CN117333630A - 一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，首先基于城市地质调查采集到的城市钻孔数据，解算各地层隐式地质界面函数，构建初始城市隐式三维地质模型；然后构建新增钻孔数据即增量钻孔数据的各地层的更新隐式三维地质界面即增量隐式三维地质界面；基于R‑Function进行隐式三维地质界面函数表达式的融合重构；根据增量钻孔数据重建建模范围内的表面Voronoi网格，确定原始隐式三维地质模型的更新区域，其中更新区域内的栅格顶点即为待更新隐式函数值的点，为点集V；最后引入平滑过渡函数M，重新计算建模范围内待更新函数值的点集V中各点的函数值，从而利用移动体元法提取更新后的隐式三维地质界面，完成隐式三维地质模型的更新和可视化。

Description

一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法

技术领域

本发明属于城市三维地质建模领域，具体涉及一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法。

背景技术

城市工程地质勘察是一个逐渐精细化、逐渐完善的动态过程。随着城市基础设施的不断建设、城市功能区不断扩建，新的岩土工程勘察工作会新增大量的工程钻孔数据，从中可提取到的三维地质建模要素会进一步增加和更新。此时，原有的城市局部区域三维地质模型就不再适用，需要根据不断增加的地质数据，及时对三维地质模型进行更新重构。然而，三维地质模型的动态更新是一个比较复杂的过程，传统的建模方法和更新方法通常需要大量的人机交互操作，对建模人员的地质知识要求较高，需要投入大量的人力资源及时间。

在三维地质模型自动更新方面，根据三维地质模型的更新规模，可以将自动更新方法分为两类：全局更新和局部更新。前者在原始数据被修改或有增量数据时，采用之前的建模方法对所有数据重构以达到模型更新的目的，例如NURBS、克里格插值等。后者则只对地质模型的特定区域进行更新。在原有模型的基础上，通过修改局部数据的空间位置、几何形态、拓扑关系和语义关系等以更新模型的局部区域。对于模型的全局更新，基于隐式曲面函数的三维地质模型重建是一种很好的方法，它可以在人工约束的条件下动态更新三维地质模型，例如符号距离场函数、径向基函数(RBF)等。对于局部更新，则可以将其视为局部区域中的模型网格调整过程，包括局部紧支撑径向基函数(CSRBF)、交互式网格变形法、参数曲面法等。

现阶段常用的三维地质模型更新方法中，全局更新方法需要对所有数据重构以达到模型更新的目的，的计算过程成本大、耗时长、难以反映需更新模型的局部特征变化。局部更新方法则多采用网格空间变形技术，主要通过调整控制点的位置实现地质界面的更新，但它需要大量复杂的拓扑关系控制点才能表达复杂的地质界面，反而降低了建模和更新的效率，且难以应对不断增加的数据规模和不断扩张的建模范围带来的多层级、多尺度网格融合的需求。目前，基于隐式函数和数学方法的三维地质模型局部隐式更新方法，由于难以合理确定隐式地质界面函数的更新范围和边界，因此在地质模型的局部区域自动更新中的应用仍有待进一步研究和改进。

针对上述研究现状和问题，有必要提出一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，以期实现在原有隐式三维地质模型的基础上，根据邻域工程区隐式三维地质模型或新增钻孔数据，对城市局部区域三维地质模型进行自动更新和多尺度网格融合。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，实现在原有隐式三维地质模型的基础上，根据邻域工程区隐式三维地质模型或新增钻孔数据，对城市局部区域三维地质模型进行自动隐式化更新和多尺度融合，同时提高城市三维地质建模工作的效率，提升模型更新重构的自动化程度。

