CN116630568A - 基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置，包括：获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，基于钻孔点数据和地质剖面图数据，构建研究区对应的地质点数据集；根据地质点数据集，生成每个地质层对应的地质曲面模型数据集，提取每个地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；基于当前地质层对应的轮廓线数据和当前地质层的邻域地质层对应的曲面轮廓线数据，生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集；根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成研究区对应的地质三维模型。本发明可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘查技术领域，尤其是涉及一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置。
背景技术
随着地质大数据的时代的到来，地质勘察资料和地质成果数据的存储和表达形式面临着重大的变革。传统的点、线、面二维数据成果资料已经无法满足地质大数据的表达，三维的点、线、面和实体数据是充实地质大数据的核心数据。三维地质数据在矿山开采，资源储备评估、道路桥梁工程、地下水资源保护、地下空间建设、地质灾害预警、数字中国建设等领域有着重要的作用。
目前主要使用规则的立体单元剖分和不规则立体单元剖分生成地质三维实体模型。其生成三维地质实体的核心思想是将剖分后的单元集按照拓扑规则组合成整体的地质三维模型。常见的规则立体单元剖分算法有规则网格单元立体剖分、球体单元立体剖分；不规则单元立体剖分算法包括三棱锥单元立体剖分、三棱柱立体剖分、多棱柱单元立体剖分算法。使用立体剖分的技术生成三维地质体的过程中还会产生数千上万个三维单元结构，而且需要对每个单元结构添加拓扑和属性信息，因此立体剖分算法生成地质三维模型的工作量较大、时间慢、效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置，可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，包括：
获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集；
根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个所述地质层对应的所述地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；
基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集；
根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型。
在一种实施方式中，基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集，包括：
提取每个所述地质剖面图数据的剖面轮廓点数据；
根据所述剖面轮廓点数据，生成每个所述地质剖面图数据对应的剖面轮廓线数据；
对所述剖面轮廓线数据进行数据点采样，以确定剖面离散点数据；
将所述钻孔点数据和所述剖面离散点数据合并成所述研究区对应的地质点数据集。
在一种实施方式中，根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，包括：
根据所述地质点数据集拟合生成所述研究区内每个地质层对应的曲面隐函数；以及根据所述地质点数据集，构建所述研究区对应的多边形体地质空间；
利用预设立方体元在所述多边形体地质空间内滑动；
在所述预设立方体元滑动过程中，根据所述预设立方体元的当前顶点坐标和每个所述地质层对应的所述曲面隐函数，判断是否存在等势面；
如果是，根据所述当前顶点坐标绘制三角等势面片，并确定所述三角等势面片与所述预设立方体元的交点坐标；
根据每个所述三角等势面片和每个所述三角等势面片的所述交点坐标，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
在一种实施方式中，根据所述预设立方体元的当前顶点坐标和每个所述地质层对应的所述曲面隐函数，判断是否存在等势面，包括：
对于每个所述地质层，计算所述预设立方体元的每个当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值；
如果存在第一当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值大于0，且存在第二当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值小于0，则确定存在等势面。
在一种实施方式中，根据每个所述三角等势面片和每个所述三角等势面片的所述交点坐标，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，包括：
确定每个所述三角等势面片的所述交点坐标对应的法向量和梯度矢量；
