本发明涉及煤层地质
技术领域：
，尤其涉及一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法。
背景技术：
：煤矿床是由一系列在时间上连续或间断沉积的沉积岩组成，是典型的沉积矿床。地质界面是在规定的范围内划分规则的网格，以勘探钻孔数据作为样本，经过插值而形成的。煤矿床中除了岩层接触面外，还有一类重要的界面就是地表面，地表面在矿山未开采前，指的是原始地表面，在开采后，由于原始地表面被采矿工程所破坏，这时的地表面是由未遭破坏的原始地表面部分和采场表面组成。露天矿的地表面有两类：其一是自然地表面，即原始地表面，是自然形成的；其二是工程地表面，是人工形成的，主要有采剥工程开挖形成的采剥工程面和排土工程堆筑形成的排土工程面。但无论是自然形成的还是人工形成的，地表面都存在一个共同特点，即裸露于地上或曾经裸露于地上，其上的样本数据一般通过地表测量获得，取样点密度高，且常常充分考虑地貌特点因此，地表面上的测量数据既有点特征数据，又有线特征数据，构造的地表面模型不仅要反映点状特征信息，还要反映线状特征信息，规则网格模型不能对地表面上的点和线特征给予显式的表达，而对于工程地表面来讲是非常重要的。而不规则网格模型是沿着所提供的地学曲面上的特征点和特征线划分网格的，可以对地表面上的点和线特征数据给予明确、显式的表达。因此，地表面模型一般均采用不规则三角网格模型。随着露天矿开采的进行，煤层和岩层被不断开采出去，形成采场表面与地质界面相交。为了获得更新的矿床模型，需要利用地表面模型对地质界面模型进行裁剪，即地表面三角形网格裁剪煤层顶底板界面四边形网格。但由于四边形网格是曲面，它与三角形面的交线是空间曲线，在实际应用中难以实现，现有的裁剪方法是将四边形网格转换成三角形网格进行处理，这些方法既增加了存储量，也降低了效率。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明提供一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法，利用露天矿采场的三角形网格对煤层的顶、底板的四边形网格进行裁切，实现露天矿矿床地质模型的更新。一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法，包括以下步骤：步骤1：生成煤层界面的四边形网格，具体方法为：在煤层界面范围内，按照一定的间距划分网格，对煤层顶底板界面网格的节点的高程进行插值，插值点为p(x,y)，共有n个样本点pi(xi,yi)，其中，i＝1,2,…,n，其样本值为zi，采用加权最小二乘拟合法计算插值点p的高程值z＝f(x,y)，其中，f(x,y)为加权最小二乘拟合曲面，生成煤层界面的四边形网格；生成的煤层界面的四边形网格，由如下所示的四边形链表存取：pqu＝{pqu0(v00,v01,v02,v03)→…→pquk(vk0,vk1,vk2,vk3)→…→pqum(vm0,vm1,vm2,vm3)}其中，pquk(vk0,vk1,vk2,vk3)，为空间四边形网格中的第k个四边形，vk0,vk1,vk2,vk3分别为第k个四边形的四个顶点，k＝0、1、…m，m+1为煤层界面生成的四边形网格总数；链表pqu中的四边形的顶点都按逆时针排列；步骤2：根据露天矿采场数据的特点，建立露天矿采场的三角形网格模型，具体方法为：步骤2.1：根据露天矿采场数据的来源，将露天矿采场数据分为两部分，一部分为原地表数据，另一部分为露天矿采场数据；原地表数据包括地表测点、地形等高线及地貌特性线数据；露天矿采场数据包括台阶点、台阶线和采场散点数据；根据露天矿采场数据的几何形态，将这些露天矿采场数据分