基于地质图的断层构造单元三维模型构建方法及装置与流程

本发明涉及三维地质建模技术领域，尤其涉及一种基于地质图的断层构造单元三维模型构建方法及装置。

背景技术：

三维地质建模在城市规划、工程建设、油气储藏、数字矿山等诸多领域具有十分重要的研究意义与应用价值。传统的地质建模方法主要基于钻孔、地质剖面等地质调查数据，实现精确地重构和表达三维地质信息。然而，这种方法过分依赖建模数据，当数据有限时，会导致模型精度不高，甚至无法构建。特别是在基岩区域，钻孔和地质剖面数据缺失或较为稀疏，传统地质建模技术难以运用。相较于钻孔、剖面数据，地质图的获取难度低、覆盖范围广，能够在基岩区域缺乏其他地质数据的情况下，提供建模所需的地质构造信息和地层信息。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种精度更高的基于地质图的断层构造单元三维模型构建方法及装置。

技术方案：本发明所述的基于地质图的断层构造单元三维模型构建方法包括：

(1)分别读取地层数据、断层数据和基岩面dem数据到地层集合g、断层集合f和像元集合e；

(2)从地层集合g中读取任一地层gi，以gi的边界线与gi相邻地层的边界线的交点为分割点，将gi的边界线分段，得到边界线分段集合s，并计算每一边界线分段的倾向和倾角；

(3)以地层gi为计算范围，基于基岩面dem数据构建三角网，得到地层gi的上顶面三角面集合vt；

(4)基于像元集合e、边界线分段集合s以及对应边界线分段的倾向和倾角，生成地层gi的上顶面三维边界线和下底面三维边界线，并根据下底面三维边界线构建地层gi的下底面三角面集合vb；

(5)根据地层gi的上顶面三维边界线和下底面三维边界线，构建侧面三角面集合vs；

(6)组合上顶面三角面集合vt、下底面三角面集合vb和侧面三角面集合vs，形成地层gi的三维模型；

(7)循环执行步骤(2)-(6)，完成所有地层的三维模型构建；

(8)组合所有地层的三维模型，得到断层构造单元的三维模型。

进一步的，步骤(1)具体包括：

(1-1)读取地层数据到地层集合g＝{gi|i＝1,2,…,gn}；其中，gi表示第i个地层，gn表示地层数量；

(1-2)读取断层数据到断层集合f＝{fk|k＝1,2,…,fn}；其中，fk表示第k个断层，fn表示断层数量；

(1-3)读取基岩面dem数据到像元集合e＝{epq|p＝1,2,…,pn,q＝1,2,…,qn}；其中，epq表示基岩面dem数据中第p行第q列的像元，pn为基岩面dem数据的行数，qn为基岩面dem数据的列数。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2-1)从地层集合g中读取任一地层gi，并获取其边界线gli；

(2-2)读取地层gi的任一相邻地层gj，获取gj的边界线glj，并计算边界线gli与glj的交汇点，存入交点集合p；

(2-3)循环执行步骤(2-2)，直至地层gi的所有相邻地层被遍历，得到交点集合p；

(2-4)以p中的点为分割点，将边界线gli分段，得到边界线分段集合s＝{su|u＝1,2,…,sn}；其中，sn为边界线gli的分段数；

(2-5)基于地层和断层的倾向数据，根据下式计算每一边界线分段su的倾向；

u＝1,2,...,sn

其中，diru为su的倾向，fdirk为断层集合f中第k个断层fk的倾向，gdiri、gdirj分别为地层gi、gj的倾向，gj为gi的任一相邻地层；

(2-6)基于地层和断层的倾角数据，根据下式计算每一边界线分段su的倾角；

u＝1,2,...,sn

其中，dipu为su的倾角，fdipk为断层fk的倾角，gdipi、gdipj分别为地层gi、gj的倾角。

进一步的，步骤(4)具体包括：

(4-1)读取地层gi边界线gli的任一边界线分段su，并提取su所有折点形成折点集合su＝{su,v|v＝1,2,…,sun}，su,v表示su中第v个折点，sun为折点数；