根据每个所述三角等势面片、每个所述三角等势面片的所述交点坐标对应的所述法向量和所述梯度矢量，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
在一种实施方式中，所述曲面轮廓线数据包括多段单元线段；基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集，包括：
提取当前地质层对应的所述轮廓线数据中每段所述单元线段的第一转折点，以及提取所述当前地质层的邻域地质层对应的所述轮廓线数据中每段所述单元线段的第二转折点；
按照第一方向建立所述第一转折点对应的第一索引，以及按照第二方向建立所述第二转折点对应的第二索引；其中，所述第一方向与所述第二方向相反；
按照所述第一索引和所述第二索引，依次连接所述第一转折点和第二转折点，以生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集。
在一种实施方式中，根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型，包括：
根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成每个所述地质层对应的地质包围盒；
在每个所述地质包围盒内滑动采样生成体素，以通过所述体素填充每个所述地质包围盒内部，得到所述研究区对应的地质三维模型。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置，包括：
数据获取模块，用于获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集；
轮廓提取模块，用于根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个所述地质层对应的所述地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；
侧立面生成模块，用于基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集；
模型生成模块，用于根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项所述的方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的任一项所述的方法。
本发明实施例提供的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置，主要使用钻孔点数据和地质剖面图数据作为数据源，对钻孔点数据和地质剖面图数据提取地层点，以生成地质点数据集，根据各地质层的地质点数据构建各地质层对应的地质曲面模型数据集，再根据地质层及其邻域地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据生成侧立面数据集，并在各地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集的基础上生成最终的地质三维模型，本发明实施例使用简单的点、线、面数据结构，快速生成三维地质体模型，生成的三维模型成果在几何拓扑、空间结构、数据存储等方面均占有优势，而且本发明实施例可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种三角等势面片顶点与立方体单元边线的位置关系图；
图3为本发明实施例提供的一种地层曲面轮廓线的直线单元索引图；
图4为本发明实施例提供的一种地址三维模型的示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有立体剖分算法生成地质三维模型的工作量较大、时间慢、效率较低，而且生成的地质体可视化效果较差。基于此，本发明实施提供了一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法及装置，可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法进行详细介绍，参见图1所示的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S102至步骤S108：
步骤S102，获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于钻孔点数据和地质剖面图数据，构建研究区对应的地质点数据集。其中，钻孔点数据可以包括钻孔编号、钻孔地质属性（也可称之为岩心类别）、钻孔点的空间三维坐标（x,y,z），地质剖面图数据是按一定比例尺，表示地质剖面上的地质现象及其相互关系的图件，地质点数据集可以包括地质点的编号、地质属性、空间三维坐标（x,y,z）。
在一种实施方式中，可以确定地质剖面图数据的剖面轮廓线数据，对剖面轮廓线数据进行CIA杨即可得到剖面离散点数据，合并钻孔点数据和剖面离散点数据即可得到地质点数据集。