为点状数据和线状数据两类；步骤2.2：获取线状数据的顶点，将其与点状数据一起形成进行三角剖分所需的数据点；步骤2.3：对步骤2.2形成的数据点进行delaunay三角剖分，生成剖分三角网；步骤2.4：将地形等高线、地貌特性线和台阶线这些线状数据作为约束边插入到步骤2.3生成的三角网中，实现对露天矿采场数据的约束三角剖分(constraineddelaunaytriangulation,cdt)，形成露天矿采场的三角网模型，由如下所示的三角形链表存取：ptr＝{ptr0(p00,p01,p02)→…→ptrl(pl0,pl1,pl2)→…→ptrs(ps0,ps1,ps2)}其中，ptrl(pl0,pl1,pl2)为空间三角形网格中的第l个三角形，pl0,pl1,pl2分别为第l个三角形的三个顶点，l＝0、1、…s，s+1为生成的三角网模型中三角形的总个数；链表ptr中的三角形的顶点按逆时针排列；步骤3：通过使用以直线代替曲线求解空间三角形与空间四边形相交的交线的方法，得到露天矿采场形成的不规则的三角形空间网格与煤层顶底板界面形成的规则的空间四边形网格相交构成的多边形，具体方法为：步骤3.1：选取三角形链表ptr中一个三角形，判断该三角形是否有两条直线段与煤层界面的四边形网格相交，如果有则执行步骤3.2，否则重新选取三角形链表ptr中其他的三角形进行判断；步骤3.2：将三角形链表中选取的三角形与煤层界面的四边形的两个交点的连线作为该三角形与四边形网格的交线；步骤3.3：依次求出三角形链表中所有三角形与四边形链表中各四边形网格的交线，建立交线链表，如下所示：pl＝{pl0(l00,l01)→pl1(l10,l11)…→plr(lr0,lr1)→…→plo(lo0,lo1)}其中，plr(lr0,lr1)为第r条交线，lr0,lr1分别为第r条交线的两个端点，r＝0、1、…、o，o+1为交线总数，交线链表中的所有交线组成一个闭合的多边形；步骤4：使用交线构成的闭合多边形对煤层顶底板界面的四边形网格进行裁剪，具体方法为：步骤4.1：将闭合的多边形按逆时针排序；交线链表pl是一个线段间无序连接的多边形，将这些无序线段重新按逆时针进行排序的具体方法为：步骤4.1.1：将交线多边形链表pl中的所有线段按首、尾端点相连顺序排列，形成一个顺序连接的交线多边形链表pol，具体方法为：将交线多边形链表pl的首结点pl0(l00,l01)作为pol的首结点，即pol0(l00,l01)；根据端点l01的坐标值，在交线链表pl其余的交线中找到与端点l01有相同端点的线段，建立首结点的相邻节点pol1(l10,l11)，使得这两个节点满足端点l01＝l10；重复同样的操作，将各端点依次相连，构成一个顺序多边形链表，如下所示：pol＝{pol0(l00,l01)→pol1(l10,l11)…→polr′(lr′0,lr′1)→…→polo(lo0,lo1)}其中，polr′(lr0,lr′1)为顺序连接的交线多边形的第r′条线段，lr′0,lr′1分别为第r′条线段的两个端点,且lr′1＝l(r′+1)0，r′＝0、1、…o；步骤4.1.2：遍历交线多边形链表pol，得到关于x,y坐标的最小和最大值端点的顺序号nxmin、nxmax、nymin和nymax，如果这四个顺序号的大小关系满足下列四个大小关系式中任意一个，则该交线多边形为逆时针排列的多边形，执行步骤4.2，否则，该交线多边形为顺时针排列的多边形，执行步骤4.1.3；步骤4.1.3：对顺时针排列的交线多边形重新排序，得到逆时针排序的交线多边形，具体方法为：将多边形链表pol进行反向，并将线段的首点和末点互换，即完全将顺时针多边形链表pol转变成按逆时针排列的交线多边形链表；步骤