其中y值最小的一点，分别记为Ui、Di，同层逆时针方向的下一点分别记为Ui+1、Di+1。分别计算Ui与Di+1的距离，Di与Ui+1的距离。
如Ui与Di+1的距离大于Di与Ui+1的距离，则储存三角形Ui+1Di Di+1、 Ui+1DiUi；反之则储存三角形Ui Di+1Di、Ui Di+1Ui+1。
计算完成后重复对下一点进行操作，直至所有边界点判断完成。输出构建的三角形数组和点坐标集，即得三维模型。
步骤6：空间剖面切割及二维空间Delaunay三角剖分。
对所述三维模型本文采用不规则三角格网(TIN)构建地层面。根据任一三维空间坐标点及一法线向量可以确定一平面，由此确定剖面。将所述剖面遍历每一层三角格网，如果与其中的三角形相交，则记录交点，交点坐标的集合记为剖面点集。
请同时参阅图3、图4，分别是三角网生长算法的流程图，以及二维Delaunay三角剖分的效果示意图。
对所述剖面点集进行加密，并采用Delaunay三角剖分法中的三角网生长算法对加密后的点集进行三角剖分。
详细的步骤如图3所示，大体包括：连接点集中最近的两点作为基线，然后向外寻找符合条件的第三点构建新的三角形，并以新生成的两条边为基边向外扩展，直到所有点都被处理。
步骤7：约束条件下的二维空间Delaunay三角剖分。
由于地质体往往蕴含空洞、溶洞、断层、尖灭等多种地质构造，因此在三角剖分过程中，需要对某些预定义的线段进行可见性操作，也就是要求线段不被其他线段分割，即约束Delaunay三角剖分 (ConstrainedDelaunay Triangulation，CDT)。
请同时参阅图5、图6，分别是约束三角剖分算法的总流程图，以及内部插点剖分的效果示意图。
约束包括外边界约束、内边界约束、内部线段约束，将三者分别提取有序点集，其中外边界内部插入离散点，与提取的有序点集一起合并、去重后，进行无约束Delaunay三角剖分。
请同时参阅图7、图8，分别是约束边嵌入算法的流程图，以及嵌入约束边的效果示意图。
三角剖分后再嵌入内约束边。首先判断三角网络中与约束边的每条不可见线段相交的三角形，然后从三角网络中删除并获取被约束线段分开的左右两个多边形，然后对两个多边形进行局部三角剖分，最后将局部剖分的三角形合并进三角形网络即可。
请同时参阅图9、图10，分别是边界外三角形删除算法的流程图，以及删除外界三角形后的效果示意图。
经过Delaunay三角剖分得到的三角形网络内部的三角形每条边一定被两个三角形所共用，而边界上的三角形有一边只被一个三角形所包含。将其记为特征边。
对约束边界上的每条线段收尾逆时针排列，然后获取并记录约束边界右侧的三角形再获取并记录该三角形的另两条边的右侧三角形，以此递归，直至获取到特征边，算法终止。为了统一外边界约束与内空洞边界约束，也把约束边界上的线段当做特征边。
最后将边界外的三角形删除。显然，在逆时针排列下，外约束边界右侧为外界，内约束则为左侧，将相应的三角形删除。
步骤8：网格细化。
三角剖分中由于点的分布和嵌入约束边等原因，剖分结果中常常含有很多病态的三角形。判定准则为：
Figure RE-GDA0002291011590000091
r为三角形外接外接圆半径，t为三角形的最短边长，B值越大三角形病态越严重，当
Figure RE-GDA0002291011590000092
时，三角形形状较好。
请同时参阅图11、图12，分别是对三角格网进行全局细化以及进一步病态细化后的效果示意图。
对待细化三角形三边分别插入中点，由此新生成四个三角形，将其加入三角网络中后删除原三角形。重复操作至满足上述范围。
上述的2.5维计算模型构建完成，即可用于边坡稳定性分析。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，包括获取边坡坐标数据、钻孔编录数据，生成多层DEM，以及建立虚拟钻孔对所述多层DEM进行约束与纠正，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤1、对所述多层DEM的每一层使用边界提取算法进行边界提取，所述边界提取算法包括以下流程：
步骤1.1、将已知的全部空间点集优先按照y从小到大、其次按照x从小到大的顺序排列；
步骤1.2、分别计算点集中每一个点与第一点的距离，以及两点连线与x轴正方向的夹角，并优先按照夹角从小到大、其次按照距离从大到小排序；第一、第二及最后一点为边界点，加入结果数组；
步骤1.3、从点集中第三点开始，依次判断所有点与所述结果数组中倒数第二点、倒数第一点的连线组成的有向线段的位置；
点在左侧则加入所述结果数组；点在右侧则循环删除所述结果数组中的最后一点，直到判断点位于有向线段的左侧；直至所有点判断完成，所述结果数组即为凸壳有序点集；
步骤2、对提取出的多层边界进行地层缝合，包括以下流程：
步骤2.1、对所述凸壳有序点集进行点集加密，使上下两层的点数相同；
步骤2.2、取上下两地层最右下侧的两点作为起点，分别取同层逆时针方向的下一点，组成四点进行三角剖分；直至所有点的缝合，即获得三维模型；
