CN112785707B - 一种基于bim的三维地质自动建模方法 - Google Patents
一种基于bim的三维地质自动建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于地质建模的技术领域,具体涉及一种基于BIM的三维地质自动建模方法,包括获取多源地质勘探数据,对多源地质勘探数据进行数据融合处理,以NURBS曲面表达地形面与各类地层分界面,对多源地质勘探数据进行分析,获取各类地层的层序规律,并基于层序规律确定各类地层分界面与三维地质模型的布尔逻辑运算顺序,得到三维地质模型的生成逻辑,进行参数化的地质建模,使三维地质模型与三维地质模型的各用途输出文件实时更新,输出所需的三维地质模型。本发明实现了地层模型全局或局部的实时更新,实现建模过程的自动化,实现了参数化的建模,是一种多方协同的建模方法。
Description
技术领域
本发明属于地质建模的技术领域,具体涉及一种基于BIM的三维地质自动建模方法。
背景技术
在工程建模的领域中,地质条件是决定结构设施安全稳定的重要因素之一。为了实现对工程地质条件的准确直观分析,三维地质建模技术随之应运而生,并且,三维地质模型在科学研究与工程应用中扮演着越来越重要的角色。其中,建筑信息模型(BuildingInformation Modeling,BIM)是建筑学、工程学及土木工程的新工具,可以帮助实现建筑信息的集成。
然而,在三维地质建模领域的插值方法中,不仅是离散光滑插值(DiscreteSmooth Interpolation,DSI)技术,还是使用Hermite径向基函数(HRBF)对离散的原始地质勘探数据进行插值,这些三维地质建模方法均未实现参数化建模。
同时,由于现有三维地质模型的建模过程非常复杂,在对多源勘探数据处理之后还需结合专家经验进行大量的建模和人工交互操作。所以,如何编码专家经验实现建模过程的自动化仍是一个难题,从而导致现有技术中在对地质模型进行更新时普遍采用新建地质模型替换旧有地质模型的方式,而此种方式要求建模人员进行多次复杂的建模过程,产生了大量重复的工作,极为影响工程地质勘查分析效率。
为此,亟需提出一种新型的三维地质自动建模方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术的不足,提供一种基于BIM的三维地质自动建模方法,其能够实现地层模型全局或局部的实时更新,能够实现建模过程的自动化,能够实现参数化的建模,当地质勘探数据发生增改时,三维地质模型与地质模型的各用途输出文件可实时自动更新,无需重新建模,从而提高了工程地质勘查效率。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于BIM的三维地质自动建模方法,包括以下步骤:
S1、获取多源地质勘探数据,对所述多源地质勘探数据进行数据融合处理,以NURBS曲面表达地形面与各类地层分界面,并采用NURBS曲面实现各类地层分界面的参数化几何形态控制;
S2、对所述多源地质勘探数据进行分析,获取各类地层的层序规律,并基于层序规律确定各类地层分界面与三维地质模型的布尔逻辑运算顺序,得到三维地质模型的生成逻辑,进行参数化的地质建模;
S3、使所述三维地质模型与所述三维地质模型的各用途输出文件实时更新,实现各用途输出文件中的剖面图、数值模拟模型、通用格式模型的同步更新,输出所需的三维地质模型。
进一步地,所述S1中的所述多源地质勘探数据包括但不限于地形测量数据,钻孔勘探数据,地质填图,典型剖面图,无人机数据,激光扫描仪遥感数据,地球物理勘探数据。
进一步地,所述S1中还包括:对点-线-面重拓扑流程的地层分界面进行参数化调整,以地层分界面的高程点更改NURBS曲面的特征结构线形态,再由更新的特征结构线以张量积形式生成更新的地层分界面,实现地层分界面几何形态的参数化更新。
进一步地,所述S2中还包括:参数化的地质建模获得侧重于表达各类地层分界面的Brep模型,可通过输入参数自由修改边界曲面的形状。
进一步地,所述S2中还包括:通过对地层分界面分割建模区域得到各个地层模型,根据实体之间的并集差集逻辑关系自动生成相应的实体模型,根据确定的地层分界面布尔运算顺序,对各个地层模型自动分类与建模。
进一步地,所述S2中还包括:参数化的地质建模包括对多源地质勘探数据进行地层的层序解译,再根据地层的层序对地质模型生成逻辑进行编码,根据生成逻辑实现三维地质模型的实时生成与更新,层序解译的结果为地层分界面与三维地质模型进行布尔运算的逻辑顺序。
进一步地,所述S3中还包括:对所需的三维地质模型进行多用途输出,包括实时生成任意剖面图,导出数值模拟计算模型,导出通用格式模型,使多平台可视化集成展示。
进一步地,所述S3中还包括:当多源地质勘探、参数化的地质建模部分发生数据修改时,三维地质模型可实时更新,对所需的三维地质模型的多用途输出也进行实时更新。
本发明的有益效果在于:本发明改善了三维地质模型更新费时费力的现状,其能够实现地层模型全局或局部的实时更新,能够实现建模过程的自动化,能够实现参数化的建模,当地质勘探数据发生增改时,三维地质模型与地质模型的各用途输出文件可实时自动更新,无需重新建模,实现了多方协同情景下的基于BIM的三维地质自动建模,从而提高了工程地质勘查的效率。