4.2：求逆时针排列的交线多边形与顶底板四边形网格的交点，构成裁剪多边形链表；求交线多边形链表pol中的每条线段与四边形链表pqu中的每个四边形的边的交点，如果交线多边形链表pol中第r′条线段polr′(lr′0,lr′1)与四边形链表pqu中的某个四边形的边相交，交点是ptr′，则ptr′将线段polr′(lr′0,lr′1)分成两条线段polr′(lr′0,ptr′)和polr′+1(ptr′,lr′1)，在交线多边形链表pol中，使用新生成的线段polr′(lr′0,ptr′)替换线段polr′(lr′0,lr′1)，并将另一条新生成的线段polr′+1(ptr′,lr′1)插入到polr′(lr′0,ptr′)之后，更新后的交线多边形链表pol′如下所示：pol′＝{pol0(l00,l01)→pol1(l10,l11)…→polr′(lr′0,ptr′)→polr′+1(ptr′,lr′1)→…→polo(lo0,lo1)}得到的多边形链表pol′为裁剪多边形链表；步骤4.3：用裁剪多边形对煤层界面四边形网格进行裁剪，实现对露天矿矿床地质模型的更新，具体方法为：步骤4.3.1：根据空间关系，裁剪多边形将煤层顶底板界面四边形网格分成三部分，即外部四边形网格、内部四边形网格和相交四边形网格；步骤4.3.2：将外部四边形网格和相交四边形网格转存入新的网格单元链表中，实现去掉内部四边形网格；步骤4.3.3：遍历所有相交四边形网格，分别对每个相交四边形网格进行处理，生成不规则的多边形，具体处理方法为：第一步，选取位于相交四边形内部的裁剪多边形的线段；第二步，选取第一步所选取四边形的位于裁剪多边形外部的顶点，并与第一步得到的线段组成逆时针方向的多边形，由这些多边形组成裁剪后的不规则网格；步骤4.3.4：由生成的不规则的多边形网格代替相应的相交四边形网格，完成对相交四边形网格的处理，实现露天矿采场三角形网格对所有煤层顶底板四边形网格的裁剪，从而实现对露天矿矿床地质模型的更新。由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法，使用通过三角剖分得到的露天矿采场三角形网格和插值得到的煤层顶底板界面四边形网格在空间相交的交线多边形，对煤层顶底板界面网格进行裁剪，实现对煤层界面模型进行更新。该方法有效解决了四边形曲面与三角形面的交线是空间曲线的问题，使得实际应用得以实现，这种直接利用三角形网格对四边形网格进行裁剪的方法，以不增加存储量为前提，高效地实现了三角形网格对四边形网格的裁剪。附图说明图1为本发明实施例提供的采场表面与地质界面相交的示意图；图2为本发明实施例提供的一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法的流程图；图3为本发明实施例提供的样本钻孔的分布俯视示意图；图4为本发明实施例提供的16#煤的顶板界面四边形网格的示意图；图5为本发明实施例提供的露天矿采场的测量示意图；图6为本发明实施例提供的露天矿采场约束三角剖分示意图；图7为本发明实施例提供的空间三角形与四边形相交的示意图；图8为本发明实施例提供的交线闭合多边形示意图；图9为本发明实施例提供的对裁剪多边形进行逆时针排序的示意图；图10为本发明实施例提供的经过裁剪后的采场表面与地质界面相交的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明实施例以如图1所示的某露天煤矿的采场勘测数据作为采场表面模型的数据源，以钻孔的位置坐标(x,y)、煤层的底板标高z作为煤层界面的插值样本数据，通过本发明方法实现露天矿采场的三角形网格对煤层界面的四边形网格裁切。