一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，具体包括以下步骤：

步骤1：基于城市地质调查采集到的城市钻孔数据，解算各地层隐式地质界面函数，构建初始城市隐式三维地质模型；

步骤1.1：从城市钻孔数据中，提取各地层地质界面的控制点，构成点集P，其中包括控制点的三维空间坐标与法向量信息；

步骤1.2：根据原始钻孔数据在空间中的位置分布，构建空间区域栅格场；

步骤1.3：根据数据特征选取隐式函数，基于步骤1.1中提取的控制点信息，解算各个控制点的隐式三维地质界面函数F的表达式；

步骤1.4：基于步骤1.3中各地层的隐式三维地质界面函数，按地层顺序计算步骤1.2中的空间区域栅格场各栅格顶点的隐式函数值，从而构建空间区域标量场，然后利用移动体元法提取各地层的地质等值面，完成城市隐式三维地质模型的构建；

步骤2：构建新增钻孔数据即增量钻孔数据的各地层的更新隐式三维地质界面即增量隐式三维地质界面；

步骤2.1：从新增的钻孔数据中，提取并存储各新增钻孔中地层的增量控制点，构成更新控制点集Q即更新点，其中包括更新点的三维空间坐标与法向量信息；所述新增钻孔数据包括新增、修改、删除的钻孔数据；

其中，由删除钻孔数据导致的地层缺失，选用上一地层点位添加0厚度点的形式补充控制点；

步骤2.2：选取符合增量数据特征隐式函数，基于步骤2.1中提取的更新点信息，解算各地层的增量隐式三维地质界面函数G；

步骤3：基于R-Function进行隐式三维地质界面函数表达式的融合重构；

步骤3.1：基于对各地层对应的原始地质界面函数F和增量更新地质界面函数G进行隐式布尔运算，所述/>即R-Function的m阶导，如式(1)所示：

其中，m取正整数，F和G分别为原始地质界面隐式函数和增量地质界面隐式函数，δ表示隐式地质界面布尔运算符；

步骤3.2：当δ＝1时为交集地质界面A；当δ＝-1时/>为并集地质界面B；

步骤4：根据增量钻孔数据重建建模范围内的表面Voronoi网格，确定步骤1中建立的原始隐式三维地质模型的更新区域，其中更新区域内的栅格顶点即为待更新隐式函数值的点，记为点集V；

步骤4.1：将新增钻孔的孔口坐标(X,Y,Z)作为更新点插入原始建模区域顶面网格，重构Voronoi图；

步骤4.2：新增钻孔点对应的Voronoi多边形记为Reg_i，多边形顶点构成点集H_i，并计算各个更新钻孔点与它们对应的Reg_i多边形顶点集合H_i的欧式距离L_i；

步骤4.3：选取更新钻孔的所有邻域Voronoi多边形，并存储邻域Voronoi多边形对应的原始钻孔点为点集O；

步骤4.4：对点集O构建凸包，则凸包范围即为所求三维地质模型更新域D，其中更新域内的栅格场顶点即为待更新隐式函数值的栅格点，记为点集V；

步骤5：引入平滑过渡函数M，重新计算建模范围内待更新函数值的点集V中各点的函数值，从而利用移动体元法提取更新后的隐式三维地质界面，完成隐式三维地质模型的更新和可视化；

步骤5.1：引入过渡函数M，如式(2)所示，计算更新区域D中各点相对地质界面函数A与地质界面函数B的取值权重；

其中，d为待更新点与更新钻孔点之间的欧式距离，Sr表示待更新点采用的过度函数收敛半径；

步骤5.2：计算更新域D内，待更新栅格点集V中各点与更新钻孔点之间的欧式距离为d；

步骤5.3：计算并找到更新域D内待更新栅格点集V中各点与Reg_i多边形顶点集合H_i距离最近的顶点Hj，则步骤4.2中计算得到的对应的距离L_j为该待更新点的函数收敛半径Sr_j；

步骤5.4：判断建模范围内待更新函数值的栅格点集合V中各点，在步骤1和步骤2中的原隐式地质界面函数F与增量更新地质界面函数G上的函数值；

若F≥G则更新融合后的隐式曲面函数如式(3)所示，若F<G则更新融合的隐式曲面函数如式(4)所示：

U＝M×B+(1-M)×A (3)

U＝(1-M)×B+M×A (4)

