CN117689640A - 基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备，涉及地质结构分析技术领域。该方法包括：获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型；根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果；根据轮廓线切割结果构建切割面模型；基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。本发明公开的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备能够有效提高地质结构分析的准确性和可靠性，保障后续城市工程、地下资源开采等措施的进行。

Description

基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及地质结构分析技术领域，特别是涉及一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备。

背景技术

当前，随着孪生城市、智慧地球、元宇宙等概念的提出，越来越有朝向宏观的角度来展现现实世界的趋势，这对于技术的研究和发展有着推动作用。但是对于更具专业性的行业问题的研究，仅仅是宏观的研究显然不能解决实际的问题。对于地下的地质数据研究也是如此，地质数据研究者只有在对数据内、外全部了解后才能“对症下药”，来解决更具体的问题，进而为决策者提供更加科学的、准确的判断依据。目前，针对三维地质体数据来说，对于不同角色的人员通用的做法是要么在一个系统里宏观展示地质数据与其他模型数据，要么是在更加专业的软件工具中仅对地质数据进行研究，这样带来的问题是在一个系统或工具中不能同时展示地质数据的本身以及与其他数据的关系，造成考虑问题或对数据的分析具有一定的局限性，从而导致对地质结构的了解不够准确，影响后续城市工程、地下资源开采等措施的进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备，能够有效提高地质结构分析的准确性和可靠性，保障后续城市工程、地下资源开采等措施的进行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，包括：

获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；所述切割参数包括切割面的位置、走向以及倾向；

获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型；

根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果；

根据轮廓线切割结果构建切割面模型；

基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

可选地，所述获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数，具体包括：

将获取的切割参数中的位置参数使用带有坐标系定义的坐标串进行表示，确定位置参数中的坐标系定义是否与三维地质模型在同一坐标系下；若不在同一坐标系下，则将位置参数的坐标通过坐标系之间的转换参数转换至与三维地质模型在同一坐标系下；

对于切割参数中的走向参数和倾向参数，将走向参数和倾向参数规范到0度到360度之间。

可选地，所述获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型，具体包括：

将构成目标区域待切割的三维地质模型的数据按照材质信息进行分类，相同材质信息的数据属于同一地层数据；所述材质信息包括颜色信息和纹理信息；

对分类后的三维地质模型数据进行冗余顶点数据的剔除，得到预处理后的三维地质模型。

可选地，所述对分类后的三维地质模型数据进行冗余顶点数据的剔除，得到预处理后的三维地质模型，具体包括：

读取分类后的三维地质模型数据内每个几何对象的三角网顶点索引数据并进行记录；

读取每个几何对象的顶点坐标数据，遍历所有顶点坐标数据，将相同坐标的顶点坐标数据保留一个，同时更新三角网顶点索引数据，得到顶点坐标不重复分类的预处理后的三维地质模型。

可选地，所述根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果，具体包括：

基于规范化后的切割参数，采用Plane结构表示切割面的数据结构；

遍历预处理后的三维地质模型中每个几何对象的三角形，将切割面与三角形进行相交计算，得到各几何对象与切割面之间的轮廓线构成轮廓线切割结果；若切割面与三角形相交，则三角形对应的几何对象至少存在一条轮廓线；若切割面与三角形不相交，则三角形对应的几何对象不存在轮廓线。

可选地，所述根据轮廓线切割结果构建切割面模型，具体包括：

循环计算每条轮廓线上相邻两点距离，若相邻两点距离小于预设阈值，则删除相邻两点中的第二个点；

遍历每条轮廓线的起点和终点，若起点和终点的三轴坐标值完全不相同，则将起点添加至轮廓线的尾部，得到闭合的轮廓线；

基于闭合的轮廓线的数量，采用多边形的分格化处理器进行多边形的分格化计算，得到分格化结果；

将同一地层切割面轮廓线的分格化结果的顶点数据和三角网顶点索引数据进行合并形成新的几何数据，并赋予对应地层的材质信息，完成切割面模型的构建。

可选地，所述基于闭合的轮廓线的数量，采用多边形的分格化处理器进行多边形的分格化计算，得到分格化结果，具体包括：

当闭合的轮廓线的数量为1时，直接使用闭合的轮廓线进行多边形的分格化计算，得到分格化结果；

当闭合的轮廓线的数量大于1时，使用CGAL的Arrangement的数据结构和所有闭合的轮廓线的顶点坐标数据构建几何拓扑关系，得到带有边界的面；

遍历带有边界的面，当面的外环是其他面的孔洞时，则由孔洞的所属面进行多边形的分格化计算，否则将该面的外环及孔洞按顺序添加到多边形分格化处理器中进行多边形的分格化计算，得到分格化结果。

