CN113269886A - 一种基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，包括：采用倾斜摄影方法获得边坡地表模型；采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型；生成地表地形等高线；采用空间插值算法重构地形面；利用重构的地形面网格替代多层DEM的地表层网格，形成修正的三维多层DEM，基于网格地层分析生成三维地层体元模型；生成边坡表面模型，生成结构体模型；将三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型整合形成边坡三维数字孪生模型；按统一拓扑关系产生边坡三维数字孪生模型数据；在实现多源数据的有效融合，建立边坡三维数字孪生模型；可以为岩土工程计算分析提供仿真模型，采用多种几何拓扑描述方式，数据形式适应性强。

Description

一种基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法

技术领域

本发明属于土木建筑、工程地质、水利水电、交通等岩土工程与防灾减灾工程技术领域，具体涉及一种基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法。

背景技术

我国是世界上边坡地质灾害最为严重的国家之一。而且，伴随随着我国建筑、水利、交通领域的边坡工程规模越来越大。近年来，频发的边坡地质灾害给我国人民生命财产安全造成巨大损失，同时严重威胁一大批在建与将建的工程，成为制约国家战略实施的关键问题边坡地质灾害的防治问题成为岩土工程领域的重要研究方向。

建立合理的边坡三维地质模型是边坡防治的重要前提。近几十年来，空间信息技术的综合应用飞速发展，促进了数字地球技术体系的产生。地理信息系统(GeographicInformation System,GIS)作为数字地球的支撑技术，其发展为数字地球的实现提供了重要的保证。边坡是经历了漫长的地质历史年代而生成的地质体，人们在长期的工程实践中积累了大量的数据资料，对这些数据和信息的数字化、定量化以及智能化的要求日益提高。GIS技术体系的发展为边坡三维地质建模奠定了坚实的基础。

目前，针对边坡三维地质建模主要是利用钻孔资料，通过空间插值算法描述边坡地层，考虑边坡的挡土墙、抗滑桩、锚杆等支挡结构的研究尚不多见。随着BIM、无人机等新兴技术的发展，边坡的参数获取方法与建模技术也是日新月异。因此，如何将地层和工程设计参数等多源数据有效融合，成为构建边坡三维数字孪生模型的技术瓶颈。

发明内容

为了实现上述目的，本发明涉及：一种基于多源数据融合的边坡三维为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种将地层和工程设计参数等多源数据有效融合的多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，包括如下步骤：

步骤一、采用倾斜摄影方法获得边坡地表模型；

步骤二、结合钻孔资料与无人机倾斜摄影图像、边坡坡面设计参数、支挡结构设计参数，采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型(DEM)，采用面—网格—顶点描述；

步骤三、利用倾斜摄影所摄图像，采用建模软件生成地表地形等高线，再采用空间插值算法重构地形面，采用面—网格—顶点描述；

步骤四、利用重构的地形面网格替代多层DEM(数字高程模型) 的地表层网格，但需要保留钻孔位置所在的网格，形成修正的三维多层DEM，基于网格地层分析生成三维地层体元模型，采用体—顶点描述；

步骤五、利用边坡坡面设计参数，生成边坡表面模型，采用面—顶点描述；

步骤六、利用支挡结构设计参数，采用BIM建模软件生成结构体模型，采用体—面—线—顶点描述；

步骤七、将三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型整合形成边坡三维数字孪生模型；

步骤八、按体—面—线—顶点的统一拓扑关系产生边坡三维数字孪生模型数据。

进一步的，所述倾斜摄影方法采用无人机倾斜摄影。

进一步的，所述步骤二中采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型具体步骤为：

步骤2.1、收集地层信息，包括每个地层的编号(从上到下)与地层名称；收集钻孔信息，包括钻孔的孔口平面坐标，每个钻孔的每个地层的是否存在，地层顶端高程坐标；

步骤2.2、设置格网间距，在X-Y坐标系形成平面格网；

步骤2.3、针对每个地层，开始当前地层生成，若每个地层都生成，则进入步骤G；

步骤2.4、找到当前地层上的所有控制点高程,利用地质钻探技术在岩土体里钻孔，每个钻孔通过揭露的岩土地层获得各个地层的控制点高程；

步骤2.5、采用空间插值算法，在每个平面格网交点处生成高程坐标；

步骤2.6、得到当前地层的面—格网—顶点表达方式，即当前地层的数字高程模型，进入步骤C；

步骤2.7、得到三维多层数字高程模型(DEM)。

进一步的，所述步骤2.5中所采用空间插值算法为反距离加权平均插值法或克立格(Kriging)插值法。

进一步的，所述步骤2.7中，生成的三维多层数字高程模型(DEM) 的特征是具有多个地层，每个地层都采用同样的规则格网来描述，同时，每个规则格网也对应这自己的多层DEM。