其中，U表示更新融合后的隐式三维地质界面函数，M表示平滑过渡函数。如步骤3.2所示，A表示F与G的交集隐式三维地质界面，B表示F与G的并集隐式三维地质界面；

步骤5.5：将式(1)代入式(3)及式(4)，当m取1时，得到更新后的隐式三维地质界面函数U、原始隐式三维地质界面函数F和增量隐式三维地质界面函数G之间的函数关系如式(5)所示：

其中，F为步骤1中构建的原始隐式三维地质模型中各地层的隐式地质界面函数，G为步骤2中构建的增量隐式三维地质界面函数，M为平滑过渡函数，即式(2)；若F≥G则α取-1，若F<G则α取1；

步骤5.6：针对更新后隐式三维地质界面函数U，利用移动体元法完成更新后的隐式三维地质界面以及隐式三维地质模型的可视化表达。

本发明有益技术效果：

本发明在已有的城市隐式三维地质建模结果的基础上，针对后续不断新增的钻孔数据，无需重复解算隐式三维地质界面函数，即可在原有隐式三维地质模型的基础上，完成城市三维地质模型的自动化、快速迭代更新；针对原有隐式地质界面函数进行更新，避免了大量钻孔数据的重复迭代运算，只针对更新数据进行求解，提高了地质模型更新速度；同时，基于多隐式地质界面函数融合的方式，不仅局限于数据更新，更能够基于已有地质模型进行多尺度融合更新，有效提升了地质模型的更新效率，避免了复杂的人工网格交互操作，实现大范围城市地质模型自动化更新。本发明实现简单，效果显著，达到了应用的要求。

附图说明

图1本发明实施例三维地质模型隐式更新方法流程；

图2为钻孔数据构建原始隐式三维地质模型结果；

图3本发明实施例隐式三维地质界面函数更新效果；

图4本发明实施例城市钻孔数据三维地质模型融合更新效果。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步详细说明：

本实施例中，提供了一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，技术流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：基于城市钻孔数据，解算各地层隐式地质界面函数，构建初始城市隐式三维地质模型；

步骤1.1：如附图2所示，从城市钻孔数据中，提取4个地层地质界面的控制点，构成点集P1,P2,P3,P4，其中包含控制点的三维空间坐标与法向量信息；

步骤1.2：基于HRBF(Hermite径向基函数)隐式函数，利用步骤1.1提取的各地层控制点集P，解算各地层隐式三维地质界面函数F1,F2,F3,F4；

步骤1.3：基于移动体元法构建隐式三维地质界面函数F的空间栅格标量场，并提取等值面，从而构建本实施例的原始隐式三维地质模型，如附图2(a)、附图2(b)所示；

步骤2：解算新增钻孔数据的各地层增量隐式三维地质界面函数；

步骤2.1：从新增的钻孔数据中，提取各地层的控制点，构成点集Q1,Q2,Q3,Q4，其中包括点的三维空间坐标与法向量信息；

步骤2.2：基于CSRBF(局部紧支撑径向基函数)隐式函数，基于步骤2.1提取的各地层控制点集Q，解算各地层的局部区域的隐式三维地质界面函数G1,G2,G3,G4；

