一种三维地质剖面模型动态构建方法与流程

本发明涉及在显示屏上展示虚拟现实技术，特别涉及通过对地质的情况进行模拟，实现地质数据模型的构建，可应用于工程地质与矿产地质领域，在工程地质和能源矿产地质中勘察成果的表达，与岩土工程相关的设计、分析、施工中的勘察成果的表达和能源矿产相关的设计、开采、修复中勘察成果的表达，提高地下空间规划效率的三维地质剖面模型动态构建方法。

背景技术：

在传统的工程地质、水文地质、资源勘探与开发和矿床地质等地质相关领域中，通常通过勘测后通过采用剖面图、等值线图等纸质或者电子版二维图件来表达地质体的构造形态特征和属性特征进而进行数据的分析。这些二维图件直观性较差，需要专业人士通过经验借助仪器设备出具分析报告，且在测算分析时会有误差出现的可能性且不能直观的观测到地质信息。如果用三维地质模型来直观地表达地质体，将可以提供可视化的、详细的地质体资料，能直接、完整、准确地理解和分析地质体的特征，这可以弥补传统的地质学研究模式、工作方法与技术手段的不足，可以帮助我们在地下空间的合理应用起到辅助作用。同时，也可以帮助我们在地下矿藏的开采提供大量的数据信息。

三维地质模型是一个基于数据/ 信息分析合成的学科，是一个综合使用先进的GIS技术、遥感技术、数据库技术、数据仓库技术、三维可视化技术和计算机网络技术等各种学科的学科。最常见的地质模型是用一定垂向地层间隔的代表性基本层序表示该间隔地层组成、结构、沉积环境的剖面模型。

但是，由于地质信息位于地下，与地上空间相比隐蔽性更强，地质信息不宜被观测，地下设施在建设完善后不宜改变和维护。同时，地质行业涉及空间的多层性、地质构造的复杂性和采样数据的相对稀疏性，因而描述地质体时就不可避免的产生了不确定性。

所以，怎样快速的构建三维地质模型，提高工作效率，是目前解决三维地质建模推广的关键问题。利用离散的钻孔进行地质剖面可视化重构是地质构造、矿产资源评价和各种数据场分布特征研究最为直观的研究手段。在此提出一种地质剖面的实现方法。即在对数据进行预处理的基础上，采用数据挖掘方法，通过在句法、语义以及模型层面上的三维空间数据无缝集成，实时构建区域地质模型结构，再通过模型碰撞检测和相交计算，动态构建实时的地质剖面模型。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种三维地质剖面模型动态构建方法，本发明可以通过对地下数据进行预处理的基础上，采用数据挖掘方法，通过在句法、语义以及模型层面上的地质数据无缝集成，实时更新实现多源数据有效整合及各种规模的地下空间的三维剖面的高效创建；通过对地层的分布情况进行模拟，实现地下空间地质剖面数据模型的动态实时构建，改变传统的城市地质工作和城市地下空间利用的粗放形式，辅助解决地面沉降、地下水污染、土壤污染、人为诱发地震、海岸和河岸侵蚀、滑坡、岩溶塌陷等地质问题，提高地下空间规划的科学性、安全性和为地下矿藏的采集提供可靠的依据，协调发展与地质环境间的关系。应用于工程地质与矿产地质领域，在工程地质和能源矿产地质中勘察成果的表达，与岩土工程相关的设计、分析、施工中的勘察成果的表达和能源矿产相关的设计、开采、修复中勘察成果的表达，提高地下空间规划效率。解决了目前地层模型展示方式单一的问题，提升了地层信息统一展示、管理和分析水平。通过实时构建三维地质剖面而达到可以实时以三维形式浏览地下空间场景，实现了多平台数据一体化；为三维模型带来了全新的体验，促进了逼真、精细建模的效果。为城市地下空间规划建设尤其是对未来智慧城市搭建中的地下空间信息的获取和构建方案上起到了重要的辅助作用。在促进城市建设的快速发展，带动城市地下空间资源的大规模开发，在推进城市地下空间向定向、有序的发展，并推进城市空间的立体开发和地下商业交通的开发利用发挥重要的作业；充分开发利用地下空间资源的防护潜能，对提高城市综合防灾抗毁能力起到了一定辅助作用。同时，在地下矿藏开发地质研究工作中，三维地质剖面建模完全可以在地质研究中起到更为突出的作用，可以成为地下矿藏开发阶段矿藏精细描述和生产措施部署的核心技术。

