專利名稱：基于二體式三維數(shù)據(jù)結構的矢量剪切建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及需要建立地質(zhì)體的領域，如基礎地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、石油地質(zhì)、工程地質(zhì)、城 市地質(zhì)等領域。
技術背景長期以來，由于技術條件的限制，地質(zhì)學家對地質(zhì)現(xiàn)象的空間"感悟"只能通過把三維 變通為二維來表達。隨著信息技術的發(fā)展，3S (地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感 RS)等技術的深入應用，人們已不再滿足于處理地球表面的三維信息。從20世紀80年代后 期開始，開始嘗試利用地質(zhì)信息科學的成果來來探討建立三維數(shù)字地質(zhì)體模型，并進行數(shù)據(jù) 管理的可能性及技術方法。對地質(zhì)界面的構建，目前采用的方法主要有剖面成面法、直接點面法，以及拓撲分析方 法等。剖面成面法的基本思路是在生成大量的地質(zhì)剖面的基礎上，應用曲面構造法(趨勢面 法、數(shù)字高程模型DEM生成技術)來生成各個層面，進而來表達三維體。直接點面法的基本 思路是直接將原始的線狀數(shù)據(jù)進行有效的分層，直接根據(jù)各個層面的標高，應用曲面構造法 (趨勢面法、DEM生成技術)來生成各個層面。拓撲分析法的基本思路是基于各個層面的離 散點，通過分析這些點的空間拓撲關系來構造地質(zhì)體。目前來說進行拓撲分析基本采用六面 體、四面體模型，或者是Delaunay四面體模型等。在本質(zhì)上，拓撲分析法與剖面成面法、直 接點面法沒有什么區(qū)別，還是從離散的點出發(fā)去構造地質(zhì)層面。建造實體幾何法(CSG法Constructive Solid Geometry)、邊界表示法和掃描表示法 是三維建模中常用的具有廣泛代表性的三種空間數(shù)據(jù)模型。CSG方法的優(yōu)點在于數(shù)據(jù)結構比 較簡單、數(shù)據(jù)量小和內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理比較容易，但是由于實體的邊界幾何元素(點、線、面) 是隱含表示的，不便于在計算機上顯示與繪制，也不易實現(xiàn)三維實體的集合運算(并、交、補 等運算)。邊界表示法(B-R印Boundary ^presentation)優(yōu)點是表示實體的點、線、面等 幾何元素是顯露的，能比較快地繪制出來，并且可方便地對體進行多種操作和運算，缺點是 數(shù)據(jù)結構復雜，需要占用大量的存儲空間，對復雜地質(zhì)體處理起來要耗費大量的時間，對硬 件的要求較高；掃描表示法通過對簡單圖形進行平移、旋轉及其它對稱變換來建造三維實體， 它能容易地表示規(guī)則的三維實體，但難于描述形態(tài)較復雜的不規(guī)則三維實體。"二體式結構"的提出和使用，克服了 B-R印模型占用大量存儲空間的缺點。在優(yōu)化的 B-R印邊界表示法(即"二體式結構")里，空間對象被分解為四類基本元素的集合，即點、 線、面和體，每一類元素由幾何數(shù)據(jù)類型標志及相互間的拓撲關系組成。三維實體用它的邊 界來表示，并且通過空間拓撲結構關系來建立各邊界的聯(lián)系，既有利于三維地質(zhì)體內(nèi)部實體 的各種空間位置和拓撲關系的保持，也有利于進一步對三維地質(zhì)體進行矢量剪切及動態(tài)演化 模擬