步骤S104，根据地质点数据集，生成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据。其中，地质曲面模型数据集用于描述地质层对应的地质曲面，曲面轮廓线数据也即地质曲面的轮廓线，曲面轮廓线数据可以包括多段单元线段。在一种实施方式中，可以根据地质点数据集拟合生成研究区内每个地质层对应的曲面隐函数，使用多边形标量场可视化方法提取曲面隐函数的等势面，生成可视化的地质曲面模型数据集，在分别提取每个地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据。
步骤S106，基于当前地质层对应的轮廓线数据和当前地质层的邻域地质层对应的曲面轮廓线数据，生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集。其中，邻域地质层可以为当前地质层的上一层地质层或者下一层地质层。在一种实施方式中，可以基于当前地质层对应的轮廓线数据和当前地质层的邻域地质层对应的曲面轮廓线数据，分别确定两个曲面轮廓线数据中每段单元线段的转折点，按照指定规则依次连接当前地质层和邻域地质层的转折点，即可得到当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集。
步骤S108，根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成研究区对应的地质三维模型。在一种实施方式中，可以根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成相应的地质包围盒，将封闭的地质体包围盒转成实体表达，生成内部充实的地质三维模型。
本发明实施例提供的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，主要使用钻孔点数据和地质剖面图数据作为数据源，对钻孔点数据和地质剖面图数据提取地层点，以生成地质点数据集，根据各地质层的地质点数据构建各地质层对应的地质曲面模型数据集，再根据地质层及其邻域地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据生成侧立面数据集，并在各地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集的基础上生成最终的地质三维模型，本发明实施例使用简单的点、线、面数据结构，快速生成三维地质体模型，生成的三维模型成果在几何拓扑、空间结构、数据存储等方面均占有优势，而且本发明实施例可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
为便于对上述实施例进行理解，本发明实施例提供了一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法的具体实施方式。
对于前述步骤S102，本发明实施例提供了一种获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于钻孔点数据和地质剖面图数据，构建研究区对应的地质点数据集的实施方式，参见如下步骤a1至步骤a5：
步骤a1，获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据。示例性的，假设以河南省郑州市的某区域为实施区域，区域内共计96个钻孔点数据，4幅地质剖面图数据。
其中，对每个钻孔点数据，提取钻孔点信息，按照钻孔的位置、岩心地质属性、岩心的长度、岩心两端的深度等信息，逐层个钻孔、逐个岩心的提取钻孔点数据，给个钻孔点表示一点岩心的属性信息。提取钻孔点数据必须包含钻孔编号、钻孔岩心类别、钻点的坐标（x,y,z）。
步骤a2，提取每个地质剖面图数据的剖面轮廓点数据。示例性的，可以提取4幅地质剖面图数据的剖面轮廓点，剖面轮廓点数据均是矢量数据。
步骤a3，根据剖面轮廓点数据，生成每个地质剖面图数据对应的剖面轮廓线数据。在一种实施方式中，可以将提取的剖面轮廓点数据导入arcgis软件，将矢量面转成轮廓线，从而得到4个地质剖面图数据对应的剖面轮廓线数据。
步骤a4，对剖面轮廓线数据进行数据点采样，以确定剖面离散点数据。在一种实施方式中，可以设置采样距离对剖面轮廓线数据进行数据点采样，诸如以50m的距离对剖面轮廓线数据进行数据点采样，获取采样点的平面坐标（x,y），并根据深度h值和钻孔在地表的高程值计算得到采样点的z值。最终得到的采样点数据包含地质属性和空间三维坐标（x,y,z）。
步骤a5，将钻孔点数据和剖面离散点数据合并成研究区对应的地质点数据集。在一种实施方式中，可以合并钻孔点数据和剖面离散点数据，生成地质点数据集，再按照地质属性类别对地质点数据集进行分类存储，以便于后续可以使用分类的地质点数据集和隐函数多项式来描述各个地质层的曲面。
对于前述步骤S104，本发明实施例提供了一种根据地质点数据集，生成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据的实施方式：可以使用多边型标量场提取曲面隐函数的等值面，将曲面隐函数的曲面实体可视化。其中多边型标量场提取等势面是使用一个立方体的体元网格对曲面隐函数的几何表面进行采样，提取曲面隐函数的等势三角面，将隐函数曲面可视化出来，即可得到地质曲面模型数据集，再提取地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据。
在一种具体的实施方式中，可以参见如下步骤b1至步骤b7：
步骤b1，根据地质点数据集拟合生成研究区内每个地质层对应的曲面隐函数。在一种实施方式中，在生成每个地质层对应的曲面隐函数时，可以参见如下过程：
