基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法及系统与流程

1.本发明涉及三维正演属性建模领域，更具体地，涉及一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法及系统。


背景技术：

2.地震正演模拟技术广泛应用于地震勘探的采集、处理和解释，对于观测系统的设计优化、处理参数提取以及解释方案的验证发挥了重要的作用。基于delaunay剖分的插入优化不仅可以改善网络质量，同时可以对原有网格进行加密，因为用于正演的四面体网格必须满足尺寸大小的限制，四面体太大正演精度无法保证，因此利用插入法优化网格可以确保网格尺寸不大于正演计算的要求。但是另一方面，正演计算要求四面体网格尺寸也不能过小，，因为网格小，地震波在网格内传播的时间也就小，当小于正演计算的时间间隔时，就会造成正演计算结果不稳定，因此利用delaunay插入法无限制的插入顶点来对四面体进行优化是不可取的，当四面体尺寸最接近最小网格尺寸时就应停止插入优化。由于存在最小尺寸限制，delaunay插入优化无法完成所有四面体的优化。因此，有必要开发一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法及系统。
3.公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法及系统，其以优化顶点周围四面体的平均质量为目标，使四面体具有良好的几何形态，避免四面体出现过于狭长和扁平的情况，提高四面体剖分的质量，满足了三维有限元正演模拟算法的需求，建模效率较高，可以达到快速属性建模的目的，实用性强。
5.根据本发明的一方面，提出了一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法。所述方法可以包括：步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型；步骤2：确定所述初始四面体模型的待优化四面体，加入到待优化队列q中；步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，获得优化后的四面体模型。
6.优选地，确定所述初始四面体模型的待优化四面体为：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，所述目标参数不满足设定要求的四面体即为所述待优化四面体。
7.优选地，步骤2前还包括：针对所述初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化。
8.优选地，针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化包括：依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，降低顶点邻接四面体的平均长高比。
9.优选地，通过公式(1)计算平均长高比：
[0010][0011]
其中，a为平均长高比，n为顶点的邻接四面体总数量，l
i
为第i个邻接四面体的最长边长，h
i
为第i个邻接四面体的最小高度。
[0012]
根据本发明的另一方面，提出了一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型；步骤2：确定所述初始四面体模型的待优化四面体，加入到待优化队列q中；步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，获得优化后的四面体模型。
[0013]
优选地，确定所述初始四面体模型的待优化四面体为：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，所述目标参数不满足设定要求的四面体即为所述待优化四面体。
[0014]
优选地，步骤2前还包括：针对所述初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化。
[0015]
优选地，针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化包括：依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，降低顶点邻接四面体的平均长高比。
[0016]
优选地，通过公式(1)计算平均长高比：
[0017][0018]
其中，a为平均长高比，n为顶点的邻接四面体总数量，l
i
为第i个邻接四面体的最长边长，h
i
为第i个邻接四面体的最小高度。
[0019]
其有益效果在于：
[0020]
(1)将粒子群优化算法的原理与三维交互建模技术结合起来，解决了三维交互建模软件中封闭块体四面体剖分算法的优化问题；
[0021]
(2)以优化顶点周围四面体的平均质量为目标，移动存在质量问题的四面体顶点，使得移动后四面体具有良好的几何形态，避免了四面体出现过于狭长和扁平的情况，提高了四面体剖分的质量，满足了三维有限元正演模拟算法的需求。
[0022]
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0023]
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0024]
图1示出了根据本发明的基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法的步骤的流程图。
[0025]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的初始四面体模型的三角网与优化后的四面体模型的三角网的示意图。
[0026]
图3a、图3b、图3c分别示出了根据本发明的一个实施例的实际工区粒子群优化前三维模型、目标参数为1.8的优化模型与目标参数为1.4的优化模型的对比图。
具体实施方式
[0027]
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0028]
图1示出了根据本发明的基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法的步骤的流程图。
[0029]
在该实施例中，根据本发明的基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法可以包括：步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型；步骤2：确定初始四面体模型的待优化四面体，加入到待优化队列q中；步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，获得优化后的四面体模型。
[0030]
在一个示例中，确定初始四面体模型的待优化四面体为：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，目标参数不满足设定要求的四面体即为待优化四面体。