附图说明
图1为本发明自动建模方法的步骤流程图。
图2为本发明自动建模方法的操作流程框图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件,本领域技术人员应可理解,制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题,基本达到技术效果。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1~2和具体实施例对本发明作进一步详细说明,但不作为对本发明的限定。
一种基于BIM的三维地质自动建模方法,如图1~2所示,包括以下步骤:
S1、获取多源地质勘探数据,对多源地质勘探数据进行数据融合处理,以NURBS曲面表达地形面与各类地层分界面,并采用NURBS曲面实现各类地层分界面的参数化几何形态控制;
其中,对于地层分界面来说,多源地质勘探数据均可离散化为实际地层分界高程点数据,所以,步骤S1中还包括对点-线-面重拓扑流程的地层分界面进行参数化调整,以地层分界面的高程点更改NURBS曲面的特征结构线形态,再由更新的特征结构线以张量积形式生成更新的地层分界面,实现地层分界面几何形态的参数化更新和调整,并且,该过程包括以下步骤:
定义一条p次NURBS曲线为:
其中,{Pi}是控制点,{ωi}是权因子,{Ni,p(t)}是定义在参数区间(a,b)的p次B样条基函数,并假定a=0,b=1,n是NURBS曲线分段数。对于任意NURBS曲线,可通过参数t直接准确地获得曲线上的对应点,同时还可通过改变权因子ωi或移动控制点Pi修改局部的曲线形状。
将NURBS曲线方程进行简化,假定所有权重值为1,参数区间划分均匀,可得到:
曲线C(t)可看作是单参数t的矢量函数,它是由直线段到三维欧几里得空间的映射。而曲面则可看作关于两个参数u,v的矢量函数,它表示由uv平面上的二维区域R到三维欧几里得空间的映射。因此,地层分界面以张量积NURBS曲面来表达,即采用基函数和控制点的矩阵乘积之和来表示。
NURBS曲面基函数是u和v的二元函数,它由关于u的一元基函数和关于v的一元基函数的乘积来构造,具备如下形式:
其中,{Pi,j}形成了两个方向的控制网格,{Ni,p(u)}和{Nj,q(v)}分别是定义在uv方向上的非有理B样条基函数。n和m是曲面在u,v两个方向的分段数。因此对张量积NURBS曲面的几何形态控制可采用在u,v两个方向分别进行NURBS曲线的参数化处理方式。
以张量积形式生成更新的地层分界面的具体步骤如下:
(1)根据点数据坐标(x0,y0,z0)反求其在曲面S(u,v)上的坐标(u0,v0),并在曲面S(u,v)上得到经过曲面坐标(u0,v0)特征结构线Cu0和Cv0;
(2)将Cu0离散化为数个特征点{Qk},随后加入地层分界高程点Qz0,得到新的特征点集{Qknew},knew=11,重新插值为特征曲线Cu0new;对曲线Cv0也进行同样操作,得到Cv0new,其中,
{Qknew}={Qk}+Qz0=Cu0new(uknew);
(3)将特征结构线Cu0new和Cv0new替换Cu0和Cv0,原始特征结构线集合{Cu}和{Cv}即被更新为{Cunew}和{Cvnew},再根据NURBS曲面基函数公式将{Cunew}和{Cvnew}张量积生成更新的地层分界面。
并且,根据以上流程即可通过输入点坐标(u0,v0,z0),实现地层分界面几何形态的参数化更新,并保证生成的地层分界面完全经过已知钻孔点。若需根据大量钻孔更新地层分界面,仅需让计算机重复循环此流程即可。
S2、对多源地质勘探数据进行分析,获取各类地层的层序规律,并基于层序规律确定各类地层分界面与三维地质模型的布尔逻辑运算顺序,得到三维地质模型的生成逻辑,进行参数化的地质建模,参数化的地质建模获得侧重于表达各类地层分界面的Brep模型,可通过输入参数自由修改边界曲面的形状;
并且,通过对地层分界面分割建模区域得到各个地层模型,根据实体之间的并集差集逻辑关系自动生成相应的实体模型,根据确定的地层分界面布尔运算顺序,可以对各个地层模型自动分类与建模。
同时,参数化的地质建模包括对多源地质勘探数据进行地层的层序解译,再根据地层的层序对地质模型生成逻辑进行编码,根据生成逻辑实现三维地质模型的实时生成与更新,层序解译的结果为地层分界面与三维地质模型进行布尔运算的逻辑顺序。
其中,基于Brep的地层实体模型是通过对地层分界面分割建模区域得到各个地层模型,是基于地层分界面布尔逻辑顺序的地层自动建模,而在建模中广泛应用的布尔逻辑运算可根据实体之间的并集差集逻辑关系自动生成相应的实体模型,这与层序地层的表达(即某地层处在两种或更多的新老地层分界面之间)存在一定共通性,因此可将布尔逻辑引入到三维地质建模中。
在对多源地质勘探数据进行分析获取地层层序规律后,地层分界面与地质模型的布尔逻辑运算先后顺序可被确定。根据确定的地层分界面布尔运算顺序,各地层模型即可被自动分类与建模。当地层分界面发生形状变化时,若未修改地层的生成逻辑,各个地层只发生相应的形状变化,并不会产生新地层。而当我们需要对地层属性进行修改时,仅需要更改建模过程中的布尔逻辑。同时结合步骤S1中的地层分界面的几何形态参数化调整,即可实现地层模型全局或局部的实时更新。
