一種地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛擬地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系加以描述并構(gòu)建3D模型，抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包括點(diǎn)、邊、面片、表面和體及其派生類(lèi)的對(duì)象，具體包括地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體，在構(gòu)建3D模型時(shí)，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正，主要包括多源數(shù)據(jù)一體化、布點(diǎn)檢測(cè)、表面模型檢測(cè)、體模型檢測(cè)。通過(guò)對(duì)地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中各個(gè)階段的分析，提出相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)及修正方法，以確保網(wǎng)格化能夠正確剖分，并使得網(wǎng)格單元的精度能夠滿足地質(zhì)工作者的需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種網(wǎng)格化技術(shù)，尤其涉及一種地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 網(wǎng)格化技術(shù)是一種重要的信息處理方法，可以用來(lái)表示復(fù)雜物體的空間數(shù)據(jù)。地 質(zhì)體的網(wǎng)格化是將地質(zhì)體分解為較小的地質(zhì)單元，單元之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，以離散的形式 來(lái)描述和分析巖性、斷層之類(lèi)的地質(zhì)特征，以便進(jìn)行地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)值計(jì)算、可視化渲染及其 它工程應(yīng)用，為開(kāi)展三維地質(zhì)模擬奠定基礎(chǔ)，使地質(zhì)工作者可以獲得更多的信息。
[0003] 網(wǎng)格化作為地質(zhì)工程實(shí)踐應(yīng)用的前處理階段，網(wǎng)格單元的質(zhì)量直接影響著工程實(shí) 際問(wèn)題的解決精度。在網(wǎng)格化技術(shù)發(fā)展的早期階段，網(wǎng)格模型通常是由熟練的工程師手工 劃分，之后交由算法進(jìn)行自動(dòng)處理。由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性和多樣性，導(dǎo)致網(wǎng)格化問(wèn)題的規(guī) 模與復(fù)雜性也在日益增加。在網(wǎng)格化過(guò)程中，按照網(wǎng)格之間的連接關(guān)系可分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格本身隱含著固定的鄰接關(guān)系，以四邊形、立方體網(wǎng)格單元為 主，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，網(wǎng)格化方法包括代數(shù)法、偏微分方程法以及超單元映射法，計(jì)算結(jié)果易于收 斂，但是網(wǎng)格單元的精度難以控制與檢測(cè)。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的鄰接關(guān)系并不固定，需要記錄其 鄰接關(guān)系，以四面體、六面體、棱錐體為主要網(wǎng)格單元，能較好表達(dá)地質(zhì)體的邊界特征，主要 方法有Delaunay法和AFT法，具有邊界適應(yīng)能力，是目前網(wǎng)格化技術(shù)的主要研究方向，其中， 如何檢測(cè)復(fù)雜地質(zhì)體剖分時(shí)的邊界一致性和生成高質(zhì)量網(wǎng)格單元是難點(diǎn)問(wèn)題之一。目前， 在網(wǎng)格化過(guò)程中，無(wú)論是樣本數(shù)據(jù)的收集、解釋及其處理，還是網(wǎng)格模型的構(gòu)建，仍然缺乏 有效而系統(tǒng)性的檢測(cè)手段和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種網(wǎng)格化能夠正確剖分、網(wǎng)格單元的精度高的地質(zhì)體網(wǎng)格 化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛擬地 質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系加以描述并構(gòu)建3D模型，抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包括 點(diǎn)、邊、面片、表面和體及其派生類(lèi)的對(duì)象，具體包括地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體，在構(gòu) 建3D模型時(shí)，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正，主要包括步 驟：
[0007] A、多源數(shù)據(jù)一體化：
[0008] 3D地質(zhì)建模主要基于區(qū)域內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，該區(qū)域記為Ω，將Ω內(nèi)的邊界數(shù)據(jù)、鉆孔 數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、3D掃描數(shù)據(jù)、以及各種解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化處理，生成樣本數(shù)據(jù)集合S，作 為地質(zhì)體網(wǎng)格化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0009] B、布點(diǎn)檢測(cè)：
[0010] 由于Ω內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)比較缺乏，需要在其中布置數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用2種方法：
[0011] 方法一、特征點(diǎn)插入:識(shí)別Ω內(nèi)的地質(zhì)特征，如斷層、尖滅，并根據(jù)給定的密度閾值 ε，插入相應(yīng)點(diǎn)，構(gòu)建點(diǎn)集合F;
[0012] 方法二、規(guī)格化點(diǎn)插入：以Ω最小/大值為界，構(gòu)建包圍盒，對(duì)包圍盒內(nèi)進(jìn)行規(guī)格化 插入點(diǎn)，生成點(diǎn)集合G;
[0013] C、表面模型檢測(cè)：