进一步的，所述步骤四具体步骤为：

步骤4.1、遍历多层DEM的地表层的每个网格，如果遍历结束，进入步骤N；

步骤4.2、判断当前网格是否包含钻孔控制点，如果包含，进入步骤4.4；

步骤4.3、找到当前网格对应的重构地形面网格，用该重构地形面网格替代当前网格，进入步骤4.4；

步骤4.4、根据地层层号和高程坐标对该网格对应的多层DEM进行排序；

步骤4.5、从上到下遍历该网格对应的每个地层，若地层遍历完，进入步骤4.1；

步骤4.6、判断当前地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤4.11；

步骤4.7、找到当前地层的下一个地层，如果不存在，进入步骤 4.5；

步骤4.8、判断下一个地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤4.10；

步骤4.9、上下地层均没被切割，进入步骤4.12；

步骤4.10、上层不切割，下层切割，计算下层被切割点和该体被切割点，进入步骤4.12；

步骤4.11、计算上层被切割点；

步骤4.12、生成体元，进入步骤4.5；

步骤4.13、三维地层体元模型生成完毕，每个体元采用体—顶点描述。

进一步的，所述步骤4.4中，多层DEM进行排序的方法为：依据层号小的在上、层号大的在下原则，对多层DEM进行初步排序；在此基础上，一个多层DEM可能存在相同地层，针对相同地层号，利用该层的高程坐标进行二次排序。

进一步的，所述步骤4.6中，判断当前地层是否被其它地层切割的方法为：如果其它地层的顶面高程处于当前地层底、顶面高程范围内，则判断为当前地层是被其它地层切割。

进一步的，所述步骤七中整合形成边坡三维数字孪生模型；该方法的具体步骤为：

步骤7.1.针对三维地层体元模型的体—顶点描述格式，补充面的拓扑关系，即形成体—面—点的描述；

步骤7.2.针对边坡支挡结构体模型的体—面—线—顶点描述，删除线的拓扑关系，即形成体—面—点的描述；

步骤7.3.利用三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型的面—顶点描述，获得空间中面的几何表达；

步骤7.4.针对空间中的这些面，通过面面相交处理得到空间中新的面—线—点拓扑关系；

步骤7.5.搜索得到空间中的所有体，得到边坡三维数字孪生模型，通过体—面—线—点的拓扑关系进行描述。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，采用三维地层生成、地表地形重构、坡面与结构建模技术，在统一拓扑模型下实现多源数据的有效融合，建立边坡三维数字孪生模型，可以为岩土工程计算分析提供仿真模型。

(2)本发明的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，建模过程中可以采用面—网格—顶点、体—顶点、面—顶点与体—面—线—顶点多种几何拓扑描述方式，数据形式适应性强。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的流程示意图；

图2为本发明较佳实施例的三维多层数字高程模型建立流程示意图；

图3为本发明较佳实施例三维地层体元模型建立流程示意图；

图4为本发明较佳实施例体元的三种形式与体―顶点编码示意图；

图5为本发明较佳实施例利用倾斜摄影技术获得的一个边坡实例的地表模型；

图6为本发明较佳实施例的一个边坡实例的三维地层模型；

图7为本发明较佳实施例的一个边坡实例的支挡结构模型；

图8为本发明较佳实施例的一个边坡实例的三维数字孪生模型 (图中X处为开挖体位置，Y处为支挡结构位置)。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明具体涉及一种基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其流程示意图如图1，具体实施步骤是：

(1)输入钻孔资料与、无人机倾斜摄影图像、边坡坡面设计参数、支挡结构设计参数等；

(2)利用钻孔资料，采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型(DEM)，采用面—网格—顶点描述，图2为三维多层数字高程模型建立流程示意图，其具体实施过程如下：

