CN117351796A - 基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统 - Google Patents

基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，包括：孪生模型构建子系统以及教学子系统；所述孪生模型构建子系统，用于构建野外地质露头场景的数字孪生模型；所述教学子系统，用于基于所述数字孪生模型，进行野外地质露头教学。孪生模型构建子系统包括信息采集模块、信息处理模块、模型构建模块以及模型库构建模块。基于数字孪生技术，将野外地质露头场景真实的反映在课堂上，实现了智慧课堂，便于学生更加直观的学习野外地质露头的相关知识。

Description

基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统
技术领域
本发明属于数字孪生技术领域，具体涉及基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统。
背景技术
野外露头由地下岩体露出地表后形成，是地质学研究最直接、最真实、最详细的资料。摄影测量技术可以通过无人机采集数据，室内建立三维模型的方式建立数字露头，使得地质考察从“野外”到“室内”成为可能。然而，这种露头模型数据的浏览需要安装专门软件，且现有软件不支持进一步的地质要素测量与信息提取。因此，采用摄影测量技术采集并构建野外地质露头三维模型，在浏览器端实现三维露头模型浏览和地质信息提取是野外地质考察以及教学的一种新方法，对地质研究具有重要的实用价值。并且，基于数字孪生技术构建野外地质露头场景的教学系统，存在诸多模型构建的不足。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，通过模拟真实的地质露头场景，提高教学质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，包括：孪生模型构建子系统以及教学子系统；
所述孪生模型构建子系统，用于构建野外地质露头场景的数字孪生模型；
所述教学子系统，用于基于所述数字孪生模型，进行野外地质露头教学。
优选的，所述孪生模型构建子系统包括信息采集模块、信息处理模块、模型构建模块以及模型库构建模块；
所述信息采集模块，用于采集野外地质露头的相关数据，并基于摄影测量，获得影像密集匹配三维点云；
所述信息处理模块，用于预处理所述相关数据，并对所述三维点云进行分割以及滤波处理，分类获取地面点；
所述模型构建模块，用于基于预处理后的所述相关数据，构建数据模型；基于所述地面点，构建野外地质露头场景三维模型；基于所述数据模型以及所述三维模型，构建地质露头数字孪生模型；
所述模型库构建模块，用于存储地质露头数字孪生模型，构建模型库。
优选的，影像密集匹配三维点云的获得过程为：
基于摄影测量，获得待匹配影像；
基于所述待匹配影像，获得待匹配像素；
基于半全局影像密集匹配算法，获得所述待匹配像素的最优视差；
基于所述最优视差，获得所述三维点云。
优选的，对所述三维点云进行分割的过程包括：
将所述三维点云构建规则格网索引；
基于道格拉斯普克算法，对规则格网进行行列分割；
基于交叉线元探测方法，合并行列分割结果，实现所述三维点云的分割。
优选的，所述相关数据包括露头编号、露头位置以及露头地质数据；
所述地质数据包括地质点参数、岩石组合特征数据、蚀变及矿化特征数据以及地质构造数据。
优选的，所述教学子系统包括登录模块、交互模块以及历史记录模块；
所述登录模块，用于教师以及学生加密登录教学系统；
所述交互模块，用于教师调用所述模型库中的数字孪生模型，进行教学；以及学生进行课程学习；
所述历史记录模块，用于记录教学进度以及模型调用情况。
优选的，所述交互模块包括教师端交互单元以及学生端交互单元；
所述教师端交互单元，用于教师调用课程所需数字孪生模型，并在所述数字孪生模型上进行标记以及批注；
所述学生端交互单元，用于学生进行课程预约以及课后巩固。
优选的，所述历史记录模块包括模型调用记录单元以及批注记录单元、课程进度记录单元；
所述模型调用记录单元，用于记录所述数字孪生模型的调用次数，分析模型调用频率；
所述批注记录单元，用于教师以及学生查看模型批注记录；
所述课程进度记录单元，用于记录课程进度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：基于数字孪生技术，将野外地质露头场景真实的反映在课堂上，实现了智慧课堂，便于学生更加直观的学习野外地质露头的相关知识。构建的数字孪生模型，将三维模型以及数据模型进行叠加，便于地质露头信息的显示以及课堂讲解。对通过摄影测量获得的地质露头数据进行处理，建立更高精度的数字孪生模型，提高模型质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统的结构示意图。