[0014] 以S為網(wǎng)格化的點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用三角形或四邊形作為面片，進(jìn)行網(wǎng)格化剖分，構(gòu)建地 質(zhì)體的表面模型，并進(jìn)行下列檢測(cè)：
[0015] 約束檢測(cè)、局部單元優(yōu)化檢測(cè)、閉合性檢測(cè)、自交性檢測(cè)、流型檢測(cè)、面片方向性檢 測(cè)；
[0016] D、體模型檢測(cè)：
[0017]對(duì)已構(gòu)建地質(zhì)體的表面模型進(jìn)行上述檢測(cè)并修正完成之后，可以進(jìn)行體剖分，生 成相應(yīng)的四面體或六面體網(wǎng)格模型，并對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試：
[0018] 網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)、吻合度檢測(cè)、截面檢測(cè)。
[0019] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程 中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛擬地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系 加以描述并構(gòu)建3D模型，抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包括點(diǎn)、邊、面片、表面和體及其派生類(lèi)的對(duì) 象，具體包括地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體，在構(gòu)建3D模型時(shí)，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程中進(jìn) 行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正。通過(guò)對(duì)地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中各個(gè)階段的分析，提出 相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)及修正方法，以確保網(wǎng)格化能夠正確剖分，并使得網(wǎng)格單元的精度能夠滿 足地質(zhì)工作者的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法的總體流程示意 圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3a、圖3b、圖3c分別為本發(fā)明實(shí)施例中懸點(diǎn)、懸邊、懸面片的約束檢測(cè)示例。
[0023 ]圖4a、圖4b、圖4c、圖4d分別為本發(fā)明實(shí)施例中穿透性自交、相鄰性自交、穿透性自 交重構(gòu)、相鄰性自交重構(gòu)的自交性檢測(cè)示例。
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中流型檢測(cè)示例。
[0025]圖6a、圖6b分別為本發(fā)明實(shí)施例共面檢測(cè)中初始前沿、前沿推進(jìn)法過(guò)程示意圖。 [0026]圖7a、圖7b分別為本發(fā)明實(shí)施例的多源數(shù)據(jù)一體化處理中的一體化處理示意圖和 地層樣本數(shù)據(jù)示例。
[0027]圖8a、圖8b分別為本發(fā)明實(shí)施例的布置數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)中的特征點(diǎn)插入和規(guī)格化 點(diǎn)插入示意圖。
[0028]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中表面模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息示例。
[0029]圖10a、圖IOb、圖IOc、圖IOd分別為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)模型S4進(jìn)行約束檢測(cè)示例中S4 中的冗余面片示例、S沖的懸點(diǎn)示例、S4中的懸邊示例、約束檢測(cè)并修正后的S4網(wǎng)格示例。 [0030]圖11a、圖Ilb分別為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)S 4進(jìn)行閉合性檢測(cè)中閉合性檢測(cè)失敗和閉合 性檢測(cè)成功示意圖。
[0031] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中多個(gè)地層模型的自交性檢測(cè)示意圖。
[0032] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)S4地層模型實(shí)行流型檢測(cè)示意圖。
[0033]圖14為本發(fā)明實(shí)施例中S4的體模型。
[0034]圖15a、圖15b、圖15c、圖15d分別為本發(fā)明實(shí)施例截面檢測(cè)與一體化顯示中S4截面 示例、單截面一體化示例、多個(gè)截面及其一體化示例、多個(gè)截面及其一體化示例的局部放大 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0036] 本發(fā)明的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其較佳的【具體實(shí)施方式】是：
[0037] 利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛擬地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系加以描述并 構(gòu)建3D模型，抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包括點(diǎn)、邊、面片、表面和體及其派生類(lèi)的對(duì)象，具體包括 地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體，在構(gòu)建3D模型時(shí)，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)， 并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正，主要包括步驟：
[0038] A、多源數(shù)據(jù)一體化：
[0039] 3D地質(zhì)建模主要基于區(qū)域內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，該區(qū)域記為Ω，將Ω內(nèi)的邊界數(shù)據(jù)、鉆孔 數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、3D掃描數(shù)據(jù)、以及各種解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化處理，生成樣本數(shù)據(jù)集合S，作 為地質(zhì)體網(wǎng)格化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0040] B、布點(diǎn)檢測(cè)：