一种露天矿采场三角形网格裁剪煤层四边形网格的方法，如图2所示，包括以下步骤：步骤1：生成煤层界面的四边形网格，具体方法为：在煤层界面范围内，按照一定的间距划分网格，对煤层顶底板界面网格的节点的高程进行插值，插值点为p(x,y)，共有n个样本点pi(xi,yi)，其中，i＝1,2,…,n，其样本值为zi，采用加权最小二乘拟合法计算插值点p的高程值z＝f(x,y)，其中，f(x,y)为加权最小二乘拟合曲面，生成煤层界面的四边形网格；生成的煤层界面的四边形网格，由如下所示的四边形链表存取：pqu＝{pqu0(v00,v01,v02,v03)→…→pquk(vk0,vk1,vk2,vk3)→…→pqum(vm0,vm1,vm2,vm3)}其中，pquk(vk0,vk1,vk2,vk3)，为空间四边形网格中的第k个四边形，vk0,vk1,vk2,vk3分别为第k个四边形的四个顶点，k＝0、1、…m，m+1为煤层界面生成的四边形网格总数；链表pqu中的四边形的顶点都按逆时针排列；所述采用加权最小二乘拟合法进行计算的具体计算方法为：首先选择如下式所求的二次多项式曲面作为拟合曲面，f(x,y)＝c1+c2x+c3y+c4xy其中，c1,c2,c3,c4均为曲面参数；将满足公式的二次曲面f(x,y)称为最小二乘拟合曲面；在上述最小二乘拟合曲面中引入一个距离权，如下公式所示：其中，di为第i个样本点pi到插值点的距离，m′为距离的幂指数；实现对拟合曲面的控制作用，得到二次曲面f(x,y)在插值点p的加权最小二乘拟合曲面，如下式所示：根据最小二乘原理，得到其中，j＝1,2,3,4；进而得到加权最小二乘拟合曲面f(x,y)的四个系数为变元的四元一次方程组，解此方程组，获得加权最小二乘拟合曲面f(x,y)，即得到插值点p(x,y)的高程值z＝f(x,y)；本实施例以16#煤的顶板数据为样本，共有638个钻孔为样本数据，部分钻孔样本数据如表1所示，样本钻孔的分布俯视图如图3所示，x轴和y轴分别表示钻孔数据水平方向的数值和竖直方向的数值。在矿山境界范围内，对这个范围区域按照30m间隔划分为单元规则网格，形成如图4所示的顶板界面四边形网格，为了显示方便，图中只显示了矿山境界范围内的四边形网格。表1钻孔样本数据表(部分)序号钻孔号xy16#顶板标高(m)1g21012-18746.9485475.66639.442g21022-18145.985115.86632.943g21029-17866.2984949.03623.394g20110-18147.6784813.04619.8……………638d01006-24649.1580613.89537.03步骤2：根据露天矿采场数据的特点，建立露天矿采场的三角形网格模型，具体方法为：步骤2.1：根据露天矿采场数据的来源，将露天矿采场数据分为两部分，一部分为原地表数据，另一部分为露天矿采场数据；原地表数据包括地表测点、地形等高线及一些地貌特性线数据；露天矿采场数据包括台阶点、台阶线和采场散点数据；根据露天矿采场数据的几何形态，将这些数据分为点状数据和线状数据两类；步骤2.2：获取线状数据的顶点，将其与点状数据一起形成进行三角剖分所需的数据点；步骤2.3：对步骤2.2形成的数据点进行delaunay三角剖分，生成剖分三角网；步骤2.4：将地形等高线、地貌特性线和台阶线这些线状数据作为约束边插入到步骤2.3生成的三角网中，实现对露天矿采场数据的约束三角剖分(constraineddelaunaytriangulation,cdt)，形成露天矿采场的三角网模型，由如下所示的三角形链表存取：ptr＝{ptr0(p00,p01,p02)→…→ptrl(pl0,pl1,pl2)→…→ptrs(ps0,ps1,ps2)}其中，ptrl(pl0,pl1,pl2)为空间三角形网格中的第l个三角形，pl0,pl1,pl2分别为第l个三角形的三个顶点，l＝0、1、…s，s+1为生成的三角网模型中三角形的总个数；链表ptr中的三角形的顶点按逆时针排列；本实施例中，采集如图5所示的露天矿采场的点状数据和线状数据作为delaunay三角剖分的输入数据，最终形成如图6所示的露天矿采场的三角网模型，即露天矿采场的三维几何模型，该三角网模型共生成1226个三角形。