步骤3、对所述三维模型进行空间剖面切割及二维空间的三角剖分，包括以下流程：
步骤3.1、采用不规则三角形格网构建地层面，获得多层三角形格网；提供一三维空间坐标点、一法线向量，确定切割面；
步骤3.2、将所述切割面遍历每一层所述三角形格网，如果与其中的三角形相交则记录交点，不存在则略过，获得交点坐标集；
步骤3.3、对所述交点坐标集进行点集加密，对加密后的点进行Delaunay三角剖分，获得二维剖面；重复上述步骤，从而获得一系列的所述二维剖面，组成了2.5维计算模型；
步骤4、对上一步中存在约束条件的所述二维剖面进行约束下的三角剖分，具体包括以下流程：
步骤4.1、提供约束边，并从中提取有序点集，将所述有序点集进行Delaunay三角剖分，获得包括约束边的二维剖面；
步骤4.2、循环判断某一所述约束线段所影响的三角形集合，提取影响多边形，并进行局部的三角剖分；
步骤4.3、删除边界外的三角形。
2.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于：所述步骤1.2中，计算距离、夹角时，每一步都强制保留7位有效数字。
3.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，所述步骤2.2具体包括以下流程：
步骤2.2.1、将上下两地层的最右下侧点分别记为Ui、Di，同层逆时针方向的下一点分别记为Ui+1、Di+1；
步骤2.2.2、如Ui与Di+1的距离大于Di与Ui+1的距离，则储存三角形Ui+1 Di Di+1、Ui+1Ui Di；反之则储存三角形Ui Di Di+1、Ui+1Ui Di+1；
步骤2.2.3、直至所有点的缝合，即获得三维模型。
4.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，所述步骤3.3具体包括以下流程：
步骤3.3.1、对所述交点坐标集进行点集加密，在加密后的点中选定最近的二个点连成基边，再根据Delaunay准则向外寻找符合要求的第三点构建新的三角形；
步骤3.3.2、以新的三角形的另两条边为基边，分别重复上一步操作，直至所有的点都被处理，获得所述二维剖面。
5.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，所述步骤4.1具体流程为：
步骤4.1.1、提供外边界线段集合、内边界线段集合、内约束线段集合，分别提取有序点集，并在外边界内插入离散点；
步骤4.1.2、将上一步提取的所述有效点集与离散点合并去重，进行Delaunay三角剖分，获得所述包括约束边的二维剖面。
6.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，所述步骤4.2具体流程为：
步骤4.2.1、判断所述包括约束边的二维剖面的三角形格网中与约束边的线段相交的三角形，对被线段所分开的两个多边形进行局部的三角剖分；
步骤4.2.2、删除受影响的三角形，并将局部三角剖分形成的新的三角形加入至原有的三角形格网中。
7.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，所述步骤4.3具体流程为：
步骤4.3.1：将约束线段首尾相连逆时针排列，获取并记录约束线段右侧的三角形，并对这一三角形的另两条边重复上述操作；
以此递归，直至获取到三角形有一边只被一个三角形包含，将这一条边记为特征边，约束线段也记为特征边；
步骤4.3.2：删除所述特征边外的三角形。
8.根据权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，还包括网格细化的步骤，具体流程为：
步骤5.1：将待细化的三角形三边分别插入中点，由此新生成四个三角形，将其加入至原三角形格网中，并删除原三角形。
9.根据权利要求8所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法，其特征在于，还包括病态细化的步骤，具体流程为：
步骤5.2：设B＝r/t，r为三角形外接外接圆半径，t为三角形的最短边长，
Figure RE-FDA0002291011580000041
重复所述步骤5.1至B满足条件。
10.一种采用权利要求1所述的用于边坡稳定性分析的2.5D可视化建模方法的系统，其特征在于，包括：
边坡坐标数据模块，自动提取与解析CAD文件中的边坡坐标数据，并将其规则化后加入数据库；
钻孔编录数据模块，具有可视化UI交互界面，对钻孔编录数据进行入库与规则组织；并在地层划分的基础上实现多层DEM的生成，建立虚拟钻孔对其进行约束与纠正；
边界提取模块，采用权利要求1中所述步骤1所记载的方法对多层DEM的每一层进行边界提取；
地层缝合模块，采用权利要求1中所述步骤2所记载的方法对多层边界进行地层缝合；
约束模块，采用权利要求1中所述步骤3、所述步骤4所记载的方法实现空间剖面切割及三角剖分，生成2.5维计算模型。
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