[0041] 由于Ω內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)比較缺乏，需要在其中布置數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用2種方法：
[0042] 方法一、特征點(diǎn)插入:識(shí)別Ω內(nèi)的地質(zhì)特征，如斷層、尖滅，并根據(jù)給定的密度閾值 ε，插入相應(yīng)點(diǎn)，構(gòu)建點(diǎn)集合F;
[0043] 方法二、規(guī)格化點(diǎn)插入：以Ω最小/大值為界，構(gòu)建包圍盒，對(duì)包圍盒內(nèi)進(jìn)行規(guī)格化 插入點(diǎn)，生成點(diǎn)集合G;
[0044] C、表面模型檢測(cè)：
[0045] 以S為網(wǎng)格化的點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用三角形或四邊形作為面片，進(jìn)行網(wǎng)格化剖分，構(gòu)建地 質(zhì)體的表面模型，并進(jìn)行下列檢測(cè)：
[0046] 約束檢測(cè)、局部單元優(yōu)化檢測(cè)、閉合性檢測(cè)、自交性檢測(cè)、流型檢測(cè)、面片方向性檢 測(cè)；
[0047] D、體模型檢測(cè)：
[0048]對(duì)已構(gòu)建地質(zhì)體的表面模型進(jìn)行上述檢測(cè)并修正完成之后，可以進(jìn)行體剖分，生 成相應(yīng)的四面體或六面體網(wǎng)格模型，并對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試：
[0049] 網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)、吻合度檢測(cè)、截面檢測(cè)。
[0050] 所述步驟B中：
[0051] 對(duì)于 VfieF & V_Sj.eS,其中，i = l，2, · · .m, j = l，2, · · .n〇，m為F集合的元素個(gè)數(shù)，η〇 為S的樣本初始個(gè)數(shù)，檢測(cè)F中的每個(gè)點(diǎn)6與Vsj的距離，如果該距離大于 ε，則將fl合并入s 中，即S = S U {fi}，最終獲得集合S，且其元素個(gè)數(shù)為m，m < m+ηο;
[0052] 對(duì)于 VggG & VsjeS.，:其中，k=l，2, · · .r, j = l，2, · · .m，r為G集合的元素個(gè)數(shù)，檢 測(cè)G中的每個(gè)點(diǎn)gk與Vs3的距離，如果該距離大于ε，則進(jìn)行點(diǎn) gk在地質(zhì)體邊界區(qū)域內(nèi)的判斷， 對(duì)于在Ω內(nèi)的點(diǎn)gk，則將gk也合并入S中，即S = SU {gk}。
[0053] 所述步驟C中：
[0054] 所述約束檢測(cè)包括:對(duì)構(gòu)成表面模型中的對(duì)象點(diǎn)、邊、及面片，分別進(jìn)行冗余性和 多余性檢測(cè)，首先構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即表面模型可以由多個(gè)面片構(gòu)成;面片由邊構(gòu) 成，或直接由點(diǎn)構(gòu)成;邊由點(diǎn)構(gòu)成，通過(guò)表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能準(zhǔn)確判斷它們之間的關(guān)聯(lián) 關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行面片、邊、點(diǎn)的冗/多余性檢測(cè)；
[0055] 所述局部單元優(yōu)化檢測(cè)包括:在表面模型中遍歷搜索共享邊的面片單元，對(duì)兩個(gè) 共享邊的面片作最大空?qǐng)A準(zhǔn)則檢測(cè)，如果某個(gè)頂點(diǎn)在面片的外接圓之內(nèi)，則修正對(duì)角線，完 成單元優(yōu)化過(guò)程的檢測(cè)，對(duì)于無(wú)法滿足最大空?qǐng)A準(zhǔn)則的，進(jìn)行局部布點(diǎn)修正；
[0056] 所述閉合性檢測(cè)包括:從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任意一條邊ei出發(fā)，向上搜索與邊ei共享的面 片及其總數(shù)N，如果N! =2,則閉合性檢測(cè)失敗，輸出不閉合的邊或面片，否則繼續(xù)下條邊的 搜索，直至所有邊均搜索完畢，且每條邊僅被兩個(gè)面片所共享，說(shuō)明閉合性檢測(cè)成功，即表 面模型具有閉合性，對(duì)于導(dǎo)致非閉合的邊或面片，需要修正表面模型中的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行 閉合性檢測(cè)；
[0057] 所述自交性檢測(cè)主要針對(duì)網(wǎng)格面片的自交性進(jìn)行檢測(cè)，包括:對(duì)于Vci面片，i e U，2, ...，M}，M為面片集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過(guò)包圍盒檢測(cè)方 法，搜索W，j e {1，2，. . .，M}&&j矣i ;并分別計(jì)算cdPw的平面方程;再將2個(gè)平面方程求交， 并進(jìn)行交點(diǎn)有效性判斷，獲得交點(diǎn)系列*P，如果P = NULU則cdPw不自交，否則返回自交信 息，對(duì)于自交的網(wǎng)格，按以下兩種方法進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，方法一是返回布點(diǎn)階段，重新插值及 修正數(shù)據(jù)，方法二是局部添加網(wǎng)格；
[0058]所述流型檢測(cè)包括:對(duì)于下列情況，即點(diǎn)、邊、面片都為模型的正確網(wǎng)格剖分，但是 由于多個(gè)網(wǎng)格模型的相鄰關(guān)系，使得存在某個(gè)邊被多于2個(gè)面片所共享，此時(shí)需要進(jìn)行如下 檢測(cè):設(shè)邊ek，ke{l，2, . . .，N}，N為邊集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，向上 搜索由其構(gòu)成的面片，記為Ci面片，ie {1，2,...，M}，M為面片集合的個(gè)數(shù)，L為與邊％共享的 面片個(gè)數(shù)，如果L是奇數(shù)，則需要分解表面模型，直至L為偶數(shù)；