A、读入地层信息，包括每个地层的编号(从上到下)与地层名称；读入钻孔信息，包括钻孔的孔口平面坐标，每个钻孔的每个地层的是否存在，地层顶端高程坐标；

B、设置格网间距，在X-Y坐标系形成平面格网；

C、针对每个地层，开始当前地层生成，若每个地层都生成，则进入步骤G；

D、找到当前地层上的所有控制点高程,利用地质钻探技术在岩土体里钻孔，每个钻孔通过揭露的岩土地层获得各个地层的控制点高程；

E、采用空间插值算法，如反距离权重插值法、样条函数插值法、克里金插值法等，生成在每个平面格网交点处生成高程坐标；

F、得到当前地层的面—格网—顶点表达方式，即当前地层的DEM，进入步骤C；

G、三维多层DEM生成完毕，多层DEM的特征是具有多个地层，每个地层都采用同样的规则格网来描述，同时，每个规则格网也对应着自己的多层DEM。

(3)利用无人机倾斜摄影图像，采用现有建模软件，如EPS三维测图系统(倾斜摄影)，生成地表地形等高线，再采用空间插值算法，如反距离权重插值法、样条函数插值法、克里金插值法等，重构地形面，采用面—网格—顶点描述；

(4)利用重构的地形面网格替代多层DEM的地表层网格，但需要保留钻孔位置所在的网格，形成修正的三维多层DEM，基于网格地层分析生成三维地层体元模型，图3为三维地层体元模型建立流程示意图，其具体实施过程如下：

A、遍历多层DEM的地表层的每个网格，如果遍历结束，进入步骤N；

B、判断当前网格是否包含钻孔控制点，如果包含，进入步骤D；

C、找到当前网格对应的重构地形面网格，用该重构地形面网格替代当前网格，进入步骤D；

D、根据地层层号和高程坐标对该网格对应的多层DEM进行排序；

E、从上到下遍历该网格对应的每个地层，若地层遍历完，进入步骤A；

F、判断当前地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤K；

G、找到当前地层的下一个地层，如果不存在，进入步骤E；

H、判断下一个地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤J；

I、上下地层均没被切割，进入步骤L；

J、上层不切割，下层切割，计算下层被切割点和该体被切割点，进入步骤L；

K、计算上层被切割点；

L、生成体元，进入步骤E；

N、三维地层体元模型生成完毕，每个体元采用体—顶点描述。

图4为体元的三种形式与体―顶点编码示意图，具体包括四面体、四棱锥、三棱柱三种形式。

(5)利用边坡坡面设计参数，利CAD软件，如AutoCAD，生成边坡表面模型，采用面—顶点描述；

(6)利用支挡结构设计参数，采用BIM建模软件，如Revit软件，生成结构体模型，采用体—面—线—顶点描述；

(7)将三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型都转换为面—顶点描述，整合形成边坡三维数字孪生模型；

(8)按体—面—线—顶点的统一拓扑关系输出边坡三维数字孪生模型数据。

图5～8为采用上述步骤实现的一个基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立实例。其中，图5为利用无人机倾斜摄影技术获得的该实例的地表模型；图6为该实例的三维地层模型；图7为该实例的支挡结构模型；图8为该实例的三维数字孪生模型。通过这个实例的应用与分析，验证了本发明所提方法的有效性和实用性。

因此，通过本发明的技术措施，利用地质勘查的钻孔资料、边坡坡面设计参数、支挡结构设计参数等，分别建立三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型，在统一拓扑模型下实现多源数据的有效融合，建立了边坡三维数字孪生模型，可以为岩土工程计算分析提供仿真模型，具有数据形式适应性强、技术先进、理论完备等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用倾斜摄影方法获得边坡地表模型；

步骤二、结合钻孔资料与无人机倾斜摄影图像、边坡坡面设计参数、支挡结构设计参数，采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型，采用面—网格—顶点描述；

步骤三、利用倾斜摄影所摄图像，采用建模软件生成地表地形等高线，再采用空间插值算法重构地形面，采用面—网格—顶点描述；

步骤四、利用重构的地形面网格替代多层DEM的地表层网格，但需要保留钻孔位置所在的网格，形成修正的三维多层DEM，基于网格地层分析生成三维地层体元模型，采用体—顶点描述；

