专利名称：地层和断层数据网格自动生成的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种地层和断层数据网格自动生成的系统和方法。
背景技术：
近年来，在计算机图形学领域，随着真实感图形生成技术的发展以及分形几何、小波分析等理论的引入，人们已可以利用计算机模拟生成许多十分逼真的自然景物(包括地形、植物、云、火、海浪、草地、喷泉等)。在飞行模拟器、军事训练模拟器、船舶操纵模拟器等的虚拟自然环境中，核心技术之一是视景模拟，而三维地形是视景中最基本的虚拟自然环境景物，是视景系统的重要组成部分。由于实际地形起伏千差万别，使得三维真实感地形模拟的数据量极大，因此在建模和实时显示两方面都对计算机的图形处理能力提出了很高的要求。计算机图形硬件加速器的发展对三维地形的实时显示起到了关键的作用，但是在实际地形建模中，所需的图形数据量仍比硬件可以实时显示的数据量大一个或多个数量级，如为有效地表现真实世界的材质与纹理而提出的双向反射分布函数(BRDF)和双向纹理函数(BTF)在512*512精度的地形上就需要几十G的存储量，而且应用模型的复杂程度也常常超过当前图形工作站的实际处理能力。因此，在实际应用中，通常试图通过算法和软件技术，在现有计算机性能和硬件水平上，综合考虑显示速度与生成图形效果之间的关系，以生成满足不同几何精度和逼真度要求的真实感三维地形图形。如1996年Lindstrom提出一种基于均匀网格，并与视点相关的连续的细节层次实时地形绘制算法，他们采用四又树来管理地形场景，并采用屏幕误差判定条件建立树节点评价函数。1998年Hoppe将其视点相关变化网格(View Dependent Progressive Meshes，VDPM)应用到地形中，实现了大规模地形的实时绘制和漫游，他们先将地形分成大块，对每块分别用变化网格的思想进行预处理，记录简化过程的信息，通过这些信息在不同的视点位置实时生成三角形网格。2004年Losasso等提出一种基于LOD的实时地形绘制算法，该算法采用一种环形数据结构，使得在视点移动、转动时，能够高效的更新地形数据，地形数据使用Vertex Buffer Object扩展绘制，该算法还对地形数据进行压缩，使得原来40G的地形数据也能够作为实时漫游场景。
等高线是地形数据中一类比较特殊而又重要的线，它表达了地形上高度相同的点在水平面上的投影轨迹。由等高线重构高度场可以看作是由三维空间中的点进行三维重构的一个特例，而这方面已有很多成果。已有的方法有距离反比法、PDE方法和共轭梯度法。而在许多实际应用中，由于数据量和计算量的关系，一般都会简化地层模型，只处理等高线而不考虑断层的区域。如现有的方法中，距离反比法并不能很好的重构等高线，因为这种方法不能有效的分析和处理断层线的信息，PDE方法和共轭梯度法能够得到好的结果，但是速度让人无法接受。因而这些方法建立的三维地形由于没有断层的信息，所以不适用于地下勘探和测量等领域。
发明内容
因此，在该技术领域需要一种自动生成地层包含断层数据网格的系统和方法，该系统和方法能够将真实地层包含断层快速地在电脑显示屏上显示出来。
为解决上述技术问题，本发明首先借鉴计算机视觉中经典的区域增长方法，并辅以表面张力阈值，以等高线所处位置为初始值，断层线为边界，进行一次增长，增长所得的部分即为高度场部分。然后，本发明克服了距离反比法中由于断层线的存在，点到等高线的垂直距离可能穿越断层线的问题，采用“测地距离”来代替垂直距离，用这种改进后的距离反比法重构高度场，并继续使用区域增长方法，让每条等高线作为一个初始实体进行增长，在每个点存储下最近的两条等高线的增长深度，再进行插值。在二次区域增长之后，每个点上已经得到了一个比较准确的高度值，将该值作为最终高度场的值也比较准确。但为了得到更加平滑的表面和更加准确的高度场，本发明将已经生成的高度场值作为初始值，使用共轭梯度法优化，由于给定了比较准确的初值，收敛很快。这样就得到了地层中断层的截面情况，最后把地层和断层在显示器上绘制出来作为本发明的另一种改进，由于传统的等高线生成高度场算法没有考虑断层的情况，本发明将点到等高线的距离重新定义为不被断层线隔断的最小折线距离(即本发明中的“测地距离”)，这样可以继续使用原来的算法来处理含断层数据的高度场，从而保留了原算法效率高、速度快的特性。
本发明公开了一种地层和断层数据网格自动生成的方法，该方法包括如下步骤断层区域确定步骤，根据输入数据建立均匀的网格高度场，结合断层线命名规范，确定断层区域；网格点连接步骤，根据断层线穿过的网格确定网格点的连接关系；网格点高度值确定步骤，采用二次区域增长法确定每个网格点高度值；绘制步骤，对多层的断层线网格点进行匹配，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中断层截面的情况。
在上述方法中，可以采用均匀网格的地形模型处理地层和断层数据。
在上述方法中，可以采用从等高线生成高度场传统的方法建立高度场。
在上述方法中，可以重新定义点到等高线的测地距离为不被断层线隔断的最小折线距离。
在上述方法中，可以预先设定区域增长深度的大小。
在上述方法的绘制步骤中，可以使用网格点表面的法向值作为该点的颜色来显示。