[0059] 所述面片方向性檢測(cè)包括:對(duì)于凸面體和凹面體的表面模型，首先過(guò)面片內(nèi)一點(diǎn) 做垂直于面片的垂線，最少與模型的其它表面面片有1個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)交點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1時(shí)，從面片 內(nèi)一點(diǎn)開(kāi)始的垂線，一端向著模型內(nèi)部方向延伸，與模型有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)；另一端向著模型外 部方向延伸，與模型有偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)，只要選取向著模型內(nèi)部方向延伸的這端距離面片最近 的交點(diǎn)，就能得到正確的面片特殊內(nèi)部點(diǎn)，之后以面片內(nèi)一點(diǎn)為起點(diǎn)，以垂線與其它面片的 交點(diǎn)為終點(diǎn)做一條向量，把與面片法向量方向相同的向量對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)歸為一類(lèi)，方向相反 的歸為一類(lèi)，判斷哪一類(lèi)中具有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)，從中選擇距離面片最近的交點(diǎn)來(lái)求特殊內(nèi)部 點(diǎn)，再?gòu)倪@個(gè)特殊內(nèi)部點(diǎn)向面片做垂線，根據(jù)垂線與面片法向量的方向關(guān)系做出調(diào)整，如果 垂線的方向與面片法向量的方向相同，則此面片法向量指向模型外部，否則交換任意兩個(gè) 頂點(diǎn)的位置。
[0060] 所述步驟D中：
[0061] 所述網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)包括:計(jì)算形成網(wǎng)格單元兩個(gè)面片的夾角，以檢測(cè)該網(wǎng)格單元 的扭曲度;計(jì)算網(wǎng)格單元中最長(zhǎng)邊與最短邊之比，檢測(cè)其比值是否為1-3;計(jì)算單位雅可比 值，檢測(cè)網(wǎng)格單元雅可比值是否在[0.4，1]范圍內(nèi)，通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制生成網(wǎng)格單元的幾 何屬性，從而提高網(wǎng)格的質(zhì)量，這些參數(shù)主要包括:局部網(wǎng)格尺寸、可接受的全局最大和最 小網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度、網(wǎng)格分級(jí)、元素曲率半徑、在封閉邊界上的網(wǎng)格精細(xì)化和三維網(wǎng)格 優(yōu)化的步數(shù)；
[0062] 所述吻合度檢測(cè)包括:面積計(jì)算，即分別計(jì)算體模型網(wǎng)格外邊界單元的面積、以及 表面模型單元的面積，檢測(cè)其差值是否趨近〇.〇;體積計(jì)算，即分別計(jì)算體模型和表面模型 的體積，并檢測(cè)其差值;共面檢測(cè)，這種檢測(cè)一般適用于體模型和表面模型采用相同網(wǎng)格單 元的情況，從TIN的網(wǎng)格初始前沿開(kāi)始，逐層向區(qū)域內(nèi)部推進(jìn)，直至填滿整個(gè)區(qū)域，對(duì)于任意 一個(gè)面片V eieTIN，ie {1，2, . . .，M}，M為T(mén)IN的面片集合的個(gè)數(shù)，通過(guò)遍歷相應(yīng)的TEN模型外 邊界面片，則一定存在且僅存在一個(gè)面片aupTEM，je {1，2, . . .，N}，N為T(mén)EN的面片集合的 個(gè)數(shù)，使得CdPuj-致;當(dāng)檢測(cè)所有TIN中的面片與TEN模型外邊界面片中的面片存在上述一 致性關(guān)系時(shí)，返回完全吻合檢測(cè)信息；
[0063] 所述截面檢測(cè)包括:分別對(duì)體模型和表面模型進(jìn)行截面計(jì)算與重構(gòu)，并將它們進(jìn) 行一體化顯示，通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)格單元的面片、邊、點(diǎn)，進(jìn)行可視化的對(duì)比分析。
[0064] 本發(fā)明通過(guò)對(duì)地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中各個(gè)階段的分析，提出相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)及修正 方法，以確保網(wǎng)格化能夠正確剖分，并使得網(wǎng)格單元的精度能夠滿足地質(zhì)工作者的需求。 [0065] 一、本發(fā)明的總體流程：
[0066] 地質(zhì)體包括諸如地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體復(fù)雜對(duì)象，具有十分復(fù)雜的空間 展布及其拓?fù)潢P(guān)系，缺乏使用數(shù)值計(jì)算解決問(wèn)題的方法。本發(fā)明利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛 擬地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系加以描述。抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包括點(diǎn)、邊、面 片、表面和體，及其派生類(lèi)的對(duì)象，如地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體。
[0067] 在構(gòu)建3D模型時(shí)，由于樣本的稀疏以及對(duì)象形狀的復(fù)雜性，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程 中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正。主要步驟如圖1所示。
[0068] 1、多源數(shù)據(jù)一體化：
[0069] 3D地質(zhì)建模主要基于區(qū)域內(nèi)（記為Ω )的多源數(shù)據(jù)，將Ω內(nèi)的邊界數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、 剖面數(shù)據(jù)、3D掃描數(shù)據(jù)、以及各種解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化處理，生成樣本數(shù)據(jù)集合S，作為地質(zhì) 體網(wǎng)格化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0070] 2、布點(diǎn)檢測(cè)：
[0071] 通常情況下，Ω內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)比較缺乏，需要在其中布置數(shù)據(jù)點(diǎn)。采用2種方法，1) 特征點(diǎn)插入。識(shí)別Ω內(nèi)的地質(zhì)特征，如斷層、尖滅，并根據(jù)給定的密度閾值 ε，插入相應(yīng)點(diǎn)，構(gòu) 建點(diǎn)集合F; 2)規(guī)格化點(diǎn)插入。以Ω最小/大值為界，構(gòu)建包圍盒，對(duì)包圍盒內(nèi)進(jìn)行規(guī)格化插 入點(diǎn)，生成點(diǎn)集合G。
