專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地學(xué)信息處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及三維圖形學(xué)、三維地質(zhì)建模及網(wǎng)格簡(jiǎn) 化方法。
背景技術(shù)：
三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)是一種地學(xué)空間動(dòng)態(tài)構(gòu)模技術(shù)，是地質(zhì)信息系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)， 是目前地學(xué)空間構(gòu)模研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題之一。地學(xué)空間構(gòu)模按照技術(shù)層次分為五個(gè)階 段，即模型可視化階段、模型度量階段、模型分析階段、模型更新階段和時(shí)態(tài)構(gòu)模階段； 前三個(gè)階段屬于靜態(tài)構(gòu)模，后兩個(gè)階段屬于動(dòng)態(tài)構(gòu)模階段。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi) 外目前的地質(zhì)建模系統(tǒng)大多采用靜態(tài)交互構(gòu)模方法。
最早的地學(xué)空間構(gòu)模算法出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，由Notley和Wilson提出三維 線框模型(3D Wire Frames)將其用于地下礦山設(shè)計(jì)建模。此后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷 更新和地學(xué)空間構(gòu)模技術(shù)的不斷發(fā)展，到20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了表面建模方法和大量的表 面建模軟件，其中比較具有代表性的1989年法國(guó)Jean Laurent Mallet教授提出的表面 離散建模戰(zhàn)略以及基于此方法的GOCAD軟件系統(tǒng)。到20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了 大量的三維地學(xué)信息可視化軟件，如Datamine、 Mine固、Surpac、 Lynx、 Vulcan、 PC-Mine、 MicroMine、 Minemap、 GEOVIEW、頂AGIS， GeoMo， TITIAN3D， VRMAP等。這些商業(yè)軟件的出 現(xiàn)，在很大程度上推動(dòng)了三維地學(xué)空間構(gòu)模技術(shù)方法的研究。在過(guò)去的幾十年中，人們已 經(jīng)提出了近30種空間構(gòu)模方法，其中可以直接用于地質(zhì)體建模的基本方法約IO種，這些 方法大致可以分為兩類(lèi)， 一類(lèi)是基于面模型的構(gòu)模， 一類(lèi)是基于體模型的構(gòu)模。
基于面模型的構(gòu)模方法側(cè)重于三維空間實(shí)體的表面表示，如地形表面、地層面等。所 模擬的表面可以是封閉的B-R印(邊界替代)模型和Wire Frame (線框)模型，也可以是 非封閉的，如TIN (不規(guī)則三角網(wǎng)模型)和DEM (數(shù)字高程模型)。在地質(zhì)體構(gòu)模過(guò)程中一 般采用剖面模型、剖面一TIN混合模型以及多層DEM模型。這些面模型便于數(shù)據(jù)顯示，但 由于采樣點(diǎn)的稀疏，空間實(shí)體的內(nèi)部屬性記錄比較難于組織，實(shí)現(xiàn)空間分析功能比較困難； 不支持實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型自動(dòng)建模，人工建模工作量較大。體模型基于三維空間的體元分割和 三維實(shí)體表達(dá)，體元的屬性可以獨(dú)立描述和存儲(chǔ)管理，便于進(jìn)行三維空間操作和分析，能 夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)體自動(dòng)剖分建模；但隨著剖分精度的提高，數(shù)據(jù)量急劇增加，在精度與數(shù)據(jù)量 之間存在難于取舍的問(wèn)題。因此，這類(lèi)方法在地質(zhì)建模軟件中實(shí)際使用較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方 法，以便有效地解決技術(shù)背景中提到的已有構(gòu)模方法存在的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是采用網(wǎng)格模型與E-R印(邊界替代)面 模型混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，即利用EB-R印(擴(kuò)展邊界替代)面體混合模型， 將B-R印模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和量小的數(shù)據(jù)與TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)性有機(jī)融合在一起，通過(guò) TEN的限定自動(dòng)剖分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的初步自動(dòng)建模，然后根據(jù)地質(zhì)年代順序?qū)EN網(wǎng)格集進(jìn) 行空間布爾運(yùn)算，得到地質(zhì)體初步網(wǎng)格模型，再網(wǎng)格模型進(jìn)行表面提取與簡(jiǎn)化，得到混合 地質(zhì)體模型。
本發(fā)明采用了與以往完全基于體元剖分的地質(zhì)體自動(dòng)建模方法不同的技術(shù)路線，即采 用了混合數(shù)據(jù)模型，利用最小凸包生成算法，在實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體自動(dòng)構(gòu)模的情況下解決了面模 型不支持自動(dòng)構(gòu)模，而支持自動(dòng)構(gòu)模的體元剖分構(gòu)模又由于數(shù)據(jù)量巨大而不具有實(shí)用性的 問(wèn)題，因而具有如下主要優(yōu)點(diǎn)