本发明实施例提供一种三维地质剖面模型动态构建方法，包括如下步骤：

设定剖面：通过多组坐标点形成剖面线，对通过剖面线的剖面进行角度和长度设定，形成地层剖面的构建范围，同时对三维空间中的地层剖面构建其包围盒，并将包围盒的边长向四周扩展，作为地质数据获取范围；

地下数据提取、判断和完善:将地质数据获取范围内所包含的地下信息进行提取，对地下数据进行空间分析，判定是否构建地层数据结构；

地层数据提取与调整：对每个地层信息按照地层编号逐层提取；对地层数据进行判断和调整；确定各个地层的三维模型组织结构；

将地层剖面与地层数据结构进行相交：通过地层数据结构与剖面相交获取的相交面即为地层模型在剖面上投影范围；

生成剖面数据结构：分别构建剖面上的各个投影范围，形成剖面上各个地层的数据结构，并将生成的剖面地层数据结构进行记录；

形成三维模型：将剖面地层数据结构进行渲染可视化，形成可展示的地层剖面三维模型。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述地下数据提取、判断和完善:将地质数据获取范围内所包含的地下信息进行提取，对地下数据进行空间分析，判定是否构建地层数据结构；

所述对数据进行判断和完善的具体步骤为：当地质数据获取范围内包含的钻孔数据极少，则判断该区域内不能构建虚拟地下数据；当地质数据获取范围内数据丰厚，数据分布不均衡，则以地质数据获取范围内数据为基础，在数据分布稀疏的范围内进行插值操作，构建地层数据结构。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，地层数据提取与调整：对每个地层信息按照地层编号逐层提取；对地层数据进行判断和调整；确定各个地层的三维模型组织结构；

所述地层数据提取与调整的具体步骤为：根据所述地层缺失情况和所述地层透镜体情况实时调整与该地层数据以及与其相关联的其它地层结构；

当出现有缺失地层的地下空间数据，其周围最近距离的地下空间数据关联的地层结构会在两者之间尖灭，同时调整该缺失地层紧邻的上层和下层地层的结构；

当出现有透镜体地层的地下空间数据，其关联的地层结构会在其周围最近距离的地下空间数据之间尖灭，同时调整该透镜体地层紧邻的上层和下层地层的结构。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述将地层剖面与地层数据结构进行相交：通过地层数据结构与剖面相交获取的相交面即为地层模型在剖面上投影范围；

所述将地层剖面与地层数据结构进行相交的具体步骤为：

根据地层数据结构构建地层数据模型：在地质数据获取范围内构建以地层为标准的分层模型结构，在地层数据结构中以地层为标准逐层提取地层信息，构建封闭的地层数据模型；

获取地层投影面：用地层剖面与地层数据模型进行逐层相交，将地层模型的封闭边界与剖面进行相交计算获取相交线，相交线与剖面边界形成该地层的在剖面上的投影范围，记录该投影范围边界值以及对应的地层属性信息；

透镜体的处理：在剖面上透镜体的投影范围与地层的投影范围重合，剔除重合的地层部分，保留透镜体部分。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述形成三维模型：将剖面地层数据结构进行渲染可视化，形成可展示的地层剖面三维模型；

所述形成三维模型的具体步骤为：将地层标识图例统一化处理；依据地层模型在地质剖面上投影的各个点的坐标以及坐标所在面的轴向，计算坐标的法线坐标；依据法线坐标计算纹理坐标或者颜色坐标；设置纹理或者颜色。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述三维模型可实时动态更新地层剖面模型，根据剖面线位置、剖面角度的变化而形成三维剖面模型。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述三维模型可动态创建地层剖面模型，对构建的三维模型进行浏览、查询、分析。