[0072] 對(duì)于 Vfi&F & Vs:jeS:，其中，i = l，2, · · .m, j = l，2, · · .n〇，m為F集合的元素個(gè)數(shù)，η〇 為S的樣本初始個(gè)數(shù)。檢測(cè)F中的每個(gè)點(diǎn)f·1與VSj的距離，如果該距離大于 ε，則將h合并入S 中，即S = S U {fi}。最終獲得集合S，且其元素個(gè)數(shù)為m，no < m < m+ηο。
[0073] 對(duì)于VgkeG & VSjeS，其中，k=l，2, ...r, j = l，2, ...ηι，!·為 G 集合的元素個(gè)數(shù)。檢 測(cè)G中的每個(gè)點(diǎn)gk與Vsj的距離，如果該距離大于ε，則進(jìn)行點(diǎn) gk在地質(zhì)體邊界區(qū)域內(nèi)的判斷。 對(duì)于在Ω內(nèi)的點(diǎn)gk，則將gk也合并入S中，即S = SU {gk}。
[0074] 3、表面模型檢測(cè)：
[0075] 以S為網(wǎng)格化的點(diǎn)數(shù)據(jù)，可采用三角形或四邊形作為面片，進(jìn)行網(wǎng)格化剖分，構(gòu)建 地質(zhì)體的表面模型。為了保證表面模型的可靠性，需要進(jìn)行下列檢測(cè)。
[0076] 1)約束檢測(cè)。對(duì)構(gòu)成表面模型中的對(duì)象點(diǎn)、邊、及面片，分別進(jìn)行冗余性和多余性 檢測(cè)。首先構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2所示），即表面模型可以由多個(gè)面片構(gòu)成;面片 由邊構(gòu)成，或直接由點(diǎn)構(gòu)成;邊由點(diǎn)構(gòu)成。通過(guò)表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確判斷它們之 間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行面片、邊、點(diǎn)的冗/多余性檢測(cè)。
[0077] 以邊冗/多余性檢測(cè)為例，設(shè)第k條邊ek，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，首先搜索邊集合，如果發(fā) 現(xiàn)與邊改相同的邊e q，其中，9￡{1，2，...，《-{幻4為邊集合的個(gè)數(shù)，則發(fā)生冗余，刪除冗余 的邊eq，并修正與之關(guān)聯(lián)的拓?fù)湫畔?，以確保信息的正確性與完整性。之后，再向上搜索％是 否構(gòu)成某個(gè)或某幾個(gè)面片，如果搜索結(jié)果為NULL，則邊e k多余;否則假設(shè)說(shuō)構(gòu)成面片Cl，ie {1，2，...，M}，M為面片集合的個(gè)數(shù)，需要繼續(xù)檢測(cè)面片C 1的多余性；如果向上搜索結(jié)果為 NULL，則說(shuō)明邊％也是多余的；最終將多余的邊％進(jìn)行刪除處理。其它檢測(cè)操作類(lèi)似。如果能 夠依次進(jìn)行面片、邊、點(diǎn)的冗/多余性檢測(cè)，則各個(gè)對(duì)象的檢測(cè)僅需要在本層及向上搜索一 層即可基本完成。通過(guò)約束檢測(cè)，可以檢測(cè)并刪除圖3中的懸點(diǎn)p(圖3a)、懸邊e(圖3b)、以及 部分懸面片c (圖3c)情況。
[0078] 2)局部單元優(yōu)化檢測(cè)。在表面模型中遍歷搜索共享邊的面片單元，對(duì)兩個(gè)共享邊 的面片作最大空?qǐng)A準(zhǔn)則檢測(cè)，如果某個(gè)頂點(diǎn)在面片的外接圓之內(nèi)，則修正對(duì)角線，完成單元 優(yōu)化過(guò)程的檢測(cè)。對(duì)于無(wú)法滿足最大空?qǐng)A準(zhǔn)則的，進(jìn)行局部布點(diǎn)修正。
[0079] 3)閉合性檢測(cè)。為了真實(shí)地描述地質(zhì)體，所構(gòu)建的表面模型通常應(yīng)該是一個(gè)閉合 的空間形狀，以便表達(dá)諸如侵入巖、透鏡體、礦體。為此需要對(duì)表面模型進(jìn)行閉合性測(cè)試。從 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任意一條邊ei出發(fā)，向上搜索與邊ei共享的面片及其總數(shù)N，如果N! =2,則閉合 性檢測(cè)失敗，輸出不閉合的邊或面片；否則繼續(xù)下條邊的搜索，直至所有邊均搜索完畢，且 每條邊僅被兩個(gè)面片所共享，說(shuō)明閉合性檢測(cè)成功，即表面模型具有閉合性。對(duì)于導(dǎo)致非閉 合的邊或面片，需要修正表面模型中的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行閉合性檢測(cè)。閉合性檢測(cè)也可以搜 索出并刪除懸面片（圖3c)情況。
[0080] 4)自交性檢測(cè)。在地質(zhì)體網(wǎng)格化剖分過(guò)程中，由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性，以及剖分算 法的健壯性，可能導(dǎo)致網(wǎng)格發(fā)生自交。自交性檢測(cè)主要針對(duì)網(wǎng)格面片的自交性進(jìn)行檢測(cè)。對(duì) 于Vc i面片，16{1，2，...^}，1為面片集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過(guò) 包圍盒檢測(cè)方法，搜索^，#{1，2，...，}&&_]_封；并分別計(jì)算(3 1和(^的平面方程;再將2個(gè) 平面方程求交，并進(jìn)行交點(diǎn)有效性判斷，獲得交點(diǎn)系列*P。如果P = NULU則CdPCj不自交;否 則返回自交信息，例如圖4a穿透性自交、以及圖4b相鄰性自交。對(duì)于自交的網(wǎng)格，需要進(jìn)行 網(wǎng)格重構(gòu)，方法1是返回布點(diǎn)階段，重新插值及修正數(shù)據(jù);方法2是局部添加網(wǎng)格，如圖4c和 圖4d，分別對(duì)應(yīng)圖4a和圖4b的Ci網(wǎng)格重構(gòu)結(jié)果之一。
[0081] 5)流型檢測(cè)。為了進(jìn)一步進(jìn)行地質(zhì)體的體模型構(gòu)建，需要進(jìn)行流型檢測(cè)，以確保體 剖分算法的穩(wěn)定性。對(duì)于懸點(diǎn)、懸邊、懸面片這類(lèi)非流型，可以通過(guò)上述約束檢測(cè)、閉合性檢 測(cè)實(shí)現(xiàn)非流型的檢測(cè)并刪除相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于下列情況，即點(diǎn)、邊、面片都為模型的正確網(wǎng)格 剖分，但是由于多個(gè)網(wǎng)格模型的相鄰關(guān)系，使得存在某個(gè)邊被多于2個(gè)面片所共享，此時(shí)需 要進(jìn)行如下檢測(cè):設(shè)邊％上6{1，2，...，《4為邊集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)中，向上搜索由其構(gòu)成的面片，記為C 1面片，1[{1，2，...，}1為面片集合的個(gè)數(shù)兒為與 邊％共享的面片個(gè)數(shù)。如果L是奇數(shù)，則需要分解表面模型，直至L為偶數(shù)(如圖5)。