步骤3：通过使用以直线代替曲线求解空间三角形与空间四边形相交的交线的方法得到露天矿采场形成的不规则的三角形空间网格与煤层顶底板界面形成的规则的空间四边形网格相交构成的多边形；由于煤层顶底板的四边形网格采用的是线性插值，所以空间四边为双线性曲面，其曲面方程如下式所示：z＝f(x,y)＝c1+c2x+c3y+c4xy式中，曲面参数c1,c2,c3,c4由四边形的四个顶点确定；露天矿采场空间三角形的空间平面方程，如下式所示：z＝ax+by+c式中，a、b、c为方程参数，由三角形的三个顶点确定；空间三角形与空间四边形求交线，直接的方法是将上述空间四边形的曲面方程和空间三角形的空间平面方程联立，得到空间三角形与空间四边形相交的交线，两个联立的方程如下所示：上述联立后的方程为一空间曲线方程，这种理论上的交线方程，在实际操作中很难求解，所以，以直线来近似代替曲线的方法求解空间三角形与空间四边形相交的交线，具体求解方法为：步骤3.1：选取三角形链表ptr中一个三角形，判断该三角形是否有两条直线段与煤层界面的四边形网格相交，如果有则执行步骤3.2，否则重新选取三角形链表ptr中其他的三角形；本实施例以图7为例，描述判断三角形中的直线段与四边形网格是否相交的方法：在三角形t0t1t2中，直线段t0t1的方程为：其中，x0、y0和z0分别为直线段中一个端点t0的坐标值，x1、y1和z1分别为直线段的另一个端点t1的坐标值，t为比例参数，0≤t≤1；直线段t0t1的参数方程为：令m1＝(x1-x0),n1＝(y1-y0),p＝(z1-z0)，将直线段的参数方程代入四边形的曲面方程，整理得如下方程：c4m1n1t2+[c4(y0m1+x0n1)+c3n1+c2m1-p]t+(c4x0y0+c3y0+c2x0+c1-z0)＝0将上式化简为：at2+bt+c＝0其中，a＝c4m1n1，b＝c4(y0m1+x0n1)+c3n1+c2m1-p，c＝c4x0y0+c3y0+c2x0+c1-z0；根据该标准一元二次方程根的情况判断三角形的直线段与四边形网格是否相交，如果该方程至少有一个实数根，则三角形的直线段与四边形网格相交，否则三角形的直线段与四边形网格不相交；步骤3.2：将三角形链表中三角形与煤层界面的四边形的两个交点的连线作为该三角形与四边形网格的交线；步骤3.3：依次求出三角形链表中所有三角形与四边形链表中各四边形网格的交线，建立交线链表，如下所示：pl＝{pl0(l00,l01)→pl1(l10,l11)…→plr(lr0,lr1)→…→plo(lo0,lo1)}其中，plr(lr0,lr1)为第r条交线，lr0,lr1分别为第r条交线的两个端点，r＝0、1、…、o，o+1为交线总数，交线链表中的所有交线组成一个闭合的多边形；本实施例中，三角形链表中所有三角形与四边形链表中各四边形网格的交线所构成的闭合的多边形如图8所示，该闭合多边形由89条交线组成。