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，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1所示，一种基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，包括：孪生模型构建子系统以及教学子系统；
孪生模型构建子系统，用于构建野外地质露头场景的数字孪生模型；
孪生模型构建子系统包括信息采集模块、信息处理模块、模型构建模块以及模型库构建模块；
信息采集模块，用于采集野外地质露头的相关数据，并基于摄影测量，获得影像密集匹配三维点云；
具体的，相关数据包括露头编号、露头位置以及露头地质数据；
地质数据包括地质点参数、岩石组合特征数据、蚀变及矿化特征数据以及地质构造数据。其中，地质点包括界线点、构造点、矿化点以及岩性点；岩石组合特征数据包括岩石名称、岩石特征(颜色、风化特征、矿物成分、含量、结构以及构造等)、岩石接触关系以及相互变化特征；蚀变及矿化特征数据包括蚀变类型以及矿化类型；地质构造数据包括褶皱、断裂、破碎带的产状、性质、接触关系、垂直及水平方向变化、构造产物特征、构造带中填充物特征、地貌及水文地质。
影像密集匹配三维点云的获得过程为：
基于摄影测量，获得待匹配影像；
基于待匹配影像，获得待匹配像素；
基于半全局影像密集匹配算法，获得待匹配像素的最优视差；
基于最优视差，获得三维点云。
具体的，将待匹配影像定义为一个无向图G＝(V,ε)，每一个待匹配像素P∈V即为一个随机变量，视差dp∈Σ为该随机变量的一个候选值，Σ为待匹配像素p所有候选视差的集合。影像密集匹配SGM(半全局影像密集匹配算法)即可表示为D∈ΣV，即为每个待匹配像素寻找一个视差的过程，其中最优视差集D*应使得以下能量函数能量值最低：
其中，第一项为匹配代价(也称数据项)，在SGM中被定义为互信息(MutualInformation,MI)。第二项为路径代价(也称平滑项)，在SGM中与两个邻接待匹配像素视差的变化有关，当视差变化较大时，该路径代价的值较大，当视差变化较小时，该路径代价的值较小。路径代价的设计，使得SGM对于野外地质露头真实场景中表面的微小起伏给予了一个较低的惩罚、表面的剧烈起伏给予了一个较高的惩罚。因此，SGM能够适应场景中视差的连续缓慢变化，也能够保留视差断裂(如地形陡坎)。
SGM将传统格网优化问题分解为16个一维方向的动态规划，各方向动态规划独立进行，记录每个方向动态规划的路径代价并累加这些路径代价，最后将路径大家累加结果最小的视差选为最优视差。
信息处理模块，用于预处理相关数据，并对三维点云进行分割以及滤波处理，分类获取地面点；
预处理相关数据的过程包括：
建立坐标系，将获得的相关数据中的数据点放入坐标系中，根据第一坐标值分为子点组；在各个子点组内，计算得到其中的各个数据点的第二坐标值之差，并通过计算得到各个数据点的局部离群点因子，利用离群点去噪将各个子点组内的异常的数据点移除；对离群点去噪后的所有数据点进行拟合并移除偏差较大的数据点，并输出去噪后数据组。完成对相关数据的预处理。
对三维点云进行分割的过程包括：
将三维点云构建规则格网索引；
基于道格拉斯普克算法，对规则格网进行行列分割；具体的，对格网化后点云的每一条行列，首点A和尾点B连接成一条分割线AB；寻找分割线AB上离首尾距离最大的点C，计算点C与直线AB的距离d；判断d是否小于预设值，如果小于，则该段分割线完成分割；如大于预设值，则用C将该段分割线分为AC和BC两段，并分别对两段分割线重复上述步骤，获得分割点。依次连接分割点形成折线，折线内部点被分割入同一分割段。特别的，本实施例的分割结果可以在一定程度上提高露头与其他地形的区分度。
基于交叉线元探测方法，合并行列分割结果，即，如果X方向的一个分割段与Y方向上的一个分割段有公共格网单元，则这两个分割段上的所有格网单元被合并为一个分割快，实现三维点云的分割。
模型构建模块，用于基于预处理后的相关数据，构建数据模型；基于地面点，构建野外地质露头场景三维模型；基于数据模型以及三维模型，构建地质露头数字孪生模型；地质露头的数字孪生模型在被使用时，可选择性隐藏叠加的数据模型。
模型库构建模块，用于存储地质露头数字孪生模型，构建模型库。模型库的存储选用地图分布式存储，建立野外地图，基于露头的编号以及位置信息，存储在相应的地图位置，便于教师调用。
教学子系统，用于基于数字孪生模型，进行野外地质露头教学。
教学子系统包括登录模块、交互模块以及历史记录模块；
登录模块，用于教师以及学生加密登录教学系统；因本实施例教学系统包括模型库，未避免教学资料的泄露，教师以及学生需进行加密登录，具体的，想访问应用的用户端发送随机ID请求，接收教学系统后端动态生成的验证码；对验证码进行验证，若验证通过，根据ID请求生成密钥；利用密钥获得加密后的用户数据并发送至教学系统后端，以使用后端对加密后的用户数据进行验证登录。
交互模块，用于教师调用模型库中的数字孪生模型，进行教学；以及学生进行课程学习。