[0082] 6)面片方向性檢測(cè)。為了進(jìn)行地質(zhì)體的體剖分以及可視化渲染，需要對(duì)所構(gòu)建表 面模型進(jìn)行面片方向性檢測(cè)，以保持面片方向一致性并使其法向量指向表面模型外部。對(duì) 于凸面體和凹面體的表面模型，首先過(guò)面片內(nèi)一點(diǎn)做垂直于面片的垂線，最少與模型的其 它表面面片有1個(gè)交點(diǎn)。當(dāng)交點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1時(shí)，從面片內(nèi)一點(diǎn)開(kāi)始的垂線，一端向著模型內(nèi)部 方向延伸，與模型有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)；另一端向著模型外部方向延伸，與模型有偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)。只 要選取向著模型內(nèi)部方向延伸的這端距離面片最近的交點(diǎn)，就可以得到正確的面片特殊內(nèi) 部點(diǎn)。之后以面片內(nèi)一點(diǎn)為起點(diǎn)，以垂線與其它面片的交點(diǎn)為終點(diǎn)做一條向量，可以把與面 片法向量方向相同的向量對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)歸為一類(lèi)，方向相反的歸為一類(lèi)。判斷哪一類(lèi)中具有 奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)，從中選擇距離面片最近的交點(diǎn)來(lái)求特殊內(nèi)部點(diǎn)。再?gòu)倪@個(gè)特殊內(nèi)部點(diǎn)向面片 做垂線，根據(jù)垂線與面片法向量的方向關(guān)系做出調(diào)整，如果垂線的方向與面片法向量的方 向相同，則此面片法向量指向模型外部，否則交換任意兩個(gè)頂點(diǎn)的位置。
[0083] 4、體模型檢測(cè)：
[0084]對(duì)已構(gòu)建地質(zhì)體的表面模型進(jìn)行上述檢測(cè)并修正完成之后，可以進(jìn)行體剖分，生 成相應(yīng)的四面體或六面體網(wǎng)格模型，并對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試。
[0085] 1)網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)。對(duì)于構(gòu)建體模型的網(wǎng)格單元進(jìn)行優(yōu)化檢測(cè)，優(yōu)化質(zhì)量直接關(guān)系 模型的可用性與可靠性，如關(guān)系到礦體儲(chǔ)量計(jì)算分析的精度、工程應(yīng)用問(wèn)題。主要方法:計(jì) 算形成網(wǎng)格單元兩個(gè)面片的夾角，以檢測(cè)該網(wǎng)格單元的扭曲度;計(jì)算網(wǎng)格單元中最長(zhǎng)邊與 最短邊之比，檢測(cè)其比值是否為1-3;計(jì)算單位雅可比值，檢測(cè)網(wǎng)格單元雅可比值是否在 [0.4,1]范圍內(nèi)。此外，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制生成網(wǎng)格單元的幾何屬性，從而提高網(wǎng)格 的質(zhì)量。這些參數(shù)主要包括:局部網(wǎng)格尺寸、可接受的全局最大和最小網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度、 網(wǎng)格分級(jí)、元素曲率半徑、在封閉邊界上的網(wǎng)格精細(xì)化和三維網(wǎng)格優(yōu)化的步數(shù)。
[0086] 2)吻合度檢測(cè)。重點(diǎn)檢測(cè)體模型網(wǎng)格外邊界與表面模型邊界的吻合度，以確保體 模型能夠最好地逼近表面模型，從而真實(shí)反映地質(zhì)體原貌。主要方法包括:面積計(jì)算，即分 別計(jì)算體模型網(wǎng)格外邊界單元的面積、以及表面模型單元的面積，檢測(cè)其差值是否趨近 〇.〇;體積計(jì)算，即分別計(jì)算體模型和表面模型的體積，并檢測(cè)其差值;共面檢測(cè)，這種檢測(cè) 一般適用于體模型和表面模型采用相同網(wǎng)格單元的情況，以四面體模型TEN和三角形表面 模型TIN為例，其網(wǎng)格單元都是3個(gè)點(diǎn)組成。從TIN的網(wǎng)格初始前沿開(kāi)始（圖6a)，逐層向區(qū)域 內(nèi)部推進(jìn)，直至填滿整個(gè)區(qū)域（圖6b)。這里圖6a、6b為2D前沿推進(jìn)法的基本過(guò)程，3D過(guò)程類(lèi) 似。對(duì)于任意一個(gè)面片Vc^TIN rie {1，2,...，M}，M為T(mén)IN的面片集合的個(gè)數(shù)，通過(guò)遍歷相應(yīng) 的TEN模型外邊界面片，則一定存在且僅存在一個(gè)面片3%eTEN，je {1，2,.. .，N}，N為T(mén)EN的 面片集合的個(gè)數(shù)，使得CdPuj-致;當(dāng)檢測(cè)所有TIN中的面片與TEN模型外邊界面片中的面片 存在上述一致性關(guān)系時(shí)，返回完全吻合檢測(cè)信息。
[0087] 3)截面檢測(cè)。分別對(duì)體模型和表面模型進(jìn)行截面計(jì)算與重構(gòu)，并將它們進(jìn)行一體 化顯示，通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)格單元的面片、邊、點(diǎn)，進(jìn)行可視化的對(duì)比分析。
[0088] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的環(huán)境包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境：
[0089]硬件環(huán)境包括三維地震勘探設(shè)備、鉆孔、傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備、電子測(cè)量設(shè)備、GPS、激光 掃描儀、高性能PC、服務(wù)器。軟件環(huán)境包括地理信息系統(tǒng)、.net平臺(tái)和OpenGL圖形庫(kù)。
[0090]本發(fā)明的特點(diǎn)是：