(4-2)基于集合su和像元集合e，计算得到边界线分段su对应的上顶面三维边界线分段stu；

(4-3)根据上顶面三维边界线分段stu和边界线分段su的倾向和倾角，推演出下底面三维边界线分段btu；

(4-4)循环执行步骤(4-1)-(4-3)，直至完成边界线分段集合s的遍历，并将所有下底面三维边界线分段btu合并得到下底面三维边界线gbi，将所有上顶面三维边界线分段stu合并得到上顶面三维边界线gti；

(4-5)提取下底面三维边界线gbi的折点，形成集合gbi＝{gbi,a|a＝1,2,…,bn}；其中，gbi,a为gbi的第a个折点，bn为折点数；提取上顶面三维边界线gti的折点，形成集合gti＝{gti,a|a＝1,2,…,bn}；其中，gti,a为gti的第a个折点；

(4-6)依次按照gbi,1、gbi,a、gbi,a+1的顶点顺序，构建地层gi的下底面三角面vba{gbi,1、gbi,a、gbi,a+1}，形成下底面三角面集合vb＝{vba|a＝2,…,bn-1}。

进一步的，步骤(4-2)包括：

(4-2-1)新建一个空的三维点集合stu；

(4-2-2)基于像元集合e，根据下式计算得到三维点stu,v(xv,yv,zv)，并加入集合stu；

其中，(xu,v,yu,v)为su,v的坐标，pv、qv分别为点su,v对应的dem像元的行号、列号，eyvqv为su,v对应的dem像元值，(x,y)为dem像元的原点坐标，c为dem像元大小，为向下取整符号；

(4-2-3)将集合stu的所有点形成的线作为边界线分段su对应的上顶面三维边界线分段stu。

进一步的，步骤(4-3)具体包括：

(4-3-1)基于边界线分段su的倾角和倾向，根据下式计算断层面推演方向的单位向量

其中,diru为su的倾向，dipu为su的倾角；

(4-3-2)基于上顶面三维边界线分段stu，根据下式计算得到断层面的下底面三维边界线分段btu；

btu＝{btu,v|v＝1,2,...,sun}

式中，stu,v为stu的第v个折点，d为预设地层下底面推演深度。

进一步的，步骤(5)具体包括：

(5-1)获取下底面三维边界线gbi＝{gbi,a|a＝1,2,…,bn}和上顶面三维边界线gti＝{gti,a|a＝1,2,…,bn}，其中，gbi,a为gbi的第a个折点,gti,a为gti的第a个折点，bn为折点数；

(5-2)依次按照gti,a、gbi,a、gti,a+1的顶点顺序，构建侧面的正三角面vsla{gti,a、gbi,a、gti,a+1}，形成正三角面集合vsl＝{vsla|a＝2,…,bn-1}；

(5-3)依次按照gbi,a+1、gbi,a、gti,a+1的顶点顺序，构建侧面的倒三角面vsra{gbi,a+1、gbi,a、gti,a+1}，形成倒三角面集合vsr＝{vsra|a＝2,…,bn-1}；

(5-4)将正三角面集合vsl和倒三角面集合vsr进行整合，作为地层gi的侧面三角面集合vs。

进一步的，步骤(8)具体包括：

(8-1)根据预设纹理创建地层模型材质，并与对应地层三维模型绑定；

(8-2)组合所有地层的三维模型，得到断层构造单元三维模型。

本发明所述的基于地质图的断层构造单元三维模型构建装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明精度更高，既避免了对钻孔、剖面等地质调查数据的过度依赖，又具有较高的自动化程度。