交互模块还包括教师端交互单元，用于教师调用课程所需数字孪生模型，并在数字孪生模型上进行标记以及批注；教师可以从模型库调用课程所需多个露头的数字孪生模型，建立独立课件，并保存在自己账号名下。特别的，教师可以截取模型库的野外地图，在课件中对数字孪生模型进行地图分布式存储，更加生动的展示地质露头的信息。
学生端交互单元，用于学生进行课程预约以及课后巩固。学生可以获得老师授予的查看权限，查看老师建立的课件。
历史记录模块，用于记录教学进度以及模型调用情况。
交互模块包括教师端交互单元以及学生端交互单元；
历史记录模块包括模型调用记录单元以及批注记录单元、课程进度记录单元；
模型调用记录单元，用于记录数字孪生模型的调用次数，分析模型调用频率；通过模型的调用频率，制作季度教学报告，便于教师回顾教学历程，完善教学方案。
批注记录单元，用于教师以及学生查看模型批注记录；
课程进度记录单元，用于记录课程进度。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，包括：孪生模型构建子系统以及教学子系统；
所述孪生模型构建子系统，用于构建野外地质露头场景的数字孪生模型；
所述教学子系统，用于基于所述数字孪生模型，进行野外地质露头教学。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，所述孪生模型构建子系统包括信息采集模块、信息处理模块、模型构建模块以及模型库构建模块；
所述信息采集模块，用于采集野外地质露头的相关数据，并基于摄影测量，获得影像密集匹配三维点云；
所述信息处理模块，用于预处理所述相关数据，并对所述三维点云进行分割以及滤波处理，分类获取地面点；
所述模型构建模块，用于基于预处理后的所述相关数据，构建数据模型；基于所述地面点，构建野外地质露头场景三维模型；基于所述数据模型以及所述三维模型，构建地质露头数字孪生模型；
所述模型库构建模块，用于存储地质露头数字孪生模型，构建模型库。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，影像密集匹配三维点云的获得过程为：
基于摄影测量，获得待匹配影像；
基于所述待匹配影像，获得待匹配像素；
基于半全局影像密集匹配算法，获得所述待匹配像素的最优视差；
基于所述最优视差，获得所述三维点云。
4.根据权利要求2所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，对所述三维点云进行分割的过程包括：
将所述三维点云构建规则格网索引；
基于道格拉斯普克算法，对规则格网进行行列分割；
基于交叉线元探测方法，合并行列分割结果，实现所述三维点云的分割。
5.根据权利要求2所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，所述相关数据包括露头编号、露头位置以及露头地质数据；
所述地质数据包括地质点参数、岩石组合特征数据、蚀变及矿化特征数据以及地质构造数据。
6.根据权利要求2所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，所述教学子系统包括登录模块、交互模块以及历史记录模块；
所述登录模块，用于教师以及学生加密登录教学系统；
所述交互模块，用于教师调用所述模型库中的数字孪生模型，进行教学；以及学生进行课程学习；
所述历史记录模块，用于记录教学进度以及模型调用情况。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，所述交互模块包括教师端交互单元以及学生端交互单元；
所述教师端交互单元，用于教师调用课程所需数字孪生模型，并在所述数字孪生模型上进行标记以及批注；
所述学生端交互单元，用于学生进行课程预约以及课后巩固。
8.根据权利要求6所述的基于数字孪生技术的野外地质露头场景教学系统，其特征在于，所述历史记录模块包括模型调用记录单元以及批注记录单元、课程进度记录单元；
所述模型调用记录单元，用于记录所述数字孪生模型的调用次数，分析模型调用频率；
所述批注记录单元，用于教师以及学生查看模型批注记录；
所述课程进度记录单元，用于记录课程进度。
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徐琪，沈含笑，董少春，史宇坤，樊隽轩: "《地质露头与标本的三维数字化现状与展望》", 《高校地质学报》, vol. 29, no. 3, 20 June 2023 (2023-06-20), pages 403 - 418 *
李亚林，王成善，文华国，钟瀚霆，马安林: "《数字露头与野外实践教学平台建设趋势与展望》", 《中国地质教育》, vol. 30, no. 1, 31 March 2021 (2021-03-31), pages 31 - 35 *
王冉: "《基于三维数字露头模型的野外地质教学方法探讨》", 《中国地质教育》, vol. 28, no. 4, 31 December 2019 (2019-12-31), pages 63 - 66 *

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