[0091 ] I)本發(fā)明針對(duì)目前在網(wǎng)格化過(guò)程中缺乏有效而系統(tǒng)性的檢測(cè)手段和方法，通過(guò)對(duì) 地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中各個(gè)階段的分析，提出相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)及修正方法。對(duì)3D地質(zhì)建模區(qū) 域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化處理，經(jīng)過(guò)布點(diǎn)檢測(cè)、表面模型檢測(cè)、體模型檢測(cè)，為地質(zhì)體的網(wǎng)格 化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
[0092] 2)通過(guò)構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)表面模型進(jìn)行約束檢測(cè)、局部單元優(yōu)化檢測(cè)、 閉合性檢測(cè)、自交性檢測(cè)、流型檢測(cè)、面片方向性檢測(cè)一系列的系統(tǒng)性檢測(cè)，并提出指導(dǎo)性 的修正信息和方法，不僅保證表面模型的網(wǎng)格質(zhì)量及其真實(shí)地刻畫(huà)地質(zhì)體，而且為地質(zhì)體 的體模型構(gòu)建提供可剖分的數(shù)據(jù)。
[0093] 3)針對(duì)如何檢測(cè)復(fù)雜地質(zhì)體剖分時(shí)的邊界一致性和生成高質(zhì)量網(wǎng)格單元難題，本 發(fā)明提供網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)、吻合度檢測(cè)、截面檢測(cè)的方法，可有效地對(duì)地質(zhì)體中存在包含關(guān) 系、相鄰關(guān)系時(shí)的邊界一致性檢測(cè)及其修正，并使得網(wǎng)格單元的精度能夠滿足地質(zhì)工作者 的需求。
[0094] 4)本發(fā)明所提供的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，不僅能夠檢測(cè)地質(zhì)、礦 山、石油領(lǐng)域中復(fù)雜地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)問(wèn)題，而且也適用于醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域中復(fù)雜 物體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)及其修正問(wèn)題。
[0095] 二、具體實(shí)施例：
[0096]以位于河北一個(gè)鐵礦為例。
[0097] 具體步驟如下：
[0098]步驟1、將礦區(qū)內(nèi)的邊界數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、3D掃描數(shù)據(jù)、以及各種解釋數(shù) 據(jù)進(jìn)行一體化處理（圖7a)，生成各個(gè)地層的樣本數(shù)據(jù)集合(S1, S2，...，S9}。以如圖7b地層S4 的樣本數(shù)據(jù)為例，對(duì)其它樣本操作類(lèi)似。它們將作為地質(zhì)體網(wǎng)格化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0099]步驟2、從圖7a、圖7b可見(jiàn)，礦區(qū)內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)比較缺乏，需要在其中布置數(shù)據(jù)點(diǎn)。 首先可識(shí)別區(qū)內(nèi)的斷層，并根據(jù)給定的密度閾值ε = 50,插入相應(yīng)點(diǎn)，構(gòu)成斷層F2的點(diǎn)集(圖 8a)。之后進(jìn)行規(guī)格化點(diǎn)插入，設(shè)置諸如Χ/Υ/Ζ方向的密度、XY旋轉(zhuǎn)角度系列參數(shù)，獲得規(guī)格 化點(diǎn)集(圖8b)。將所生成的點(diǎn)合并入S 4中，以備網(wǎng)格化之用。
[0100] 步驟3、進(jìn)行表面模型檢測(cè)，具體步驟如下：
[0101] 步驟301、以S4為網(wǎng)格化的點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格化剖分，構(gòu)建地層S4的表面模型，并生 成該表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖9表示S 4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在緩存中的存儲(chǔ)形式，分別顯示了構(gòu)成 S4的其中第10個(gè)和第22個(gè)面片及其拓?fù)湫畔ⅰ?br>[0102] 步驟302、對(duì)構(gòu)成表面模型S4中的對(duì)象點(diǎn)、邊、及面片，分別進(jìn)行冗余性和多余性檢 測(cè)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，搜索構(gòu)成S 4的面片集合，發(fā)現(xiàn)面片冗余（圖10a)，則可從S4的面片集合中 刪除此冗余面片，并修正與之關(guān)聯(lián)的拓?fù)湫畔?通過(guò)向上搜索可分別發(fā)現(xiàn)多余點(diǎn)（圖IOb)和 多余邊(圖l〇c)，并刪除相關(guān)的懸點(diǎn)和懸邊，最終可以獲得經(jīng)過(guò)約束檢測(cè)并修正后的S 4網(wǎng)格 (圖 10d)〇
[0103]步驟303、由于S4地層中包含了若干條斷層，并進(jìn)行了特征點(diǎn)插入，在保持?jǐn)鄬犹?征邊的前提下，對(duì)S4地層模型中的局部網(wǎng)格單元進(jìn)行優(yōu)化檢測(cè)，對(duì)于無(wú)法滿足最大空?qǐng)A準(zhǔn) 則的，轉(zhuǎn)入步驟2，進(jìn)行局部布點(diǎn)修正。
[0104]步驟304、對(duì)S4地層模型進(jìn)行閉合性檢測(cè)，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任意一條邊ei出發(fā)，向上搜 索與邊ei共享的面片及其總數(shù)N，如果N! =2,則閉合性檢測(cè)失敗，并輸出不閉合的相關(guān)邊 (圖11a)，轉(zhuǎn)入步驟301，對(duì)模型進(jìn)行局部重構(gòu)；否則繼續(xù)下條邊的搜索，直至所有邊均搜索 完畢，且每條邊僅被兩個(gè)面片所共享，則S4地層模型具有閉合性(圖I Ib)。
[0105] 步驟305、分別對(duì)S2、S4地層模型進(jìn)行自交性檢測(cè)，如果檢測(cè)失敗，則轉(zhuǎn)入步驟301， 對(duì)模型進(jìn)行局部修正與重構(gòu)；如果檢測(cè)成功，而由于3 2是侵入巖且侵入到S4地層中，屬于地 質(zhì)體中存在包含關(guān)系，則需要將2個(gè)地層模型合并，再進(jìn)行自交性檢測(cè)。結(jié)果如圖12所示，網(wǎng) 格發(fā)生穿透性自交，則轉(zhuǎn)入步驟301，進(jìn)行局部添加網(wǎng)格重構(gòu)。