由于地质点数据集中的每一个点都在对应的地质层曲面上分布着，因此钻孔和地质勘查点集点/>与曲面/>存在一种位置关系，如公式（1）所示：
；
求解曲面的多项式即可确定地质曲面的隐函数，其中曲面函数/>是一个取值仅依赖相对于空间采样位置距离的实值函数，将其记为/>，此处的/>即为正定式的基函数。
基于地质三维模型曲面的现实情况，采用立方体曲面函数作为全局支撑径向基函数进行建模，即（）。对于一个连续可微的隐式曲面函数，曲面上任意地质插值点的法向量/>等于函数的梯度，如公式（2）所示:
；
根据且/>这两个特征作为约束条件来构建线性方程组（/>和/>又分别被称为约束点坐标与法向量），并且为了能够通过曲面法向量进行一步约束模型的三维空间形态，采用Hermite型隐函数（HRBF）进行表达，如公式（3）：
；
公式（3）中函数的梯度/>计算公式（4）如下：
；
上述公式中，为插值点，/>为插值中心，联立公式（2）、（3）、（4）可推导出如下公式（5）：
；
结合上述（2）至（5）数学模型，求解多项式参数，便可得到各地质层对应的曲面隐函数的表达式。
步骤b2，根据地质点数据集，构建研究区对应的多边形体地质空间。
在一种实施方式中，在构建研究区对应的多边形体地质空间时，可以参见如下过程：遍历地质点数据集的坐标，提取、/>、/>、/>、/>、/>，构建包含地质点数据集的立方体M，并确定M的几何参数，包括顶点的坐标、边长、中心点坐标等信息。其中，立方体M也即多边形体地质空间。
步骤b3，利用预设立方体元在多边形体地质空间内滑动。在一种实施方式中，根据钻孔点的间距以及区域面积，设置采样立方体单元的边长为L，从立方体M的一个顶点开始，滑动立方体元，并按照设定的统一规则对顶点进行编号，并记录滑块的8个顶点坐标。
示例性的，根据实施例中钻孔的间距以及区域面积，设置采样立方体元的边长为100m。从立方体M的一个顶点开始，滑动立方体元进行采样，并按照设定的统一规则对立方体单元的顶点进行编号，每滑动一次记录滑动后立方体元的8个顶点坐标。
步骤b4，在预设立方体元滑动过程中，根据预设立方体元的当前顶点坐标和每个地质层对应的曲面隐函数，判断是否存在等势面。
在一种实施方式中，由于地质曲面上的点在曲面隐函数/>上的值等于0，即等值三角面是所有点/>组成的一个曲面。因此立方体元与曲面存在三种空间位置关系：一种是立方体元在曲面内部，即立方体元的8个顶点/>与曲面存在；第二种是在曲面外部，即立方体的8个顶点/>与曲面存在/>；第三种情况是，立方体与曲面相交，即立方体的8个顶点/>同时存在/>和/>。
基于此，本发明实施例提供了一种判断是否存在等势面的实施方式，参见如下步骤b4-1至步骤b4-2：
步骤b4-1，对于每个地质层，计算预设立方体元的每个当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值；步骤b4-2，如果存在第一当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值大于0，且存在第二当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值小于0，则确定存在等势面。
在一种实施方式中，计算第一个滑块的8个顶点坐标在曲面隐函数中的值，判断是否存在等势面，如果8个坐标点在曲面隐函数中的值均大于0或者小于0，则滑动立方体元中不存在等势面，仅存在顶点在曲面隐函数中的值即大于0又存在小于零的情况时，滑块中存在等势面。在判断过程中，记录小于等势面的顶点编号，每三个数一组。
步骤b5，如果是，根据当前顶点坐标绘制三角等势面片，并确定三角等势面片与预设立方体元的交点坐标。
在一种实施方式中，根据记录的顶点编号绘制对应的三角等势面片，提取三角等势面片在立方体元边的顶点坐标（也即，交点坐标）。以图2所示的一种三角等势面片顶点与立方体单元边线的位置关系图为例，为三角等势面片的顶点坐标，/>表示立方体顶点/>在该曲面隐函数中的值，本发明实施例中曲面隐函数的等势面/>的值为0，因此以三角等势面片的一个顶点/>为例，那么该三角等势面片与立方体的交点坐标的线性差分计算公式（6）如下：
；
公式（6）中和/>是体元同一条边上的两个顶点，/>表示顶点/>的等势值，/>表示顶点/>的等势值，/>是一个常数表示等势面的等势值为0。
通过上述步骤可以得到三角等势面片的点面信息，其中，点面信息也即每个三角等势面片和每个三角等势面片的交点坐标。
步骤b6，根据每个三角等势面片和每个三角等势面片的交点坐标，形成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。在一种实施方式中，可以确定每个三角等势面片的交点坐标对应的法向量和梯度矢量，进而根据每个三角等势面片、每个三角等势面片的交点坐标对应的法向量和梯度矢量，形成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
在实际应用中，为了进一步完善显示效果，计算三角面片与立方体顶点的法向量，然后调整顶点法向量进行渲染表达。假设顶点上的值为/>，采用中心差分方法可以计算该点处的梯度矢量，从而根据梯度矢量和法向量可以整合整个三角等势面，形成地质曲面模型数据集，其中可以按照如下公式（7）计算梯度矢量：
；