其一.由于在數(shù)據(jù)離散插值與最小凸包集構(gòu)造部分中首先對(duì)原始地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了離散 插值處理，使得輸入數(shù)據(jù)可以是鉆孔、剖面、平峒和測(cè)量數(shù)據(jù)等，也可以是多種數(shù)據(jù)的混 合，從而能夠適應(yīng)基于多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維建模。
其二.利用EB-R印面體混合模型，將B-R印模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn)與 TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)性有機(jī)融合在一起。
其三.避免了表面建模的強(qiáng)交互性，實(shí)現(xiàn)了限定條件下的復(fù)雜地質(zhì)體的自動(dòng)建模。
其四.構(gòu)建的地質(zhì)體是真三維地質(zhì)體，能根據(jù)精度要求調(diào)整地質(zhì)體的的表面網(wǎng)格精度 和地質(zhì)體內(nèi)部體元網(wǎng)格精度。
其五.應(yīng)用廣可在各種三維建模軟件、GIS (地理信息系統(tǒng))軟件、測(cè)繪軟件、地 質(zhì)調(diào)查軟件、地下管線信息系統(tǒng)軟件等諸多專(zhuān)業(yè)軟件中使用。
總之，本發(fā)明利用EB-R印面體混合模型將B-R印模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的 優(yōu)點(diǎn)與TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)性有機(jī)結(jié)合，有效解決了面模型不支持自動(dòng)構(gòu)模，而支持自 動(dòng)構(gòu)模的體元剖分構(gòu)模又由于數(shù)據(jù)量巨大而不具有實(shí)用性的問(wèn)題；從而能夠適應(yīng)多種數(shù)據(jù) 源，能在多種專(zhuān)業(yè)軟件中推廣使用。


圖1是本發(fā)明的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，是一種能實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體 自動(dòng)構(gòu)建的基于EB-R印面體混合模型的三維地質(zhì)體構(gòu)模方法。本方法采用網(wǎng)格模型與 E-R印面模型混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，g卩利用EB-R印面體混合模型將B-R印 模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn)與TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)性有機(jī)融合在一起，通過(guò) TEN的限定自動(dòng)剖分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的初步自動(dòng)建模，然后根據(jù)地質(zhì)年代順序?qū)EN網(wǎng)格集進(jìn) 行空間B00L運(yùn)算，得到地質(zhì)體初步網(wǎng)格模型，再網(wǎng)格模型進(jìn)行表面提取與簡(jiǎn)化，得到混 合地質(zhì)體模型。
本發(fā)明提供的方法采用以下的步驟-
1) 數(shù)據(jù)離散插值與最小凸包集合構(gòu)造
先將原始地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散插值，并將相關(guān)地質(zhì)信息作為邊界限定條件附加在散點(diǎn)集 上，然后對(duì)離散點(diǎn)集進(jìn)行地質(zhì)年代分類(lèi)，計(jì)算每類(lèi)點(diǎn)集的最小凸包，并在分類(lèi)的散點(diǎn)子集 基礎(chǔ)上構(gòu)造基于B-R印的最小凸包集合。
2) 最小凸包集合的裁剪與剖分
將最小凸包集合按照地質(zhì)年代順序相互循環(huán)裁剪，裁剪后得到的面封閉實(shí)體作為網(wǎng)格 剖分的限定條件，并結(jié)合相關(guān)散點(diǎn)集合，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到混合地質(zhì)體模型。
3) 拓?fù)浣⑴c模型簡(jiǎn)化
先將混合地質(zhì)體模型建立拓?fù)潢P(guān)系，即先根據(jù)混合地質(zhì)體模型的表面模型與內(nèi)部網(wǎng)格 模型的面共用情況建立實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系，然后對(duì)表面模型和內(nèi)部網(wǎng)格模型進(jìn)行同步簡(jiǎn)化處 理，內(nèi)部網(wǎng)格模型是體元。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。
實(shí)施例
1. 數(shù)據(jù)離散插值處理，得到d維散點(diǎn)集"C^ ， R為d維歐氏空間，d=3;
2. 將散點(diǎn)集V分成m類(lèi)(VO,Vl，Vt,...,Vm-l)，每類(lèi)點(diǎn)集對(duì)應(yīng)于相應(yīng)地質(zhì)年代，并使 得在地質(zhì)過(guò)程中Vt-l的地質(zhì)年代早于Vt的地質(zhì)年代；
3. 循環(huán)計(jì)算Vt(03細(xì))的最小Convex Hull(凸包)Ct ，生成封閉的Fecets(面片)集合
Ft;
4. 循環(huán)裁剪運(yùn)算，用Ft裁剪Ft-l得到新的Ft-l;
5. 循環(huán)剖分運(yùn)算，以Vt點(diǎn)集，以Ft為限定條件，剖分得到d+l維的單體網(wǎng)格集合 Mt (如果c^3，則Mt為四面體網(wǎng)格)；
6. 由Ft與Mt構(gòu)成EB-R印中的地質(zhì)實(shí)體St;
7. 根據(jù)F0，…，F(xiàn)t,…，F(xiàn)m中的Facet (面片)共用情況建立S0，， St，， Sm 之間的拓?fù)潢P(guān)系；
8. 采用了 Simplex Collapse (單體塌陷)算法，對(duì)實(shí)體的表面與內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行簡(jiǎn)化。 在上面的八個(gè)步驟中，其中步驟3的最小Convex Hull的求取、步驟4的循環(huán)裁剪運(yùn)