步骤五、利用边坡坡面设计参数，生成边坡表面模型，采用面—顶点描述；

步骤六、利用支挡结构设计参数，采用BIM建模软件生成结构体模型，采用体—面—线—顶点描述；

步骤七、将三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型整合形成边坡三维数字孪生模型；

步骤八、按体—面—线—顶点的统一拓扑关系产生边坡三维数字孪生模型数据。

2.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述倾斜摄影方法采用无人机倾斜摄影。

3.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤二中采用空间插值算法生成三维多层数字高程模型具体步骤为：

步骤2.1、收集地层信息，包括每个地层的编号(从上到下)与地层名称；收集钻孔信息，包括钻孔的孔口平面坐标，每个钻孔的每个地层的是否存在，地层顶端高程坐标；

步骤2.2、设置格网间距，在X-Y坐标系形成平面格网；

步骤2.3、针对每个地层，开始当前地层生成，若每个地层都生成，则进入步骤G；

步骤2.4、找到当前地层上的所有控制点高程,利用地质钻探技术在岩土体里钻孔，每个钻孔通过揭露的岩土地层获得各个地层的控制点高程；

步骤2.5、采用空间插值算法，

在每个平面格网交点处生成高程坐标；

步骤2.6、得到当前地层的面—格网—顶点表达方式，即当前地层的数字高程模型，进入步骤C；

步骤2.7、得到三维多层数字高程模型。

4.根据权利要求3所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤2.5中所采用空间插值算法为反距离加权平均插值法或克立格插值法。

5.根据权利要求3所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤2.7中，生成的三维多层数字高程模型的特征是具有多个地层，每个地层都采用同样的规则格网来描述，同时，每个规则格网也对应这自己的多层DEM。

6.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤四具体步骤为：

步骤4.1、遍历多层DEM的地表层的每个网格，如果遍历结束，进入步骤N；

步骤4.2、判断当前网格是否包含钻孔控制点，如果包含，进入步骤4.4；

步骤4.3、找到当前网格对应的重构地形面网格，用该重构地形面网格替代当前网格，进入步骤4.4；

步骤4.4、根据地层层号和高程坐标对该网格对应的多层DEM进行排序；

步骤4.5、从上到下遍历该网格对应的每个地层，若地层遍历完，进入步骤4.1；

步骤4.6、判断当前地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤4.11；

步骤4.7、找到当前地层的下一个地层，如果不存在，进入步骤4.5；

步骤4.8、判断下一个地层是否被其它地层切割，若切割，进入步骤4.10；

步骤4.9、上下地层均没被切割，进入步骤4.12；

步骤4.10、上层不切割，下层切割，计算下层被切割点和该体被切割点，进入步骤4.12；

步骤4.11、计算上层被切割点；

步骤4.12、生成体元，进入步骤4.5；

步骤4.13、三维地层体元模型生成完毕，每个体元采用体—顶点描述。

7.根据权利要求6所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤4.4中，多层DEM进行排序的方法为：依据层号小的在上、层号大的在下原则，对多层DEM进行初步排序；在此基础上，一个多层DEM可能存在相同地层，针对相同地层号，利用该层的高程坐标进行二次排序。

8.根据权利要求6所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤4.6中，判断当前地层是否被其它地层切割的方法为：如果其它地层的顶面高程处于当前地层地底、顶面高程范围内，则判断为当前地层是被其它地层切割。

9.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的边坡三维数字孪生模型建立方法，其特征在于，所述步骤七中整合形成边坡三维数字孪生模型，该方法的具体步骤为：

步骤7.1.针对三维地层体元模型的体—顶点描述格式，补充面的拓扑关系，即形成体—面—点的描述；

步骤7.2.针对边坡支挡结构体模型的体—面—线—顶点描述，删除线的拓扑关系，即形成体—面—点的描述；

步骤7.3.利用三维地层体元模型、边坡表面模型与结构体模型的面—顶点描述，获得空间中面的几何表达；

步骤7.4.针对空间中的这些面，通过面面相交处理得到空间中新的面—线—点拓扑关系；

步骤7.5.搜索得到空间中的所有体，得到边坡三维数字孪生模型，通过体—面—线—点的拓扑关系进行描述。

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