步骤b6，提取每个地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据。在一种实施方式中，可以遍历生成的地质曲面模型数据集，对地质曲面模型数据按照空间深度和空间位置进行编号，编号规则是（Class,i）,其中Class是地质类别属性，i是数字编号i=0、1、2……，（Class,i）可以表示地质曲面模型数据集的空间拓扑关系。
具体的，从最上层的地质曲面开始（Class,0），从上向下逐个曲面提取曲面轮廓线数据，同时建立轮廓线索引（Class,i,j），其中Class,i与曲面索引保持一致，j=0、1、2……表示线框多段线的组成单元。
示例性的，假设研究区共计获得7个地质类别属性，加上地表曲面共计生成8个地质曲面模型数据集，遍历实施例的8个地质曲面模型数据集，对地质曲面模型数据按照空间深度和空间位置进行编号，编号规则是（Class,i），其中Class是地质类别属性，i是数字编号i=0、1、2……，（Class,i）可以表示曲面模型的空间拓扑关系。由于8个曲面表达了7个地质层，最上层地质曲面为地表曲面，因此曲面索引是（L，0）、（M，1）、（N，2）、（O，3）、（P，4）、（Q，5）、（R，6）、（S，7）,其中地质类别使用大写字母L、M、N、O、P、Q、R、S来表示。
从最上层的地质曲面开始（L,0），从上向下逐个曲面提取轮廓线，同时建立轮廓线索引（Class,i,j），其中Class,i与曲面索引保持一致，j=0、1、2……表示线框多段线的组成单元。由于本实施例的范围在从投影上看是一个4边形，因此轮廓线的索引以L层地质曲面为例，线框（也即曲面轮廓线数据）的单元先段的索引是（L,0,0）、（L,0,1）（L,0,2）、（L,0,3），具体可参考图3所示的一种地层曲面轮廓线的直线单元索引图。
对于前述步骤S106，本发明实施例提供了一种基于当前地质层对应的轮廓线数据和当前地质层的邻域地质层对应的曲面轮廓线数据，生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集的实施方式，参见如下步骤c1至步骤c3：
步骤c1，提取当前地质层对应的轮廓线数据中每段单元线段的第一转折点，以及提取当前地质层的邻域地质层对应的轮廓线数据中每段单元线段的第二转折点。
在一种实施方式中，可以提取线框（Class,i,j）的顶点坐标（）。根据等势面采样的体元边长s，获取从线框多段线每个单元线段的边长/>，i表示线框的第几条线段，计算/>的结果获取转折点，提取各单元线段的转折点坐标。最后根据线框的相邻顶点坐标的x和y值的范围，将多段线离散点按照范围分段存储，并对每一个曲面的轮廓点建立索引（/>,/>），i表示多段线的第几个单元线段，j表示该单元线段在顺时针方向第几个点。
步骤c2，按照第一方向建立第一转折点对应的第一索引，以及按照第二方向建立第二转折点对应的第二索引；其中，第一方向与第二方向相反，诸如第一方向为顺时针方向，第二方向为逆时针方向。
在一种实施方式中，可以先从索引（Class,0）的曲面开始搜索邻域曲面，根据提取的轮廓离散点，对下层曲面的轮廓点逐个线段单元进行逆向存储，将索引编号j逆时针倒置存储，生成新的点索引（i,）。
示例性的，先从索引（L,0）的曲面开始搜索邻域曲面，本实施例中邻域曲面索引为（M,1），根据提取的轮廓离散点，对（M,1）曲面的轮廓点逐个线段单元进行逆向索引存储，将索引编号j逆时针倒置存储，生成新的点索引（i,）。比如以第i等于0表达的线段单元为例，其顺时针存储的线段点是/>，j=0,1,2…，倒转存储后/>，/>=…3,2,1,0，倒转前后点的存储位置从首尾开始倒转存储。
步骤c3，按照第一索引和第二索引，依次连接第一转折点和第二转折点，以生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集。
在一种实施方式中，可以根据上层曲面的轮廓点和下层曲面倒转存储后的轮廓点，逐个单元线段按照顶点坐标索引编号j和顺时针连线绘制侧立平面，并对绘制的侧立平面建立索引（Class,Class1,k），索引中Class表示上层曲面的编号，Class1表示相邻曲面的编号，k表示绘制的侧面编号。
示例性的，根据（L，0）曲面的轮廓点和（M，1）曲面倒转存储后的轮廓点，逐个单元线段按照顶点坐标索引编号j和顺时针连线绘制侧立平面，并对绘制的侧立平面建立索引（Class,Class1,k），索引中Class表示上层曲面的编号，Class1表示相邻曲面的编号，k表示绘制的侧面编号，本实施例中K的取值是0，1，2，3。
进一步的，再以曲面索引[（M，1）（N，2）]，[（N，1）（O，2）]，[（O，1）（P，2）]，[（P，1）（Q，2）]，[（Q，1）（R，2）]，[（R，1）（S，2）]为相邻曲面表示地质层，执行上述步骤中的操作，逐个地质层绘制侧立面。
对于前述步骤S108，本发明实施例提供了一种根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成研究区对应的地质三维模型的实施方式，参见如下步骤d1至步骤d2：
步骤d1，根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成每个地质层对应的地质包围盒。
在一种实施方式中，可以从上往下逐个地质层选择相邻的地质曲面，以及对应的侧立面，根据侧立面的顶点与曲面顶点有相同的坐标，且侧立面的索引k与曲面轮廓线的单元线段索引i也相同，因此使用索引编号和空间位置将生成的相邻曲面和侧立面合并，生成一个中空的地质三维模型包围盒。