一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中，所述剖面线包括：直线、折线和直线与折线的组合。

由此可见：

本发明实施例中的三维地质剖面模型动态构建方法法可以满足：

通过对数据进行预处理的基础上，采用数据挖掘方法，通过在句法、语义以及模型层面上的地质数据无缝集成，实时更新实现多源数据有效整合及各种规模的地下空间的三维剖面的高效创建；通过对地层的分布情况进行模拟，实现地下空间地质剖面数据模型的动态实时构建，改变传统的城市地质工作和城市地下空间利用的粗放形式，辅助解决地面沉降、地下水污染、土壤污染、人为诱发地震、海岸和河岸侵蚀、滑坡、岩溶塌陷等地质问题，提高地下空间规划的科学性、安全性和为地下矿藏的采集提供可靠的依据，协调发展与地质环境间的关系。应用于工程地质与矿产地质领域，在工程地质和能源矿产地质中勘察成果的表达，与岩土工程相关的设计、分析、施工中的勘察成果的表达和能源矿产相关的设计、开采、修复中勘察成果的表达，提高地下空间规划效率。解决了目前地层模型展示方式单一的问题，提升了地层信息统一展示、管理和分析水平。通过实时构建三维地质剖面而达到可以实时以三维形式浏览地下空间场景，实现了多平台数据一体化；为三维模型带来了全新的体验，促进了逼真、精细建模的效果。为城市地下空间规划建设尤其是对未来智慧城市搭建中的地下空间信息的获取和构建方案上起到了重要的辅助作用。在促进城市建设的快速发展，带动城市地下空间资源的大规模开发方面，在推进城市地下空间向定向、有序的发展，并推进城市空间的立体开发和地下商业交通的开发利用发挥重要的作业；充分开发利用地下空间资源的防护潜能，对提高城市综合防灾抗毁能力起到了一定辅助作用。同时，在地下矿藏开发地质研究工作中，三维地质剖面建模完全可以在地质研究中起到更为突出的作用，可以成为地下矿藏开发阶段矿藏精细描述和生产措施部署的核心技术。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的三维地质剖面模型动态构建方法的流程示意图；

图2为本发明提供的三维地质剖面模型动态构建方法中将地层剖面与地层数据结构进行相交步骤的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

图1为本实施例提供的三维地质剖面模型动态构建方法的流程示意图，如图1所示，该方法如下步骤：

设定剖面：通过多组坐标点形成剖面线，对通过剖面线的剖面进行角度和长度设定，形成地层剖面的构建范围，同时对三维空间中的地层剖面构建其包围盒，并将包围盒的边长向四周扩展，作为地质数据获取范围；

地下数据提取、判断和完善:将地质数据获取范围内所包含的地下信息进行提取，对地下数据进行空间分析，判定是否构建地层数据结构；

地层数据提取与调整：对每个地层信息按照地层编号逐层提取；对地层数据进行判断和调整；确定各个地层的三维模型组织结构；

将地层剖面与地层数据结构进行相交：通过地层数据结构与剖面相交获取的相交面即为地层模型在剖面上投影范围；

生成剖面数据结构：分别构建剖面上的各个投影范围，形成剖面上各个地层的数据结构，并将生成的剖面地层数据结构进行记录；

形成三维模型：将剖面地层数据结构进行渲染可视化，形成可展示的地层剖面三维模型。

具体实施例中，所述对数据进行判断和完善的具体步骤为：当地质数据获取范围内包含的钻孔数据极少，则判断该区域内不能构建虚拟地下数据；当地质数据获取范围内数据丰厚，数据分布不均衡，则以地质数据获取范围内数据为基础，在数据分布稀疏的范围内进行插值操作，构建地层数据结构。

具体实施例中，所述地层数据提取与调整的具体步骤为：根据所述地层缺失情况和所述地层透镜体情况实时调整与该地层数据以及与其相关联的其它地层结构；

具体实施例中，当出现有缺失地层的地下空间数据，其周围最近距离的地下空间数据关联的地层结构会在两者之间尖灭，同时调整该缺失地层紧邻的上层和下层地层的结构；

具体实施例中，当出现有透镜体地层的地下空间数据，其关联的地层结构会在其周围最近距离的地下空间数据之间尖灭，同时调整该透镜体地层紧邻的上层和下层地层的结构。

如图2所示，一种三维地质剖面模型动态构建方法，其中：

所述将地层剖面与地层数据结构进行相交：通过地层数据结构与剖面相交获取的相交面即为地层模型在剖面上投影范围；

所述将地层剖面与地层数据结构进行相交的具体步骤为：

根据地层数据结构构建地层数据模型：在地质数据获取范围内构建以地层为标准的分层模型结构，在地层数据结构中以地层为标准逐层提取地层信息，构建封闭的地层数据模型；

获取地层投影面：用地层剖面与地层数据模型进行逐层相交，将地层模型的封闭边界与剖面进行相交计算获取相交线，相交线与剖面边界形成该地层的在剖面上的投影范围，记录该投影范围边界值以及对应的地层属性信息；