本发明还公开了一种地层和断层数据网格自动生成的系统，该系统包括断层区域确定装置，该装置根据输入数据建立均匀的网格高度场，结合断层线命名规范，确定断层区域；网格点连接步装置，该装置根据断层线穿过的网格确定网格点的连接关系；网格点高度值确定装置，该装置采用二次区域增长法确定每个网格点高度值；绘制装置，该装置对多层的断层线网格点进行匹配，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中断层截面的情况。
在上述系统中，断层区域确定装置采用了从等高线生成高度场传统的方法建立高度场。
在上述系统中，断层区域确定装置可以预先设定区域增长深度的大小。
在上述系统中，绘制装置使用网格点表面的法向值作为该点的颜色来显示。
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图1为本发明的结构流程图。
图2为本发明中采用的均匀网格模型示意图。
图3为确定断层区域的示意图。
图4为本发明中重新定义点到等高线的测地距离示意图。
图5为断层线割断相邻网格点连接的示意图。
图6为二次区域增长法确定网格点高度值的示意图。
图7为多层地层的断层线之间的网格匹配示意图。
图8为本发明输入数据和输出结果的效果图。
具体实施例方式
图1为本发明的结构流程图。输入数据为多层的地层数据，用Autocad R12/LT2 dxf文件表示。本发明通过读取相应的dxf文件，即可取得等高线数据和断层线数据。断层线分为两种无匹配的断层线和有匹配的断层线(即在同一地层中，两条断层线相互对应，这两条断层线之间的区域即为断层区域)，可参见图3中的斜线区域(10)。为方便断层线的处理和匹配，本发明对dxf文件中断层线的存储做了如下规范每条断层线单独占用dxf文件中的一个层，该层的命名必须以FAULTAGE开头。对于无匹配的断层线，断层线的命名为FAULTAGE_(一个大写字母)。如FAULTAGE_A，FAULTAGE_B。对于有匹配的断层线，两条断层线的命名分别为FAULTAGE_(一个大写字母)1和FAULTAGE_(同一大写字母)2，并一定成对出现。如FAULTAGE_C1和FAULTAGE_C2。不同地层之间，相同名字的断层线自动匹配。如上一地层中的FAULTAGE_A和下一地层中的FAULTAGE_A自动匹配，生成断层截面。根据输入数据的包围盒建立均匀的网格高度场(11)，结合我们的断层线命名规范，确定断层区域(12)。然后根据断层线穿过的网格确定网格点的连接关系(13)。采用二次区域增长法确定每个网格点高度值(14)。对多层的断层线网格点进行匹配(15)，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中断层截面的情况(16)。
图2为本发明中采用的均匀网格模型示意图。在均匀网格模型中，数据通过存储一块方形均匀网格上每一网格点的高度值来表示。其他位置的高度值应通过该位置最近的四个网格点高度值用双线性插值的方法插值得到。
图3为确定断层区域的示意图。数字化之后的断层线分两种一种没有匹配，如断层线(1)；一种有匹配，如断层线(2和3)，(4和5)，(6和7)，(8和9)，均有两条匹配的相对应；其余的线条均为等高线。匹配断层线内的区域即为断层区域，斜线区域(10)即为断层线(8)和断层线(9)相匹配后所确定的断层区域。
图4为本发明中重新定义点到等高线的测地距离示意图。本发明在计算高度场时采用了一种比较简便的从等高线生成高度场算法对于任意一点P，h1和h2分别为离P点最近的两条等高线，d1和d2分别为P点到两条等高线的距离，那么用如下公式确定P点的高度值hP=(h1*1d1+h2*1d2)/(1d1+1d2)]]>但是，对于有断层线的情形，图4中线条(43)和线条(44)均为断层线，断层线将P点到等高线h1的直线段d1隔开，因此，我们把d1和d2重新定义为P点到两条等高线的测地距离(即不被断层线隔断的最小折线距离)，即可仍用上述公式确定P点的高度值。
图5为断层线割断相邻网格点连接的示意图。断层线(50)经过之处会隔断相邻网格点的连接，如网格点(51)和网格点(52)，网格点(53)和网格点(54)，网格点(53)和网格点(55)，网格点(56)和网格点(57)，网格点(58)和网格点(59)，网格点(51’)和网格点(52’)，网格点(52’)和网格点(53’)。两网格端点被断层线所隔断，使得在区域增长法生成高度时，两网格点不会相互影响。其余相邻网格点生成高度时会相互影响。
图6为二次区域增长法确定网格点高度值的示意图。区域增长法是计算机视觉中用于颜色识别的一种方法。本发明中我们将现有技术中的区域增长法进行了修改，用于计算网格点到等高线的测地距离，进而确定网格点的高度值。方法步骤以每条等高线为一个实体，以该等高线所在的网格点为起点，对连接着的网格点进行区域增长，并在每个网格点记录下与其最近的两条等高线和到两条等高线的测地距离(即增长深度)，利用测地距离插值得到该网格点的高度值。另外，给定一个增长深度限制值，即每条等高线的最大区域增长深度值，如果增长深度达到该值，即停止增长。
为说明简单起见，图6中总共只有一条断层线和两条等高线，其中线条(60)为断层线，线条(61)和线条(62)为两条不同的等高线。从等高线开始，一个点一个点的进行增长，这样，在每个网格点处即可记录下增长的深度，即测地距离。图6中显示的每个网格点下方和上方的值即为该点到等高线(61)和到等高线(62)的测地距离。由图中还可以看出，若预先设定的增长深度限制值为3，则细线条(63)之外的点为无定义区域。