步骤4：使用交线构成的闭合多边形对煤层顶底板界面的四边形网格进行裁剪，具体方法为：步骤4.1：将闭合的多边形按逆时针排序；交线链表pl是一个线段间无序连接的多边形，将这些无序线段重新进行逆时针排序，具体方法为：步骤4.1.1：将交线多边形链表pl中的所有线段按首、尾端点相连顺序排列，形成一个顺序连接的交线多边形链表pol；将交线多边形链表pl的首结点pl0(l00,l01)作为pol的首结点，即po0(l00,l01)；根据端点l01的坐标值，在交线链表pl其余的线段中找到与端点l01有相同端点的线段，建立首结点的相邻节点po1(l10,l11)，使得这两个节点满足端点l01＝l10；重复同样的操作，将各端点依次相连，构成一个顺序多边形链表：pol＝{pol0(l00,l01)→pol1(l10,l11)…→polr′(lr′0,lr′1)→…→polo(lo0,lo1)}其中，polr′(lr′0,lr′1)为顺序连接的交线多边形中的第r′条线段，r′＝0、1、…、o，lr′0,lr′1分别为线段的两个端点,且lr′1＝l(r′+1)0；步骤4.1.2：按如图9所示遍历交线多边形链表pol，得到关于x,y坐标的最小和最大值端点的顺序号nxmin、nxmax、nymin和nymax，如果这四个顺序号的大小关系满足下列四个大小关系式中任意一个，则该交线多边形为逆时针排列的多边形，执行步骤4.2，否则，该交线多边形为顺时针排列的多边形，执行步骤4.1.3；步骤4.1.3：对顺时针排列的交线多边形重新排序，得到逆时针排序的交线多边形，具体方法为：将多边形链表pol进行反向，并将线段的首点和末点互换，即完全将顺时针多边形链表pol转变成按逆时针排列的交线多边形链表。步骤4.2：求逆时针排列的交线多边形与顶底板四边形网格的交点，构成裁剪多边形链表；求交线多边形链表pol中的每条线段与四边形链表pqu中的每个四边形的边的交点，如果交线多边形链表pol中第r′条线段polr′(lr′0,lr′1)与四边形链表pqu中的某个四边形的边相交，交点是ptr′，则ptr′将线段polr′(lr′0,lr′1)分成两条线段polr′(lr′0,ptr′)和polr′+1(ptr′,lr′1)，在交线多边形链表pol中，使用新生成的线段polr′(lr′0,ptr′)替换线段polr′(lr′0,lr′1)，并将另一条新生成的线段polr′+1(ptr′,lr′1)插入到polr′(lr′0,ptr′)之后，更新后的交线多边形链表pol′如下所示：pol′＝{pol0(l00,l01)→pol1(l10,l11)…→polr′(lr′0,ptr′)→polr′+1(ptr′,lr′1)→…→polo(lo0,lo1)}得到的多边形链表pol′为裁剪多边形链表；步骤4.3：用裁剪多边形对煤层界面四边形网格进行裁剪，具体方法为：步骤4.3.1：根据空间关系，裁剪多边形将煤层顶底板界面四边形网格分成三部分，即外部四边形网格、内部四边形网格和相交四边形网格；步骤4.3.2：将外部四边形网格和相交四边形网格转存入新的网格单元链表中，实现去掉内部四边形网格；步骤4.3.3：遍历所有相交四边形网格，分别对每个相交四边形网格进行处理，生成不规则的多边形，具体处理方法为：第一步，选取位于相交四边形内部的裁剪多边形的线段；第二步，选取第一步所选取四边形的位于裁剪多边形外部的顶点，并与第一步得到的线段组成逆时针方向的多边形，由这些多边形组成裁剪后的不规则网格；步骤4.3.4：由生成的不规则的多边形网格单元代替相应的相交四边形网格单元，完成对相交四边形网格的处理，实现露天矿采场三角形网格对所有煤层顶底板四边形网格的裁剪，从而实现对露天矿矿床地质模型的更新。本实施的最终裁剪结果如图10所示，采场三角形网内的四边形网格已经全部裁剪掉。通过相同的方法，可以对矿床中其他地质界面进行裁剪，最终实现对整个矿床模型的更新。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。当前第1页12