透镜体的处理：在剖面上透镜体的投影范围与地层的投影范围重合，剔除重合的地层部分，保留透镜体部分。

具体实施例中，所述形成三维模型的具体步骤为：将地层标识图例统一化处理；依据地层模型在地质剖面上投影的各个点的坐标以及坐标所在面的轴向，计算坐标的法线坐标；依据法线坐标计算纹理坐标或者颜色坐标；设置纹理或者颜色。

具体实施例中，所述三维模型可实时动态更新地层剖面模型，根据剖面线位置、剖面角度的变化而形成三维剖面模型。

具体实施例中，所述三维模型可动态创建地层剖面模型，对构建的三维模型进行浏览、查询、分析。

具体实施例中，所述剖面线包括：直线、折线和直线与折线的组合。

下面以一个具体实施案例来详细阐述应用本三维地质剖面模型动态构建方法。采用本三维地质剖面模型动态构建方法可以实时观测到设定区域的三维地质剖面模型。

设定剖面线，就是通过多组坐标点形成剖面线，对通过剖面线的剖面进行角度和长度设定，形成地层剖面的构建范围。同时对三维空间中的地层剖面构建其包围盒并向四周扩展一定范围，作为地质数据获取范围；

其中，既可以直接给定多组坐标值，也可以使用输入设备在地图上通过点击获取多组坐标值。这样可能形成一条直线剖面线或者一条折线剖面线或者直线和折线组合起来的一组剖面线。在本案中通过鼠标在地图上随机点击输入5个点，将这5个点顺次连接成为一条折线。

在三维空间中，将一个或一组平面通过上述的剖面线，可以形成一个或一组剖面，一般剖面是垂直于地面的垂直剖面，但也可以对剖面设定与参考平面的角度以形成斜剖面。在本案中的剖面为垂直于水平面的竖直剖面，通过检测钻孔数据的孔深可知地下数据的埋深为50米，所以设定剖面的竖直高度为50米。

通过计算剖面的包围盒，并将此包围盒向四周扩展一定的范围，可以形成一个封闭的三维空间，该空间即是获取用于构建三维地质剖面的原始数据的范围。在本案中首先计算剖面的包围盒为竖直高度为50米，水平宽度为100米的狭长立方体，在竖直高度、水平宽度、水平长度三个维度都扩展100米，形成地质数据获取范围为3000000立方米。

地下数据提取、判断和完善: 利用空间叠加分析法，获取地质数据获取范围内所包含的钻孔。将获取的钻孔信息进行提取，对地下数据进行空间分析，判定是否构建地层数据结构；

其中，提取的钻孔信息可以包含钻孔名称信息、钻孔所属工程名称信息、钻孔的坐标值、孔口标高、孔深等属性信息。

对数据进行判断和完善，就是当地质数据获取范围内包含的钻孔数据极少，则判断该区域内不能构建虚拟地下数据，退出构建过程；当地质数据获取范围内数据丰厚，数据分布不均衡，则以地质数据获取范围内数据为基础，在数据分布稀疏的范围内进行插值操作，构建地层数据结构，避免在数据分布稀疏的范围构建的地层结构过于平缓，反映不出地质数据的变化性；在本案中获取了53个有效的钻孔信息，并且分布均匀，符合构建要求。

地层数据提取与调整：对每个钻孔的地层信息按照地层编号逐层提取；对地层数据进行判断和调整；确定各个地层的三维模型组织结构；

其中，对于每个钻孔的地层信息进行提取，信息包括地层名称信息、地层时代信息、地层成因信息、地层的顶板埋深、底板埋深信息、地层实验信息等。

逐个将每个钻孔中同一地层的信息组织成一个初步的地层数据结构，该数据结构可以是点集形式或者三角网格形式，地层划分标准可以根据地层层因或者根据地层的实验属性。在本案中以地层时代与地层成因划分地层。

地层数据调整的具体步骤为：根据所述地层缺失情况和所述地层透镜体情况实时调整该地层数据结构以及与其相关联的其它地层的结构；

在本案中，当出现有缺失地层的地下空间数据，其周围最近距离的地下空间数据关联的地层结构会在缺失地层的地下空间数据点处尖灭，同时调整地层之间的排列关系和缺失地层紧邻的上层和下层地层的结构；

在本案中，当出现有透镜体地层的地下空间数据，其关联的地层结构会在与其周围最近距离的地下空间数据点之间的中间位置处尖灭，同时调整该尖灭地层所处钻孔的层之间的排列关系，和尖灭地层紧邻的上层和下层地层的结构。