图7为多层地层的断层线之间的网格匹配示意图。多层地层之间，需要在匹配的断层之间绘制截面。由于在不同层的地层之间，已经通过断层线的名称指定好了匹配的断层线，所以只需在匹配的断层线之间绘制三角面即可。根据断层线的长度做合适的三角划分，然后绘制这些三角面即可。图7中的断层线(70)有5个顶点(70’，71’，72’，73’，74’)，断层线(71)有3个顶点(75’，76’，77’)，我们能够得到如下的一种三角划分三角形(70’，71’，75’)，三角形(71’，75’，76’)，三角形(71’，72’，76’)，三角形(72’，76’，77’)，三角形(72’，73’，77’)，三角形(73’，74’，77’)，而这种三角划分完全满足绘制的要求。
图8为本发明输入数据和输出结果的效果图。图中的上半部分(81)是输入的等高线和断层线效果图，图中的下半部分(82)是系统绘制输出的三维效果图。图中不但表现出遵从输入等高线的可视化三维地形，还清楚的显示出断层的三维模型，完全符合输入的断层线，这是以往重构方法所达不到的。生成高度场之后，对于每个网格点，本领域技术人员能够知道，该网格点位于断层区域、高度场区域还是未定义区域以及该网格点的高度值。对于未定义区域，不予显示；对于断层区域，统一使用一种颜色显示，以标明该区域为断层区域；对于高度场区域，为表现地层的凹凸感，系统使用网格点表面的法向值作为该点的颜色来显示。如图8所示，本领域技术人员可以看到，本发明的优点是能够自动生成地层和断层数据的网格，并且能够快速地三维显示断层截面的效果。
权利要求
1.一种地层和断层数据网格自动生成的方法，其特征在于该方法包括如下步骤断层区域确定步骤，根据输入数据建立均匀的网格高度场(11)，结合断层线命名规范，确定断层区域(12)；网格点连接步骤，根据断层线穿过的网格确定网格点的连接关系(13)；网格点高度值确定步骤，采用二次区域增长法确定每个网格点高度值(14)；绘制步骤，对多层的断层线网格点进行匹配(15)，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中断层截面的情况(16)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于采用了均匀网格的地形模型处理地层和断层数据(21和22)。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于采用了从等高线生成高度场传统的方法建立高度场。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于重新定义点到等高线的测地距离为不被断层线隔断的最小折线距离(41和42)。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于可以预先设定区域增长深度的大小。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于在绘制步骤中使用网格点表面的法向值作为该点的颜色来显示。
7.一种地层和断层数据网格自动生成的系统，其特征在于该系统包括断层区域确定装置，该装置根据输入数据建立均匀的网格高度场(11)，结合断层线命名规范，确定断层区域(12)；网格点连接步装置，该装置根据断层线穿过的网格确定网格点的连接关系(13)；网格点高度值确定装置，该装置采用二次区域增长法确定每个网格点高度值(14)；绘制装置，该装置对多层的断层线网格点进行匹配(15)，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中断层截面的情况(16)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于断层区域确定装置采用了从等高线生成高度场传统的方法建立高度场。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于断层区域确定装置可以预先设定区域增长深度的大小。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于绘制装置使用网格点表面的法向值作为该点的颜色来显示。
全文摘要
本发明涉及一种地质地层包含断层数据网格自动生成的系统和方法。该方法包括下述步骤读取等高线和断层线数据，根据输入数据的包围盒建立均匀的网格高度场(11)，结合断层线命名规范，确定断层区域(12)；然后根据断层线穿过的区域来确定网格点的连接关系(13)；采用二次区域增长法确定高度场每个网格点的高度值(14)；对多层的断层线网格点进行匹配(15)，最后在显示器上绘制出地层断层以及多层地层中的断层截面情况(16)。基于上述方法，可以自动生成地层和断层数据的网格，并且能够快速地三维显示断层截面的效果。
文档编号G06T17/05GK1916970SQ20061015212
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者胡事民, 张松海, 徐昆, 韩东 申请人:清华大学