一种基于三维地质模型切割的地质结构分析系统，包括：

切割参数规范化模块，用于获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；所述切割参数包括切割面的位置、走向以及倾向；

三维地质模型预处理模块，用于获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型；

切割计算模块，用于根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果；

切割面模型构建模块，用于根据轮廓线切割结果构建切割面模型；

地质结构分析模块，用于基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法。

可选地，所述存储器为非暂态计算机可读存储介质。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备，首先通过对获取的切割参数进行规范化处理以及对获取的目标区域待切割的三维地质模型进行预处理；随后采用规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，并根据计算后的轮廓线切割结果构建切割面模型；最终通过建立的三维地质模型的切割面模型来切割地质结构块体，准确构建非层状地质体，实现对三维地质模型进行多维度切割，以用于研究三维地质模型的内部构造，从而有效提高地质结构分析的准确性和可靠性，保障后续城市工程、地下资源开采等措施的进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将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为本发明提供的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法的流程图。

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。

本发明的目的是提供一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法、系统及设备，能够有效提高地质结构分析的准确性和可靠性，保障后续城市工程、地下资源开采等措施的进行。

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。

针对现有技术中存在的在一个系统或工具中不能同时展示地质数据的本身以及与其他数据关系的问题，本发明提出一种解决方法，即在宏观场景中增加专业问题分析方法，针对三维地质体数据，提出一种三维地质模型任意切割的方法，可对待切割的三维地质模型按照位置、走向、倾向等多种维度进行切割，包括面剖切、路径剖切，并可通过基本剖切方法的组合实现基坑开挖、隧道开挖、模拟钻孔等复杂功能，为在宏观的三维场景中通过对三维地质模型数据切割分析来研究三维地质结构内部构造提供了支持。

图1为本发明提供的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法的流程图。如图1所示，本发明公开的一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，包括：

步骤1：获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数。

对于各切割方法中的必要参数，即切割参数，包括切割面的位置、走向以及倾向，需要进行检查与规范化处理。将获取的切割参数中的切割面位置参数使用带有坐标系定义的坐标串进行表示，确定位置参数中的坐标系定义是否与三维地质模型在同一坐标系下；若不在同一坐标系下，则将位置参数的坐标通过坐标系之间的转换参数转换至与三维地质模型在同一坐标系下。对于切割参数中切割面的走向参数和倾向参数，需要将走向参数和倾向参数规范到0度到360度之间，以便进行后续的数据处理。

步骤2：获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型。

所述步骤2具体包括：

步骤2.1：将构成目标区域待切割的三维地质模型的数据按照材质信息进行分类，其中，材质信息包括颜色信息和/或纹理信息。相同材质信息的数据属于同一地层数据。遍历待切割的三维地质模型内每个几何对象的材质信息数据，读取材质信息数据中的颜色信息和纹理信息，此时最多出现只有颜色信息、只有纹理信息和两者同时存在的三种情况。规定颜色信息中的颜色值相同或纹理信息中的纹理值相同或两者同时存在时颜色值和纹理值都相同的数据为同一地层数据。对所有几何对象遍历完后即可将带切割的三维地质模型的地层数据分开，得到分类后的三维地质模型数据。

步骤2.2：对分类后的三维地质模型数据进行冗余顶点数据的剔除，得到预处理后的三维地质模型。

通过对冗余顶点数据的剔除处理，能够有效减少后续进行切割计算时的计算量，具体如下：首先读取分类后的三维地质模型数据内每个几何对象的三角网顶点索引数据并进行记录。随后读取每个几何对象的顶点坐标数据，将顶点坐标数据按照沿X、Y、Z轴方向的顺序进行空间排序，经过排序后相同坐标的顶点数据会相邻排列。最后遍历数组中的所有顶点坐标数据，将相同坐标的顶点坐标数据仅保留一个，其余删除，同时更新三角网顶点索引数据，得到顶点坐标不重复分类的预处理后的三维地质模型。

步骤3：根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果。

所得到的轮廓线切割结果用于后续构建切割面模型，因此该步骤3首先需要构造切割面的数据结构，随后根据构造好的切割面与预处理后的三维地质模型中每个几何对象做切割计算，得到轮廓线切割结果。所述步骤3具体包括：

步骤3.1：基于规范化后的切割参数，采用Plane结构表示切割面的数据结构。

具体地，切割面的数据结构可用Plane表示，指定Plane的经过点和法向可明确描述切割面的位置姿态。切割参数中的位置信息为Plane的经过点，走向和倾向角度经过旋转计算可得出Plane的法向。