步骤d2，在每个地质包围盒内滑动采样生成体素，以通过体素填充每个地质包围盒内部，得到研究区对应的地质三维模型。
在一种实施方式中，可以使用体素的方法将生成的地质三维模型包围盒转成内部充实的地质三维实体模型。具体方法是使用vtk库的vtkImageData类函数，在函数中将体素的大小，从地质包围盒的一个顶点开始，滑动采样生成体素单元，最后将包围盒内部以体素填充完毕，得到诸如图4所示的一种地址三维模型，图4示意出了7个地质层分别对应的地质实体模型和研究区整体的地址三维模型。
综上所述，本发明实施例采用点、线、面数据，使用拓扑几何逻辑生成地质体包围盒，在将包围盒实体化生成地质三维模型。该方法能够快速的生成地质三维实体模型，并且实体模型具有较强的编辑性，可以进行裁剪、拉伸、剖分。模型生成过程不需要人员参与，自动化程度高，过程数据简单生产效率较高，对计算机要求较低。
为便于对前述实施例进行理解，本发明实施例提供了另一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，参见图5所示的另一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S502至步骤S516：
S502，使用钻孔桩数据作为数据源，按照钻孔地层属性分层、钻孔深度和钻孔位置，提取钻孔点数据；
S504，提取地质勘察剖面数据的地质层轮廓线，按照距离长度对轮廓线进行采样，提取轮廓线的离散点；
S506，合并钻孔点和剖面图提取的离散点生成地质点数据集，再使用地质点数据集和隐函数逐层生成地质曲面隐函数模型；
S508，使用多边形标量场可视化方法提取曲面函数模型的等势面，生成可视化的地质曲面模型数据集；
S510，提取曲面的边框，再根据标量场采样的网格长度提取边框的转折点数据；
S512，根据相邻两个地质层曲面的边框转折点，绘制侧立面；
S514，合并生成的侧立面和相邻曲面生成一个封闭的地质体包围盒；
S516，将封闭的地质体包围盒转成实体表达，生成内部充实的地质三维实体模型。
综上所述，本发明实施例提供的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，使用钻孔桩数据作为数据源，按照钻孔地层属性分层、钻孔深度和钻孔位置，提取钻孔点数据；对地质勘察的剖面数据提取地质层线状数据的离散点和地质层面状数据轮廓的离散点；使用钻孔点、剖面图提取的点和隐函数模型描述地层曲面，以多边形标量场提取曲面函数模型的等势面生成地质曲面进行可视化；再提取曲面的边框，根据网格大小长度提取边框的转折点数据；根据上下相邻两个地层曲面的边框转折点，绘制侧立面；合并生成的侧立面和相邻曲面生成一个封闭的地质体包围盒；将封闭的地质体包围盒转成实体表达，生成内部充实的地质三维模型。本发明巧妙地运用钻孔点、地质勘查采样点数据、地质曲面、曲面边框线、侧立面等数据，使用拓扑法则和布尔运算方法快速的生成地质实体三维模型。该方法生成的实体模型可以更好的表达地质空间的结构和空间逻辑，能够广泛的应用于地质勘查和地质大数据领域。
对于前述实施例提供的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，本发明实施例提供了一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置，参见图6所示的一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置的结构示意图，该装置主要包括以下部分：
数据获取模块602，用于获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于钻孔点数据和地质剖面图数据，构建研究区对应的地质点数据集；
轮廓提取模块604，用于根据地质点数据集，生成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；
侧立面生成模块606，用于基于当前地质层对应的轮廓线数据和当前地质层的邻域地质层对应的曲面轮廓线数据，生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集；
模型生成模块608，用于根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成研究区对应的地质三维模型。
本发明实施例提供的基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置，主要使用钻孔点数据和地质剖面图数据作为数据源，对钻孔点数据和地质剖面图数据提取地层点，以生成地质点数据集，根据各地质层的地质点数据构建各地质层对应的地质曲面模型数据集，再根据地质层及其邻域地质层对应的地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据生成侧立面数据集，并在各地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集的基础上生成最终的地质三维模型，本发明实施例使用简单的点、线、面数据结构，快速生成三维地质体模型，生成的三维模型成果在几何拓扑、空间结构、数据存储等方面均占有优势，而且本发明实施例可以有效的提升构建地质三维模型的速度，有效缓解构建地质三维模型过程存在的数据量大、效率低的问题。