附图说明

图1是本实施例中采用的地层、断层及基岩面dem数据；

图2是本发明实施例的流程图；

图3是本实施例的地层产状数据；

图4是本实施例的断层产状数据；

图5是本实施例构建的地层三维模型示例；

图6是本实施例构建的断层单元三维模型；

图7是本实施例中断层单元三维模型的材质绑定结果。

具体实施方式

下面对本发明技术方案作进一步详细的说明，本实施例选取了南京市汤山的基岩面dem数据(图1)作为实验数据，该实验数据采用的投影坐标系为南京92坐标系。下面结合附图，并通过描述一个具体的实施例，来进一步说明。

如图2所示，本实施例提供了一种基于地质图的断层构造单元三维建模方法，具体包括如下步骤：

(1)分别读取地层数据、断层数据和基岩面dem数据到地层集合g、断层集合f和像元集合e。

该步骤具体包括：

(1-1)读取地层数据到地层集合g＝{gi|i＝1,2,…,gn}；其中，gi表示第i个地层，gn表示地层数量；本实施例中gn＝62；

(1-2)读取断层数据到断层集合f＝{fk|k＝1,2,…,fn}；其中，fk表示第k个断层，fn表示断层数量；本实施例中fn＝17；

(1-3)读取基岩面dem数据到像元集合e＝{epq|p＝1,2,…,pn,q＝1,2,…,qn}；其中，epq表示基岩面dem数据中第p行第q列的像元，pn为基岩面dem数据的行数，qn为基岩面dem数据的列数，本实施例中pn＝8313,qn＝15226。

(2)从地层集合g中读取任一地层gi，以gi的边界线与gi相邻地层的边界线的交点为分割点，将gi的边界线分段，得到边界线分段集合s，并计算每一边界线分段的倾向和倾角。

该步骤具体包括：

(2-1)从地层集合g中读取任一地层gi，并获取其边界线gli；

(2-2)读取地层gi的任一相邻地层gj，获取gj的边界线glj，并计算边界线gli与glj的交汇点，存入交点集合p；

(2-3)循环执行步骤(2-2)，直至地层gi的所有相邻地层被遍历，得到交点集合p；

(2-4)以p中的点为分割点，将边界线gli分段，得到边界线分段集合s＝{su|u＝1,2,…,sn}；其中，sn为边界线gli的分段数；

(2-5)基于地层和断层的倾向数据，根据下式计算每一边界线分段su的倾向；

u＝1,2,...,sn

其中，diru为su的倾向，fdirk为断层集合f中第k个断层fk的倾向，gdiri、gdirj分别为地层gi、gj的倾向，gj为gi的任一相邻地层；

(2-6)基于地层和断层的倾角数据，根据下式计算每一边界线分段su的倾角；

u＝1,2,...,sn

其中，dipu为su的倾角，fdipk为断层fk的倾角，gdipi、gdipj分别为地层gi、gj的倾角。在本实施例中，地层和断层的倾向、倾角数据如图3和图4所示。

(3)基于gis软件的三角网构建接口，以地层gi为计算范围，基于基岩面dem数据构建三角网，得到地层gi的上顶面三角面集合vt。

(4)基于像元集合e、边界线分段集合s以及对应边界线分段的倾向和倾角，生成地层gi的上顶面三维边界线和下底面三维边界线，并根据下底面三维边界线构建地层gi的下底面三角面集合vb。

该步骤具体包括：

(4-1)读取地层gi边界线gli的任一边界线分段su，并提取su所有折点形成折点集合su＝{su,v|v＝1,2,…,sun}，su,v表示su中第v个折点，sun为折点数；

(4-2)基于集合su和像元集合e，计算得到边界线分段su对应的上顶面三维边界线分段stu；

(4-3)根据上顶面三维边界线分段stu和边界线分段su的倾向和倾角，推演出下底面三维边界线分段btu；

(4-4)循环执行步骤(4-1)-(4-3)，直至完成边界线分段集合s的遍历，并将所有下底面三维边界线分段btu合并得到下底面三维边界线gbi，将所有上顶面三维边界线分段stu合并得到上顶面三维边界线gti；