将无效的地层删去，形成多个完整地层的结构和透镜体的地层结构。

在本案中有一个地层的构建点极少，故作为无效地层删除。因此构建了14个完整地层的数据结构，以及37个透镜体的地层数据结构。这些地层结构合并构成一个完整的区域地层数据结构。

将地层剖面与地层数据结构进行相交：通过地层数据结构与剖面相交获取的相交面即为地层模型在剖面上投影范围；

其中，将地层剖面与地层数据结构进行相交的具体步骤为：

根据地层数据结构构建地层数据模型：在地质数据获取范围内构建以地层为标准的分层模型结构，在地层数据结构中以地层为标准逐层提取地层信息，构建封闭的地层数据模型；可以先进行地层模型结构与剖面模型结构的碰撞检测，以减少相交计算的数量，提高构建效率。在本案中14个完整地层和11个透镜体地层与剖面模型有碰撞，故将这些地层与剖面模型结构进行相交计算。

获取地层投影面：用地层剖面与地层数据模型进行逐层相交，将地层模型的封闭边界与剖面进行相交计算获取相交线，相交线与剖面边界形成该地层的在剖面上的投影范围，记录该投影范围边界值以及对应的地层属性信息；本案中采用了三角面相交算法，使用构成剖面模型的三角面与构成地层的三角面依次进行三角面相交计算，将在剖面模型上形成的三角面相交线相连接即可构建成该地层的投影面。

透镜体的处理：在剖面上透镜体的投影范围与地层的投影范围重合，剔除重合的地层部分，保留透镜体部分。本案中将与透镜体投影面重合的地层投影面中的构建点删去，重构地层投影面，并将新的地层投影面与透镜体投影面组合为一个地层剖面模型结构。

将地层剖面数据结构进行渲染可视化，形成可展示的地层三维模型。其中渲染可视化的具体步骤为：可将地层标识图例的统一化处理；依据模型各个点的坐标以及坐标所在面的轴向，计算坐标的法线坐标；依据法线坐标计算纹理坐标或者颜色坐标；设置纹理或者颜色。在本案中依次获取各个地层投影面坐标，并计算法线坐标和纹理坐标。根据记录的地层属性信息，获取预先统一化处理好的该地层对应的纹理名称。将纹理按照纹理坐标贴在地层剖面模型上。

由此可见：

本发明实施例中的三维地质剖面模型动态构建方法法可以满足：

通过对数据进行预处理的基础上，采用数据挖掘方法，通过在句法、语义以及模型层面上的地质数据无缝集成，实时更新实现多源数据有效整合及各种规模的地下空间的三维剖面的高效创建；通过对地层的分布情况进行模拟，实现地下空间地质剖面数据模型的动态实时构建，改变传统的城市地质工作和城市地下空间利用的粗放形式，辅助解决地面沉降、地下水污染、土壤污染、人为诱发地震、海岸和河岸侵蚀、滑坡、岩溶塌陷等地质问题，提高地下空间规划的科学性、安全性和为地下矿藏的采集提供可靠的依据，协调发展与地质环境间的关系。应用于工程地质与矿产地质领域，在工程地质和能源矿产地质中勘察成果的表达，与岩土工程相关的设计、分析、施工中的勘察成果的表达和能源矿产相关的设计、开采、修复中勘察成果的表达，提高地下空间规划效率。解决了目前地层模型展示方式单一的问题，提升了地层信息统一展示、管理和分析水平。通过实时构建三维地质剖面而达到可以实时以三维形式浏览地下空间场景，实现了多平台数据一体化；为三维模型带来了全新的体验，促进了逼真、精细建模的效果。为城市地下空间规划建设尤其是对未来智慧城市搭建中的地下空间信息的获取和构建方案上起到了重要的辅助作用。在促进城市建设的快速发展，带动城市地下空间资源的大规模开发方面，在推进城市地下空间向定向、有序的发展，并推进城市空间的立体开发和地下商业交通的开发利用发挥重要的作业；充分开发利用地下空间资源的防护潜能，对提高城市综合防灾抗毁能力起到了一定辅助作用。同时，在地下矿藏开发地质研究工作中，三维地质剖面建模完全可以在地质研究中起到更为突出的作用，可以成为地下矿藏开发阶段矿藏精细描述和生产措施部署的核心技术。

虽然通过实施例描绘了本发明实施例，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。