S3、使三维地质模型与三维地质模型的各用途输出文件实时更新,实现各用途输出文件中的剖面图、数值模拟模型、通用格式模型的同步更新,输出所需的三维地质模型。
并且,S3步骤中还包括:对所需的三维地质模型进行多用途输出,包括实时生成任意剖面图,导出数值模拟计算模型,导出通用格式模型,使多平台可视化集成展示,当多源地质勘探、参数化的地质建模部分发生数据修改时,三维地质模型可实时更新,对所需的三维地质模型的多用途输出也进行实时更新。
同时,还可以对S1步骤和S2步骤进行编码,保留输入端接口(地质勘探数据输入)与输出端接口(三维地质模型与三维地质模型的各用途输出文件),即可实现在多方协同情景下的基于BIM的三维地质自动建模。
优选地,S1步骤中的多源地质勘探数据包括但不限于地形测量数据,钻孔勘探数据,地质填图,典型剖面图,无人机数据,激光扫描仪遥感数据,地球物理勘探数据。
并且,自动建立参数化地层面后,可以引入专家经验分析地层的层序,再进行三维地质模型的自动更新和输出。
显然,本发明的建模方法中当有地质数据发生变化增改时,三维地质模型与三维地质模型的各用途输出文件可进行实时更新,不仅能够有效提高工作的效率,还能够将多源地质勘探、参数化的地质建模、应用进行实时链接,实现了工程地质的多方协同。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上述的具体实施方式,凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、获取多源地质勘探数据,对所述多源地质勘探数据进行数据融合处理,以NURBS曲面表达地形面与各类地层分界面,并采用NURBS曲面实现各类地层分界面的参数化几何形态控制,
对点-线-面重拓扑流程的地层分界面进行参数化调整,以地层分界面的高程点更改NURBS曲面的特征结构线形态,再由更新的特征结构线以张量积形式生成更新的地层分界面,实现地层分界面几何形态的参数化更新,
以张量积形式生成更新的地层分界面的具体步骤如下:
根据点数据坐标(x0,y0,z0)反求其在曲面S(u,v)上的坐标(u0,v0),并在曲面S(u,v)上得到经过曲面坐标(u0,v0)特征结构线Cu0和Cv0,
将Cu0离散化为数个特征点{Qk},随后加入地层分界高程点Qz0,得到新的特征点集{Qknew},knew=11,重新插值为特征曲线Cu0new,对曲线Cv0也进行同样操作,得到Cv0new,其中,
将特征结构线Cu0new和Cv0new替换Cu0和Cv0,原始特征结构线集合{Cu}和{Cv}即被更新为{Cunew}和{Cvnew},再根据NURBS曲面基函数公式将{Cunew}和{Cvnew}张量积生成更新的地层分界面;
S2、对所述多源地质勘探数据进行分析,获取各类地层的层序规律,并基于层序规律确定各类地层分界面与三维地质模型的布尔逻辑运算顺序,得到三维地质模型的生成逻辑,进行参数化的地质建模;
S3、使所述三维地质模型与所述三维地质模型的各用途输出文件实时更新,实现各用途输出文件中的剖面图、数值模拟模型、通用格式模型的同步更新,输出所需的三维地质模型。
2.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S1中的所述多源地质勘探数据包括:地形测量数据,钻孔勘探数据,地质填图,典型剖面图,无人机数据,激光扫描仪遥感数据,地球物理勘探数据。
3.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S2中还包括:参数化的地质建模获得侧重于表达各类地层分界面的Brep模型,可通过输入参数自由修改边界曲面的形状。
4.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S2中还包括:通过对地层分界面分割建模区域得到各个地层模型,根据实体之间的并集差集逻辑关系自动生成相应的实体模型,根据确定的地层分界面布尔运算顺序,对各个地层模型自动分类与建模。
5.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S2中还包括:参数化的地质建模包括对多源地质勘探数据进行地层的层序解译,根据地层的层序对地质模型生成逻辑进行编码,根据生成逻辑实现三维地质模型的实时生成与更新,层序解译的结果为地层分界面与三维地质模型进行布尔运算的逻辑顺序。
6.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S3中还包括:对所需的三维地质模型进行多用途输出,包括实时生成任意剖面图,导出数值模拟计算模型,导出通用格式模型,使多平台可视化集成展示。
7.如权利要求1所述的基于BIM的三维地质自动建模方法,其特征在于,所述S3中还包括:当多源地质勘探、参数化的地质建模部分发生数据修改时,三维地质模型可实时更新,对所需的三维地质模型的多用途输出也进行实时更新。
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