(4-5)提取下底面三维边界线gbi的折点，形成集合gbi＝{gbi,a|a＝1,2,…,bn}；其中，gbi,a为gbi的第a个折点，bn为折点数；提取上顶面三维边界线gti的折点，形成集合gti＝{gti,a|a＝1,2,…,bn}；其中，gti,a为gti的第a个折点；

(4-6)依次按照gbi,1、gbi,a、gbi,a+1的顶点顺序，构建地层gi的下底面三角面vba{gbi,1、gbi,a、gbi,a+1}，形成下底面三角面集合vb＝{vba|a＝2,…,bn-1}。

进一步的，步骤(4-2)包括：

(4-2-1)新建一个空的三维点集合stu；

(4-2-2)基于像元集合e，根据下式计算得到三维点stu,v(xv,yv,zv)，并加入集合stu；

其中，(xu,v,yu,v)为su,v的坐标，pv、qv分别为点su,v对应的dem像元的行号、列号，为su,v对应的dem像元值，(x,y)为dem像元的原点坐标，c为dem像元大小，为向下取整符号；在本实施例中，x＝172515.64，y＝56491.81，c＝10；

(4-2-3)将集合stu的所有点形成的线作为边界线分段su对应的上顶面三维边界线分段stu。

其中，步骤(4-3)具体包括：

(4-3-1)基于边界线分段su的倾角和倾向，根据下式计算断层面推演方向的单位向量

其中,diru为su的倾向，dipu为su的倾角；

(4-3-2)基于上顶面三维边界线分段stu，根据下式计算得到断层面的下底面三维边界线分段btu；

btu＝{btu,v|v＝1,2,...,sun}

式中，stu,v为stu的第v个折点，d为预设地层下底面推演深度，本实施例中d＝500米。

(5)根据地层gi的上顶面三维边界线和下底面三维边界线，构建侧面三角面集合vs。

该步骤具体包括：

(5-1)获取下底面三维边界线gbi＝{gbi,a|a＝1,2,…,bn}和上顶面三维边界线gti＝{gti,a|a＝1,2,…,bn}，其中，gbi,a为gbi的第a个折点,gti,a为gti的第a个折点，bn为折点数；

(5-2)依次按照gti,a、gbi,a、gti,a+1的顶点顺序，构建侧面的正三角面vsla{gti,a、gbi,a、gti,a+1}，形成正三角面集合vsl＝{vsla|a＝2,…,bn-1}；

(5-3)依次按照gbi,a+1、gbi,a、gti,a+1的顶点顺序，构建侧面的倒三角面vsra{gbi,a+1、gbi,a、gti,a+1}，形成倒三角面集合vsr＝{vsra|a＝2,…,bn-1}；

(5-4)将正三角面集合vsl和倒三角面集合vsr进行整合，作为地层gi的侧面三角面集合vs。

(6)组合上顶面三角面集合vt、下底面三角面集合vb和侧面三角面集合vs，形成地层gi的三维模型。在本实施例中，地层g1对应的地层三维模型如图5所示。

(7)循环执行步骤(2)-(6)，完成所有地层的三维模型构建。在本实施例中，所有的地层三维模型如图6所示。

(8)组合所有地层的三维模型，得到断层构造单元的三维模型。在本实施例中，构造单元三维模型如图7所示。

该步骤具体包括：

(8-1)基于三维建模软件api，根据预设纹理创建地层模型材质，并与对应地层三维模型绑定；

(8-2)组合所有地层的三维模型，得到断层构造单元三维模型。并导出为模型文件。

本实施例中仅基于arcgis软件提供的三角网构建接口计算地层上顶面的三角面片，该方法也可以使用supermap、qgis等gis软件的接口。本实施例中仅基于三维模型编辑软件3dsmax创建材质，该方法也可以使用maya、autocad等软件的接口。本实施例中仅以fbx格式导出三维地层模型，该方法也可以导出obj等其它格式的三维地层模型。

本实施例还提供了一种基于地质图的断层构造单元三维模型构建装置，包括处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。