[0031]
在一个示例中，步骤2前还包括：针对初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化。
[0032]
在一个示例中，针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化包括：依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，降低顶点邻接四面体的平均长高比。
[0033]
在一个示例中，通过公式(1)计算平均长高比：
[0034][0035]
其中，a为平均长高比，n为顶点的邻接四面体总数量，l
i
为第i个邻接四面体的最长边长，h
i
为第i个邻接四面体的最小高度。
[0036]
具体地，粒子群优化算法是一种进化计算技术，源于对鸟群捕食的行为研究。粒子群优化算法的基本思想：通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解。根据本发明的基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法可以包括：
[0037]
步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型，进而初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化，可以改善网络质量，同时可以对原有网格进行加密，因为用于正演的四面体网格必须满足尺寸大小的限制，四面体太大正演精度无法保证，因此利用插入法优化网格可以确保网格尺寸不大于正演计算的
要求；
[0038]
步骤2：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，目标参数不满足设定要求的四面体即为待优化四面体，加入到待优化队列q中，其中，目标参数的最佳范围应小于等于1.8并且大于1，如果目标参数大于1.8，则四面体将变得非常狭长，四面体质量将不能满足正演需求，本领域技术人员可以根据具体情况设定要求；
[0039]
步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；
[0040]
步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，通过公式(1)计算平均长高比，降低顶点邻接四面体的平均长高比，获得优化后的四面体模型。
[0041]
本方法以优化顶点周围四面体的平均质量为目标，使四面体具有良好的几何形态，避免四面体出现过于狭长和扁平的情况，提高四面体剖分的质量，满足了三维有限元正演模拟算法的需求，建模效率较高，可以达到快速属性建模的目的，实用性强。
[0042]
应用示例
[0043]
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
[0044]
根据本发明的基于粒子群算法的四面体剖分网格优化方法包括：
[0045]
步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型，进而初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化，可以改善网络质量，同时可以对原有网格进行加密，因为用于正演的四面体网格必须满足尺寸大小的限制，四面体太大正演精度无法保证，因此利用插入法优化网格可以确保网格尺寸不大于正演计算的要求；
[0046]
步骤2：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，目标参数不满足设定要求的四面体即为待优化四面体，加入到待优化队列q中；
[0047]
步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；
[0048]
步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，通过公式(1)计算平均长高比，降低顶点邻接四面体的平均长高比，获得优化后的四面体模型。
[0049]
图2a和图2b分别示出了根据本发明的一个实施例的初始四面体模型的三角网与优化后的四面体模型的三角网的示意图。
[0050]
图3a、图3b、图3c分别示出了根据本发明的一个实施例的实际工区粒子群优化前三维模型、目标参数为1.8的优化模型与目标参数为1.4的优化模型的对比图。可见随着目标参数的减小，四面体的质量变的越来越好，同时计算量也变得越来越大。
[0051]
综上所述，本发明以优化顶点周围四面体的平均质量为目标，使四面体具有良好的几何形态，避免四面体出现过于狭长和扁平的情况，提高四面体剖分的质量，满足了三维有限元正演模拟算法的需求，建模效率较高，可以达到快速属性建模的目的，实用性强。
[0052]
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说
明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
[0053]
根据本发明的实施例，提供了一种基于粒子群算法的四面体剖分网格优化系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：步骤1：获取目标地区三维块体模型的基本数据，通过三维delaunay插入法，构建初始四面体模型；步骤2：确定初始四面体模型的待优化四面体，加入到待优化队列q中；步骤3：判断q中是否存在待优化四面体，若存在，则进入步骤4，若不存在，则结束优化；步骤4：针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化，获得优化后的四面体模型。
[0054]
在一个示例中，确定初始四面体模型的待优化四面体为：以四面体空间外接球半径与四面体最短边长度的比值作为目标参数，目标参数不满足设定要求的四面体即为待优化四面体。
[0055]
在一个示例中，步骤2前还包括：针对初始四面体模型进行delaunay剖分插入优化。
[0056]
在一个示例中，针对每一个待优化四面体的四个顶点进行粒子群优化包括：依次移动每一个待优化四面体的四个顶点，降低顶点邻接四面体的平均长高比。
[0057]
在一个示例中，通过公式(1)计算平均长高比：
[0058][0059]
其中，a为平均长高比，n为顶点的邻接四面体总数量，l
i
为第i个邻接四面体的最长边长，h
i
为第i个邻接四面体的最小高度。
[0060]
本系统以优化顶点周围四面体的平均质量为目标，使四面体具有良好的几何形态，避免四面体出现过于狭长和扁平的情况，提高四面体剖分的质量，满足了三维有限元正演模拟算法的需求，建模效率较高，可以达到快速属性建模的目的，实用性强。
[0061]
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
[0062]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。