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于二體式三維數(shù)據(jù)結構的矢量剪切建模方法， 以便快速建立復雜的地下地質(zhì)體三維模型。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是先建一個范圍比目標對象稍大的簡單體A， 中間若有一個分界面，則將分界面外延，并用矢量剪切方法即用分界面將體A—分為二，并 賦予分出來的體需要的屬性，同時使其數(shù)據(jù)結構符合"二體式"數(shù)據(jù)結構，這種裁剪是無損 的，之后根據(jù)體內(nèi)部需要細分的分界面的多少采用類似的方法來逐步細化到各最小的地質(zhì)單 元體，直至達到精度要求為止，最終生成符合要求的三維模型。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的主要優(yōu)點(1) 大幅度降低了采用傳統(tǒng)B-R印方法建立三維模型的數(shù)據(jù)量，又保留了該方法顯著的優(yōu)點；(2) 建模的過程轉換為直觀地、可由用戶控制的剪切過程，既直觀又方便；(3) 由于上述兩條的優(yōu)點，可加快建模的速度和可控制性，使所建三維模型既符合用戶 的各項要求，又可以降低對硬件的要求，以及能夠提高建模的速度，因而具有廣泛的用途。


圖1是原始體對象剖面圖的示意圖。圖2是原始體對象用Sl面切后的剖面圖的示意圖(得到VI和V2)。 圖3是用S2面切體V2后的剖面圖的示意圖(得到V21和V22)。
具體實施方式
本發(fā)明是一種新的地質(zhì)體三維建模技術，是地質(zhì)與信息技術的結合，采用獨特的"二體式" 數(shù)據(jù)結構和完善的矢量剪切方法，把地下復雜地質(zhì)體的三維建模問題轉換為采用各個地質(zhì)體 單元的分界面對一個簡單的規(guī)則實體進行反復切割的過程。切割完成則地下復雜地質(zhì)體的三 維模型也就建立起來。本發(fā)明的具體步驟是(1) 建立比目標對象稍大的簡單體A，體A可以是簡單的長方體或正方體，只要體A能 完全包含研究區(qū)域(即目標對象)就行。(2) 依據(jù)"二體式"數(shù)據(jù)結構特點和各分界面的分布，采用矢量剪切的方法，把簡單體 A逐步細化為符合要求的多個地質(zhì)體單元。每個矢量剪切過程都包括兩個步驟①曲面與曲面求交，②用線或面或體對需要剪切的體進行裁剪后，根據(jù)體拓樸結構補充切口，使切后的體仍能封閉成體。用線或面或體對面或體對需要剪切的體進行裁剪后，原來的面或體的所有屬性和精度保 持不變。體分割后，各體是完整的體，沒有空腔，而且各體單元之間無縫。(3) 模型交互修正對出現(xiàn)不符合用戶要求的部分進行調(diào)整。(4) 用實際邊界對生成的具有規(guī)則邊界的模型進行剪切，裁調(diào)多余部分，形成最終的三維模型。
本發(fā)明通過多次無損裁剪方法，可以快速建立地下地質(zhì)體的三維模型。地下地質(zhì)體的建 模過程是將三維空間中的一個簡單體用不同的地質(zhì)界面反復切割，使簡單的空間體變成復 雜的地質(zhì)體。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。1. 搜集研究區(qū)測繪與地質(zhì)資料。2. 確定研究區(qū)的邊界，選擇建立一個比研究區(qū)稍大的長方體或正方體(要求完全包含研 究區(qū)三維空間)，作為初始的體對象(即原始體，下同)。附圖l是原始體對象的剖面示意圖， 此時的原始體是一個簡單的單一空間體。3. 建立各個地質(zhì)分界面(如地表面、各地層界面、巖漿侵入界面、地上或地下水位面、 各級風化面、各斷層等構造界面等等地質(zhì)界面)輸入或?qū)脒@些信息的原始樣本信息，包括點狀信息、線狀或面狀信息等，并采用克里 金法或最小平方反距離等方法內(nèi)插外推得到這些分界面。4. 以地表面剪切原始體，并疊加地表各類信息形成地表面。5. 以一定的順序(如各地質(zhì)單元產(chǎn)生的先后順序)，用各地質(zhì)界面剪切原始體，并賦給相 應的地質(zhì)屬性，如地層類就賦給相應的地層屬性等等；從而建立各個地質(zhì)單元體，并形成初步的研究區(qū)三維模型。見圖2，用Sl面剪切原始體后，此時的原始體被切割成兩個體VI和V2， Sl面是分界面， 也是兩體的公用面；見圖3，用S2面切割體V2的方法是首先用S2面剪切V2，得到V21和V22兩個體，V22 體再被S3和S4面切割，得到V221、 V222和V223三個體。此時原始體已經(jīng)成為VI、 V21、 V221、 V222和V223五個體的組合體。依次類推，用各地質(zhì)界面多次反復剪切原始體，使原始體由簡單單一的空間體成為復雜 的地質(zhì)空間實體。6. 