在一种实施方式中，数据获取模块602还用于：
提取每个地质剖面图数据的剖面轮廓点数据；
根据剖面轮廓点数据，生成每个地质剖面图数据对应的剖面轮廓线数据；
对剖面轮廓线数据进行数据点采样，以确定剖面离散点数据；
将钻孔点数据和剖面离散点数据合并成研究区对应的地质点数据集。
在一种实施方式中，轮廓提取模块604还用于：
根据地质点数据集拟合生成研究区内每个地质层对应的曲面隐函数；以及根据地质点数据集，构建研究区对应的多边形体地质空间；
利用预设立方体元在多边形体地质空间内滑动；
在预设立方体元滑动过程中，根据预设立方体元的当前顶点坐标和每个地质层对应的曲面隐函数，判断是否存在等势面；
如果是，根据当前顶点坐标绘制三角等势面片，并确定三角等势面片与预设立方体元的交点坐标；
根据每个三角等势面片和每个三角等势面片的交点坐标，形成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
在一种实施方式中，轮廓提取模块604还用于：
对于每个地质层，计算预设立方体元的每个当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值；
如果存在第一当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值大于0，且存在第二当前顶点坐标在该地质层对应的曲面隐函数上的值小于0，则确定存在等势面。
在一种实施方式中，轮廓提取模块604还用于：
确定每个三角等势面片的交点坐标对应的法向量和梯度矢量；
根据每个三角等势面片、每个三角等势面片的交点坐标对应的法向量和梯度矢量，形成研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
在一种实施方式中，曲面轮廓线数据包括多段单元线段；侧立面生成模块606还用于：
提取当前地质层对应的轮廓线数据中每段单元线段的第一转折点，以及提取当前地质层的邻域地质层对应的轮廓线数据中每段单元线段的第二转折点；
按照第一方向建立第一转折点对应的第一索引，以及按照第二方向建立第二转折点对应的第二索引；其中，第一方向与第二方向相反；
按照第一索引和第二索引，依次连接第一转折点和第二转折点，以生成当前地质层与邻域地质层之间的侧立面数据集。
在一种实施方式中，模型生成模块608还用于：
根据每个地质层对应的地质曲面模型数据集和侧立面数据集，生成每个地质层对应的地质包围盒；
在每个地质包围盒内滑动采样生成体素，以通过体素填充每个地质包围盒内部，得到研究区对应的地质三维模型。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本发明实施例提供了一种电子设备，具体的，该电子设备包括处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被所述处理器运行时执行如上所述实施方式的任一项所述的方法 。
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器70，存储器71，总线72和通信接口73，所述处理器70、通信接口73和存储器71通过总线72连接；处理器70用于执行存储器71中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器71可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatilememory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口73（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线72可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器71用于存储程序，所述处理器70在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器70中，或者由处理器70实现。
处理器70可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器70中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器70可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器71，处理器70读取存储器71中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，包括：
获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集；
根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个所述地质层对应的所述地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；
基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集；