步骤3.2：遍历预处理后的三维地质模型中每个几何对象的三角形，将切割面与三角形进行相交计算，得到各几何对象与切割面之间的轮廓线来构成轮廓线切割结果。若切割面与三角形相交，则三角形对应的几何对象至少存在一条轮廓线；若切割面与三角形不相交，则三角形对应的几何对象不存在轮廓线。

具体地，遍历预处理后的三维地质模型中每个几何对象的三角形，使Plane与三角形进行相交计算。相交计算的结果会出现三种情况，分别为无交点、只有一个交点和只有两个交点。如果Plane与三角形相交且交点有两个时，则认为Plane与三角形相交，此时记录相交的顶点到数组，否则不记录。同时将相交的顶点坐标添加或更新到顶点数组中。添加或更新的原则为：如果新计算出的第一个交点与数组的第一个顶点相同，则将第二个交点存放到数组的首部；如果第二个交点与数组的第一个顶点相同，则将第一个交点存放到数组的首部；如果第一个交点与数组的最后一个顶点相同，则将第二个交点存放到数组的尾部；如果第二个交点与数组的最后一个顶点相同，则将第一个交点存放到数组的尾部。当模型中的每个几何对象与Plane计算完毕后，如果几何对象与Plan相交，则该几何对象至少与切割面存在一条轮廓线。

步骤4：根据轮廓线切割结果构建切割面模型。

构建切割面模型需要依次进行轮廓线重合点剔除、轮廓线闭合线处理、轮廓线分格化计算以及切割面模型构建四个步骤，各步骤具体如下所示。

步骤4.1：循环计算每条轮廓线上相邻两点距离，若相邻两点距离小于预设阈值，则删除相邻两点中的第二个点。

具体地，设定两点为相同顶点的阈值为DThreshold，循环计算每条轮廓线上相邻两点距离，如果相邻两点间的距离小于DThreshold，则认为两点重合，将相邻两点中的第二个点在轮廓线中删除。

步骤4.2：遍历每条轮廓线的起点和终点，若起点和终点的三轴(X、Y和Z轴)坐标值完全不相同，则将起点添加至轮廓线的尾部，用以确保每条轮廓线是闭合线，从而得到闭合的轮廓线。

步骤4.3：基于闭合的轮廓线的数量，采用多边形的分格化处理器进行多边形的分格化计算，得到分格化结果，具体包括：

当闭合的轮廓线的数量为1时，直接使用闭合的轮廓线进行多边形的分格化计算，得到分格化结果。当闭合的轮廓线的数量大于1时，为带洞或自相交多边形情况，使用CGAL的Arrangement的数据结构和所有闭合的轮廓线的顶点坐标数据构建几何拓扑关系，通过构建的几何拓扑关系计算得到所有带有边界的面，此面包括一个外环或大于等于1个孔洞。遍历带有边界的面，当面的外环是其他面的孔洞时，则由孔洞的所属面进行后续处理；否则将该面的外环及孔洞按顺序添加到多边形分格化处理器中，处理器会按照每个顶点的环绕次数规则进行多边形的分格化计算，得到分格化结果。通过分格化结果构建由外环和孔洞组成的三角网模型。

步骤4.4：根据分格化结果以及步骤2中记录的所对应地层的材质信息，将同一地层切割面轮廓线的分格化结果的顶点数据和三角网顶点索引数据进行合并形成新的几何数据，并赋予对应地层的材质信息，完成切割面模型的构建。

步骤5：基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

基于步骤1-4构建的切割面模型的数据，一方面可以通过对应的材质信息实现对不同地层的识别；另一方面，由于切割面模型是一个片状结构，因此可以方便工作人员查看以及分析该位置的三维地质模型的内部构造，便于对目标区域地质结构进行分析。

综上所述，本发明提供的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，能够在使用非专业软件对地质体数据进行研究的过程中，通过构建不同角度的切割面生成复杂地质体内部构造，为在宏观场景中研究地质数据的内部构造增加了一种方法。在切割面模型的构建过程中，能够清楚明白各地层之间的接触关系并且可准确的表达同一地层在同一切割面下的嵌套、错切等复杂地质结构。使用本发明提供的方法在城市工程地质、地下资源开采等地质数据应用时，通过分析目标区域不同地层之间的联系，根据不同的联系确保了建筑之类的安全性，取得了显著的效果。

基于本发明提供的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，本发明还提供一种基于三维地质模型切割的地质结构分析系统，包括：