以地表工區(qū)邊界線(可以是任意形狀)剪切整個三維模型，形成最終的成果模型。 本發(fā)明采用的二體式結構是一種新的三維數(shù)據(jù)結構(已申請發(fā)明專利)，是對B-R印邊界表示法的優(yōu)化與改進，將空間三維實體分為線對象(Polyline Object)、多邊形對象(Polygon 0bject)、曲面對象(Surface Object)、標注對象(Text Object)和體對象(Volume 0bject) 等，實體的三維模型由大量的體單元組成，每個體單元不必都要有完全獨立的各個面，所有 相鄰的體單元都有一個共同擁有的公共面，即在"二體式"數(shù)據(jù)結構中，相鄰兩個體單元接 觸部分的兩個面由一個共用面代替(被合并成為一個面)，構成二體共面結構，所述共用面具 有兩個體單元的屬性。二體式結構的這種特點，既有利于三維實體內(nèi)部各種空間位置和拓撲 關系的保持，也有利于進一步對三維實體進行矢量剪切及動態(tài)演化模擬。
權利要求
1.基于二體式三維數(shù)據(jù)結構的矢量剪切建模方法，其特征是先建一個范圍比目標對象稍大的簡單體A，中間若有一個分界面，則將分界面外延，并用矢量剪切方法即用分界面將體A一分為二，并賦予分出來的體需要的屬性，同時使其數(shù)據(jù)結構符合“二體式”數(shù)據(jù)結構，這種裁剪是無損的，之后根據(jù)體內(nèi)部需要細分的分界面的多少采用類似的方法來逐步細化到各最小的地質(zhì)單元體，直至達到精度要求為止，最終生成符合要求的三維模型。
2. 根據(jù)權利要求1所述的矢量剪切建模方法，其特征是采用以下步驟的方法(1) 建立比目標對象稍大的簡單體A;(2) 依據(jù)"二體式"數(shù)據(jù)結構特點和各分界面的分布，采用矢量剪切的方法，把簡單體 A逐步細化為符合要求的多個地質(zhì)體單元，每個矢量剪切過程都包括兩個步驟①曲面與曲面求交，②用線或面或體對需要分割的體進行裁剪后，根據(jù)體拓樸結構補充切口，使切后的體仍能封閉成體；(3) 模型交互修正；(4) 用實際邊界剪切模型，形成最終的三維模型。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的矢量剪切建模方法，其特征是體分割后，各體之間是無縫的。
4. 根據(jù)權利要求2所述的矢量剪切建模方法，其特征是切后的體是完整的體，沒有空腔。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的矢量剪切建模方法，其特征是用線或面或體對面或體對體 進行裁剪后，原來的面或體的所有屬性和精度保持不變。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的矢量剪切建模方法，其特征是通過多次無損裁剪方法快速 建立地下地質(zhì)體的三維模型。
7. 根據(jù)權利要求6所述的矢量剪切建模方法，其特征是地下地質(zhì)體的建模過程是將三 維空間中的一個簡單體用不同的地質(zhì)界面反復切割，使簡單的空間體變成復雜的地質(zhì)體。
全文摘要
本發(fā)明提供的基于二體式三維數(shù)據(jù)結構的矢量剪切建模方法是先建一個范圍比目標對象稍大的簡單體A，中間若有一個分界面，則將分界面外延，并用矢量剪切方法即用分界面將體A一分為二，并賦予分出來的體需要的屬性，同時使其數(shù)據(jù)結構符合“二體式”數(shù)據(jù)結構，這種裁剪是無損的，之后根據(jù)體內(nèi)部需要細分的分界面的多少采用類似的方法來逐步細化到各最小的地質(zhì)單元體，直至達到精度要求為止，最終生成符合要求的三維模型。本方法具有廣泛的用途，可應用于與地質(zhì)體有關的地質(zhì)、石油、礦山、水電、城市地質(zhì)、工程地質(zhì)、土木工程建筑等領域。
文檔編號G06T17/05GK101118653SQ20071005307
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權日2007年8月30日
發(fā)明者何珍文, 剛 劉, 劉軍旗, 吳沖龍, 張夏林, 張志庭, 毛小平, 田宜平, 翁正平 申請人:中國地質(zhì)大學(武漢)