步骤3：基于R-Function进行隐式三维地质界面函数的表达式融合重构；

步骤3.1：基于公式(1)对各地层的隐式三维地质界面函数F和G分别进行交集与并集布尔运算，其中m取1；

步骤3.2：将地质界面函数的重构为上地质界面函数A，下地质界面函数B，当δ＝1时为交集地质界面A；当δ＝-1时为并集地质界面B；

步骤4：根据新增钻孔数据，构建建模范围内的Voronoi网格，划分步骤1中建立的原始隐式三维地质模型的更新区域，其中更新区域内的点即为待更新隐式函数值的点；

步骤4.1：在原始三维地质模型顶面网格中插入新增钻孔点，重构Voronoi图；

步骤4.2：计算新增点与其对应的Voronoi多边形，即为Reg_i的顶点之间的欧式距离L_i；

步骤4.3：选取新增点的所有邻域Voronoi多边形，并存储对应的原始钻孔点为点集O；

步骤4.4：对点集O建立凸包，则凸包范围即为原始三维地质模型的更新区域，记为D；

步骤5：引入高斯函数作为曲面平滑过渡函数M，计算更新区域D中各点隐式函数值相对上地质界面函数A和下地质界面函数B的取值比重，并更新隐式三维地质界面函数；

步骤5.1：计算更新域D内的栅格点集V中与钻孔点之间的欧式距离为d；

步骤5.2：利用点与多边形之间的位置关系，判断栅格点集V中各点在步骤4.2中的更新点对应的Voronoi多边形Reg_i；

步骤5.3：计算并找到点集V中每个点与其所在的Reg_i的欧式距离最小的顶点，则该顶点与其对应的更新点之间的距离L_i即为函数M的收敛半径Sr_i；

步骤5.4：判断栅格点集V中各点，在步骤1和步骤2中的原始隐式地质界面函数F与增量更新地质界面函数G上的函数值。

U＝M×B+(1-M)×A (3)

U＝(1-M)×B+M×A (4)

若F≥G则更新融合后的隐式曲面函数如式(3)所示，若F<G则更新融合的隐式曲面函数如式(4)所示。

步骤6：利用移动体元法对更新融合后隐式三维地质界面函数进行可视化，如附图3所示。最终模型的更新融合与全域建模的效果对比如附图4所示。

本发明在原有三维地质模型的基础上，分别求解原始三维地质模型，以及增量数据的各地层地质界面的隐式曲面函数，并在隐式函数的基础上对其隐式地质界面函数表达式进行更新重构，完成三维地质模型的隐式自动化更新。在这一过程中，先对隐式三维地质界面函数进行上下分解的表达式更新重构，避免了复杂的更新范围与隐式函数值关系的重复讨论。在确定模型更新域的过程中，结合更新点的邻域Voronoi多边形进行判断，使得三维地质模型的隐式更新方法建立在了地理学、几何图形学的基础上，增强了本发明的合理性与适用性。在构建三维地质模型隐式更新函数关系式的过程中，引入基于距离的过渡函数，并对其在空间中沿不同方向的收敛性进行自适应改进，使得三维地质模型在更新域边界处可以平滑过渡，大大提高了三维地质模型更新的自动化程度与效率。

Claims (8)

1.一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：基于城市地质调查采集到的城市钻孔数据，解算各地层隐式地质界面函数，构建初始城市隐式三维地质模型；

步骤2：构建新增钻孔数据即增量钻孔数据的各地层的更新隐式三维地质界面即增量隐式三维地质界面；

步骤3：基于R-Function进行隐式三维地质界面函数表达式的融合重构；

步骤4：根据增量钻孔数据重建建模范围内的表面Voronoi网格，确定步骤1中建立的原始隐式三维地质模型的更新区域，其中更新区域内的栅格顶点即为待更新隐式函数值的点，记为点集V；

步骤5：引入平滑过渡函数M，重新计算建模范围内待更新函数值的点集V中各点的函数值，从而利用移动体元法提取更新后的隐式三维地质界面，完成隐式三维地质模型的更新和可视化。

2.根据权利要求1所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，步骤1具体为：

步骤1.1：从城市钻孔数据中，提取各地层地质界面的控制点，构成点集P；

步骤1.2：根据原始钻孔数据在空间中的位置分布，构建空间区域栅格场；

步骤1.3：根据数据特征选取隐式函数，基于步骤1.1中提取的控制点信息，解算各个控制点的隐式三维地质界面函数F的表达式；

步骤1.4：基于步骤1.3中各地层的隐式三维地质界面函数，按地层顺序计算步骤1.2中的空间区域栅格场各栅格顶点的隐式函数值，从而构建空间区域标量场，然后利用移动体元法提取各地层的地质等值面，完成城市隐式三维地质模型的构建。

3.根据权利要求2所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，所述点集P包括控制点的三维空间坐标与法向量信息。