切割参数规范化模块，用于获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；所述切割参数包括切割面的位置、走向以及倾向。

三维地质模型预处理模块，用于获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型。

切割计算模块，用于根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果。

切割面模型构建模块，用于根据轮廓线切割结果构建切割面模型。

地质结构分析模块，用于基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

进一步地，本发明还提供一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的计算机程序，以执行所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过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，可以存储在一个非暂态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、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，包括：

获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；所述切割参数包括切割面的位置、走向以及倾向；

获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型；

根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果；

根据轮廓线切割结果构建切割面模型；

基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数，具体包括：

将获取的切割参数中的位置参数使用带有坐标系定义的坐标串进行表示，确定位置参数中的坐标系定义是否与三维地质模型在同一坐标系下；若不在同一坐标系下，则将位置参数的坐标通过坐标系之间的转换参数转换至与三维地质模型在同一坐标系下；

对于切割参数中的走向参数和倾向参数，将走向参数和倾向参数规范到0度到360度之间。

3.根据权利要求1所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型，具体包括：

将构成目标区域待切割的三维地质模型的数据按照材质信息进行分类，相同材质信息的数据属于同一地层数据；所述材质信息包括颜色信息和纹理信息；

对分类后的三维地质模型数据进行冗余顶点数据的剔除，得到预处理后的三维地质模型。

4.根据权利要求3所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述对分类后的三维地质模型数据进行冗余顶点数据的剔除，得到预处理后的三维地质模型，具体包括：

读取分类后的三维地质模型数据内每个几何对象的三角网顶点索引数据并进行记录；

读取每个几何对象的顶点坐标数据，遍历所有顶点坐标数据，将相同坐标的顶点坐标数据保留一个，同时更新三角网顶点索引数据，得到顶点坐标不重复分类的预处理后的三维地质模型。

5.根据权利要求1所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果，具体包括：

基于规范化后的切割参数，采用Plane结构表示切割面的数据结构；

遍历预处理后的三维地质模型中每个几何对象的三角形，将切割面与三角形进行相交计算，得到各几何对象与切割面之间的轮廓线构成轮廓线切割结果；若切割面与三角形相交，则三角形对应的几何对象至少存在一条轮廓线；若切割面与三角形不相交，则三角形对应的几何对象不存在轮廓线。

6.根据权利要求1所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述根据轮廓线切割结果构建切割面模型，具体包括：

循环计算每条轮廓线上相邻两点距离，若相邻两点距离小于预设阈值，则删除相邻两点中的第二个点；

遍历每条轮廓线的起点和终点，若起点和终点的三轴坐标值完全不相同，则将起点添加至轮廓线的尾部，得到闭合的轮廓线；

基于闭合的轮廓线的数量，采用多边形的分格化处理器进行多边形的分格化计算，得到分格化结果；

将同一地层切割面轮廓线的分格化结果的顶点数据和三角网顶点索引数据进行合并形成新的几何数据，并赋予对应地层的材质信息，完成切割面模型的构建。

7.根据权利要求6所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法，其特征在于，所述基于闭合的轮廓线的数量，采用多边形的分格化处理器进行多边形的分格化计算，得到分格化结果，具体包括：

当闭合的轮廓线的数量为1时，直接使用闭合的轮廓线进行多边形的分格化计算，得到分格化结果；

当闭合的轮廓线的数量大于1时，使用CGAL的Arrangement的数据结构和所有闭合的轮廓线的顶点坐标数据构建几何拓扑关系，得到带有边界的面；

遍历带有边界的面，当面的外环是其他面的孔洞时，则由孔洞的所属面进行多边形的分格化计算，否则将该面的外环及孔洞按顺序添加到多边形分格化处理器中进行多边形的分格化计算，得到分格化结果。

8.一种基于三维地质模型切割的地质结构分析系统，其特征在于，包括：

切割参数规范化模块，用于获取切割参数并进行规范化处理，得到规范化后的切割参数；所述切割参数包括切割面的位置、走向以及倾向；

三维地质模型预处理模块，用于获取目标区域待切割的三维地质模型并进行预处理，得到预处理后的三维地质模型；

切割计算模块，用于根据规范化后的切割参数对预处理后的三维地质模型进行切割计算，得到轮廓线切割结果；

切割面模型构建模块，用于根据轮廓线切割结果构建切割面模型；

地质结构分析模块，用于基于切割面模型对目标区域地质结构进行分析。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于三维地质模型切割的地质结构分析方法。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述存储器为非暂态计算机可读存储介质。