根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型。
2.根据权利要求1所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集，包括：
提取每个所述地质剖面图数据的剖面轮廓点数据；
根据所述剖面轮廓点数据，生成每个所述地质剖面图数据对应的剖面轮廓线数据；
对所述剖面轮廓线数据进行数据点采样，以确定剖面离散点数据；
将所述钻孔点数据和所述剖面离散点数据合并成所述研究区对应的地质点数据集。
3.根据权利要求1所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，包括：
根据所述地质点数据集拟合生成所述研究区内每个地质层对应的曲面隐函数；以及根据所述地质点数据集，构建所述研究区对应的多边形体地质空间；
利用预设立方体元在所述多边形体地质空间内滑动；
在所述预设立方体元滑动过程中，根据所述预设立方体元的当前顶点坐标和每个所述地质层对应的所述曲面隐函数，判断是否存在等势面；
如果是，根据所述当前顶点坐标绘制三角等势面片，并确定所述三角等势面片与所述预设立方体元的交点坐标；
根据每个所述三角等势面片和每个所述三角等势面片的所述交点坐标，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
4.根据权利要求3所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，根据所述预设立方体元的当前顶点坐标和每个所述地质层对应的所述曲面隐函数，判断是否存在等势面，包括：
对于每个所述地质层，计算所述预设立方体元的每个当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值；
如果存在第一当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值大于0，且存在第二当前顶点坐标在该地质层对应的所述曲面隐函数上的值小于0，则确定存在等势面。
5.根据权利要求3所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，根据每个所述三角等势面片和每个所述三角等势面片的所述交点坐标，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，包括：
确定每个所述三角等势面片的所述交点坐标对应的法向量和梯度矢量；
根据每个所述三角等势面片、每个所述三角等势面片的所述交点坐标对应的所述法向量和所述梯度矢量，形成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集。
6.根据权利要求1所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，所述曲面轮廓线数据包括多段单元线段；基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集，包括：
提取当前地质层对应的所述轮廓线数据中每段所述单元线段的第一转折点，以及提取所述当前地质层的邻域地质层对应的所述轮廓线数据中每段所述单元线段的第二转折点；
按照第一方向建立所述第一转折点对应的第一索引，以及按照第二方向建立所述第二转折点对应的第二索引；其中，所述第一方向与所述第二方向相反；
按照所述第一索引和所述第二索引，依次连接所述第一转折点和第二转折点，以生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集。
7.根据权利要求1所述的基于点、线、面结构的地质三维模型生成方法，其特征在于，根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型，包括：
根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成每个所述地质层对应的地质包围盒；
在每个所述地质包围盒内滑动采样生成体素，以通过所述体素填充每个所述地质包围盒内部，得到所述研究区对应的地质三维模型。
8.一种基于点、线、面结构的地质三维模型生成装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取研究区的钻孔点数据和地质剖面图数据，并基于所述钻孔点数据和所述地质剖面图数据，构建所述研究区对应的地质点数据集；
轮廓提取模块，用于根据所述地质点数据集，生成所述研究区内每个地质层对应的地质曲面模型数据集，并提取每个所述地质层对应的所述地质曲面模型数据集的曲面轮廓线数据；
侧立面生成模块，用于基于当前地质层对应的所述轮廓线数据和所述当前地质层的邻域地质层对应的所述曲面轮廓线数据，生成所述当前地质层与所述邻域地质层之间的侧立面数据集；
模型生成模块，用于根据每个所述地质层对应的地质曲面模型数据集和所述侧立面数据集，生成所述研究区对应的地质三维模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至7任一项所述的方法。
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|---|---|
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