算(曲面裁剪算法)、步驟5的循環(huán)剖分運(yùn)算(網(wǎng)格剖分算法)和步驟8的網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法 最為重要，本發(fā)明的技術(shù)的重點(diǎn)在于這四個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造面，需要通 過(guò)第四步的裁剪算法實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明在地質(zhì)過(guò)程中的只存在新生地層對(duì)老地層的地質(zhì)作用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多類(lèi)散點(diǎn) 數(shù)據(jù)的全自動(dòng)動(dòng)態(tài)建模，在存在多次新老地層交互地質(zhì)是能在交互千預(yù)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)構(gòu)模。
權(quán)利要求
1.一種三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其特征是一種基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，該方法采用網(wǎng)格模型與E-Rep面模型混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，即利用EB-Rep面體混合模型，將B-Rep模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn)與TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)特性有機(jī)融合在一起，通過(guò)TEN的限定自動(dòng)剖分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的初步自動(dòng)建模，然后根據(jù)地質(zhì)年代順序?qū)EN網(wǎng)格集進(jìn)行空間BOOL運(yùn)算，得到地質(zhì)體初步網(wǎng)格模型，再對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行表面提取與簡(jiǎn)化，得到混合地質(zhì)體模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其特征是采用以下的步驟1) 數(shù)據(jù)離散插值與最小凸包集合構(gòu)造先將原始地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散插值，并將相關(guān)地質(zhì)信息作為邊界限定條件附加在散點(diǎn)集 上，然后對(duì)離散點(diǎn)集進(jìn)行地質(zhì)年代分類(lèi)，并計(jì)算每類(lèi)點(diǎn)集的最小凸包，得到最小凸包集合；2) 最小凸包集合的裁剪與剖分將最小凸包集合按照地質(zhì)年代順序相互循環(huán)裁剪，再進(jìn)行網(wǎng)格剖分，得到混合地質(zhì)體 模型；3) 拓?fù)浣⑴c模型簡(jiǎn)化將混合地質(zhì)體模型建立拓?fù)潢P(guān)系，然后進(jìn)行模型面片與體元簡(jiǎn)化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其特征是在分類(lèi)的散點(diǎn)子集基礎(chǔ) 上構(gòu)造基于EB-R印的最小凸包集合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其特征是所述的最小凸包集 合，將其裁剪后得到的面封閉實(shí)體作為網(wǎng)格剖分的限定條件，結(jié)合相關(guān)散點(diǎn)集合，進(jìn)行網(wǎng) 格剖分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其特征是在拓?fù)浣⑴c模型簡(jiǎn)化 過(guò)程中，先根據(jù)混合地質(zhì)體模型的表面模型與內(nèi)部網(wǎng)格模型的面共用情況建立實(shí)體拓?fù)潢P(guān) 系，然后對(duì)表面模型和內(nèi)部網(wǎng)格模型進(jìn)行同步簡(jiǎn)化處理，內(nèi)部網(wǎng)格模型是體元。
6. —種將權(quán)利要求1至5中任一所述的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)方法，其在各種三維建模 軟件、地理信息系統(tǒng)軟件、測(cè)繪軟件、地質(zhì)調(diào)查軟件或地下管線信息系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于限定散點(diǎn)集的三維地質(zhì)體自動(dòng)重構(gòu)算法，其采用網(wǎng)格模型與E-Rep面模型混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，即利用EB-Rep面體混合模型，將B-Rep模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn)與TEN模型的可自動(dòng)重構(gòu)性有機(jī)融合在一起，通過(guò)TEN的限定自動(dòng)剖分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的初步自動(dòng)建模，然后根據(jù)地質(zhì)年代順序?qū)EN網(wǎng)格集進(jìn)行空間BOOL運(yùn)算，得到地質(zhì)體初步網(wǎng)格模型，再對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行表面提取與簡(jiǎn)化，得到混合地質(zhì)體模型。本發(fā)明有效解決了面模型不支持自動(dòng)構(gòu)模，而支持自動(dòng)構(gòu)模的體元剖分構(gòu)模又由于數(shù)據(jù)量巨大而不具有實(shí)用性的問(wèn)題；該算法能適應(yīng)多種數(shù)據(jù)源，能在多種專(zhuān)業(yè)軟件中推廣使用。
文檔編號(hào)G06T17/05GK101105865SQ200710052909
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者何珍文, 剛 劉, 劉軍旗, 吳沖龍, 孔春芳, 張夏林, 張志庭, 李偉忠, 李新川, 毛小平, 汪新慶, 田宜平, 廣 綦, 翁正平 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)