4.根据权利要求1所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，步骤2具体为：

步骤2.1：从新增的钻孔数据中，提取并存储各新增钻孔中地层的增量控制点，构成更新控制点集Q即更新点，其中包括更新点的三维空间坐标与法向量信息；

其中，由删除钻孔数据导致的地层缺失，选用上一地层点位添加0厚度点的形式补充控制点；

步骤2.2：选取符合增量数据特征隐式函数，基于步骤2.1中提取的更新点信息，解算各地层的增量隐式三维地质界面函数G。

5.根据权利要求4所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，所述新增钻孔数据包括新增、修改、删除的钻孔数据。

6.根据权利要求1所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，步骤3具体为：

步骤3.1：基于对各地层对应的原始地质界面函数F和增量更新地质界面函数G进行隐式布尔运算，所述/>即R-Function的m阶导，如式(1)所示：

其中，m取正整数，F和G分别为原始地质界面隐式函数和增量地质界面隐式函数，δ表示隐式地质界面布尔运算符；

步骤3.2：当δ＝1时为交集地质界面A；当δ＝-1时/>为并集地质界面B。

7.根据权利要求1所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，步骤4具体为：

步骤4.1：将新增钻孔的孔口坐标(X,Y,Z)作为更新点插入原始建模区域顶面网格，重构Voronoi图；

步骤4.2：新增钻孔点对应的Voronoi多边形记为Reg_i，多边形顶点构成点集H_i，并计算各个更新钻孔点与它们对应的Reg_i多边形顶点集合H_i的欧式距离L_i；

步骤4.3：选取更新钻孔的所有邻域Voronoi多边形，并存储邻域Voronoi多边形对应的原始钻孔点为点集O；

步骤4.4：对点集O构建凸包，则凸包范围即为所求三维地质模型更新域D，其中更新域内的栅格场顶点即为待更新隐式函数值的栅格点，记为点集V。

8.根据权利要求1所述的一种三维地质模型局部隐式增量更新和自动重构方法，其特征在于，步骤5具体为：

步骤5.1：引入过渡函数M，如式(2)所示，计算更新区域D中各点相对地质界面函数A与地质界面函数B的取值权重；

其中，d为待更新点与更新钻孔点之间的欧式距离，Sr表示待更新点采用的过度函数收敛半径；

步骤5.2：计算更新域D内，待更新栅格点集V中各点与更新钻孔点之间的欧式距离为d；

步骤5.3：计算并找到更新域D内待更新栅格点集V中各点与Reg_i多边形顶点集合H_i距离最近的顶点Hj，则步骤4.2中计算得到的对应的距离L_j为该待更新点的函数收敛半径Sr_j；

步骤5.4：判断建模范围内待更新函数值的栅格点集合V中各点，在步骤1和步骤2中的原隐式地质界面函数F与增量更新地质界面函数G上的函数值；

若F≥G则更新融合后的隐式曲面函数如式(3)所示，若F<G则更新融合的隐式曲面函数如式(4)所示：

U＝M×B+(1-M)×A (3)

U＝(1-M)×B+M×A (4)

其中，U表示更新融合后的隐式三维地质界面函数，M表示平滑过渡函数；如步骤3.2所示，A表示F与G的交集隐式三维地质界面，B表示F与G的并集隐式三维地质界面；

步骤5.5：将式(1)代入式(3)及式(4)，当m取1时，得到更新后的隐式三维地质界面函数U、原始隐式三维地质界面函数F和增量隐式三维地质界面函数G之间的函数关系如式(5)所示：

其中，F为步骤1中构建的原始隐式三维地质模型中各地层的隐式地质界面函数，G为步骤2中构建的增量隐式三维地质界面函数，M为平滑过渡函数，即式(2)；若F≥G则α取-1，若F<G则α取1；

步骤5.6：针对更新后隐式三维地质界面函数U，利用移动体元法完成更新后的隐式三维地质界面以及隐式三维地质模型的可视化表达。