[0106] 步驟306、對(duì)S4地層模型實(shí)行流型檢測(cè)，在所構(gòu)建S4模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，向上搜索并 發(fā)現(xiàn)存在邊被偶數(shù)個(gè)面片所共享(如圖13)，則不需要分解S 4模型。
[0107] 步驟307、對(duì)S4地層模型進(jìn)行面片方向性檢測(cè)。遍歷S4模型所有表面面片，逐個(gè)進(jìn)行 調(diào)整。先尋找面片對(duì)應(yīng)的特殊內(nèi)部點(diǎn)，再?gòu)倪@個(gè)特殊內(nèi)部點(diǎn)向面片做垂線，根據(jù)垂線與面片 法向量的方向關(guān)系做出調(diào)整。具體步驟如下：
[0108] 步驟3071、選定面片內(nèi)一點(diǎn)。假設(shè)模型的某個(gè)表面面片ABC的初始排列順序?yàn)锳 (xi，yi，zi)、B(X2，y2，Z2)、C(X3，y3，Z3)，取AB中點(diǎn)為D，取CD中點(diǎn)為E(x e，ye，ze)，選定面片ABC 內(nèi)一點(diǎn)E。
[0109] 步驟3072、求過(guò)面片內(nèi)一點(diǎn)且垂直于面片的直線。利用向量積求面片ABC的法向量 ηΞ (m，n，p) 〇
[0110] η 三 ABXBC (I)
[0111] 向量積可以通過(guò)行列式求解：
[0112]
[0113] 過(guò)點(diǎn)E且垂直于面片ABC的直線1^的參數(shù)方程如下，其中t為參數(shù)，因?yàn)橹本€L1平行 于面片ABC的法向量η，所以直線1^的方向向量可以取法向量η。
[0114]
[0115] 步驟3073、求直線與模型其它表面面片的所有交點(diǎn)。直線1^與除面片ABC外的其它 表面面片最少有一個(gè)交點(diǎn)，需要求出所有交點(diǎn)的坐標(biāo)。依次求直線與面片所在平面的交點(diǎn)， 判斷交點(diǎn)與面片的位置關(guān)系，位置關(guān)系有兩大類(lèi):交點(diǎn)在面片內(nèi)或外。取模型一表面面片 A 1B1C1為例說(shuō)明直線與面片交點(diǎn)的求法。先求面片A1B 1C1所在平面的點(diǎn)法式方程。已知面片 AlBlCl三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為Al = ( Xa，ya，Za )、Bi = ( Xb，yb，Zb )和Cl = ( Xc，yC，Zc )，根據(jù)式（1) 求得面片A1B1C1的法向量!!^(!^，!^，!^，又已知面片所在平面上一點(diǎn)此可得面片所在平 面的點(diǎn)法式方程如下。
[0116]
[0117] 把式⑵代入式⑶得
到參數(shù)t的值，從而求得交點(diǎn)丹二化^口以亦"的坐標(biāo)。
[0118]
[0119]
[0120] 求得交點(diǎn)坐標(biāo)后，判斷交點(diǎn)？:落在面片A1B1C1內(nèi)還是外，分別連接交點(diǎn)PjP面片的 三個(gè)頂點(diǎn)，形成向量PiA 1、P1B1和P1C1，然后依次求兩兩向量的向量積P 1A1B1 = P1A1 X P1B1、 PiB1C1 = P1B1 X P1C1和P1C1A1 = P1C1 X P1A1。如果交點(diǎn)在面片內(nèi)，則這三個(gè)向量積的方向相同， 如果交點(diǎn)在面片外，則有一個(gè)向量積的方向與其它兩個(gè)的方向剛好相反。利用如下的向量 積判斷PiA 1B1 A1B1C1和P1C1A 1三個(gè)向量的方向是否相同。
[0121]
[0122] 通過(guò)對(duì)交點(diǎn)與面片位置關(guān)系可能存在的所有情況的分析與歸納，共得到如表1所 示的五類(lèi)情況。表1中條件指公式(4)中dotl、dot2和dot3計(jì)算結(jié)果的正負(fù)（正負(fù)的表示與 dotl、dot2和dot3的順序無(wú)關(guān)）。
[0123] 表1交點(diǎn)與面片的位置關(guān)系
[0125] 以上五類(lèi)包括了所有可能存在的情況，可以判斷交點(diǎn)與面片的位置關(guān)系。當(dāng)交點(diǎn) 落在面片的頂點(diǎn)或邊上時(shí)，一個(gè)交點(diǎn)可能被2個(gè)或2個(gè)以上的面片所共有，此時(shí)要注意只能 算做一個(gè)交點(diǎn)。
[0126] 步驟3074、選擇奇數(shù)端離面片距離最近的交點(diǎn)。做一條從面片上一點(diǎn)指向交點(diǎn)的 向量，根據(jù)此向量與面片法向量的關(guān)系，可以把交點(diǎn)分為兩類(lèi):與法向量方向相同的歸為一 類(lèi);方向相反的歸為一類(lèi)。選擇包含奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)的一類(lèi)中離面片距離最近的交點(diǎn)。
[0127] 步驟3075、求面片的特殊內(nèi)部點(diǎn)。以所選交點(diǎn)和面片上一點(diǎn)的中點(diǎn)作為面片的特 殊內(nèi)部點(diǎn)。再調(diào)整面片前兩個(gè)頂點(diǎn)的順序，即已經(jīng)找到面片的特殊內(nèi)部點(diǎn)，從特殊內(nèi)部點(diǎn)向 面片做垂線，如果和面片法向量方向相同，無(wú)需調(diào)整;如果和面片法向量方向相反，則交換 面片任意兩個(gè)頂點(diǎn)的順序。
[0128] 步驟4、體模型檢測(cè)
[0129] 步驟401、對(duì)S4模型進(jìn)行上述測(cè)試并修正完成之后，可以進(jìn)行體剖分，生成相應(yīng)的 四面體網(wǎng)格模型(如圖14)，并對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試。
[0130] 步驟402、通過(guò)設(shè)置可接受的全局最大尺寸（le6)、網(wǎng)格密度（1)、網(wǎng)格分級(jí)（0)、啟 動(dòng)在封閉邊界上的網(wǎng)格精細(xì)化和三維網(wǎng)格優(yōu)化的步數(shù)，來(lái)控制生成網(wǎng)格單元的幾何屬性， 對(duì)S 4的體模型進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化。
[0131] 步驟403、對(duì)地層SjPS2分別檢測(cè)體模型網(wǎng)格外邊界與表面模型邊界的吻合度;而 由于Si和S2為地質(zhì)體中存在的相鄰關(guān)系，需要進(jìn)一步進(jìn)行模型合并之后的吻合度檢測(cè)。由表 2可知，檢測(cè)所有TIN中的面片與TEN模型外邊界面片中的面片存在一致性關(guān)系，返回完全吻 合檢測(cè)信息。
[0132]表2地層51和52吻合度檢測(cè)信息
[0134] 步驟404、分別對(duì)S4的體模型和表面模型進(jìn)行截面計(jì)算與重構(gòu)，如圖15a為任意一 個(gè)截面的計(jì)算結(jié)果，并將截面和S 4的表面模型進(jìn)行一體化顯示(如圖15b)。為了進(jìn)行區(qū)域整 體性的檢測(cè)，可以進(jìn)行任意多截面的計(jì)算，如圖15c為分別對(duì)S 5、S6、S7的體模型和表面模型 進(jìn)行任意多個(gè)截面及其一體化顯示，其中，截面的邊界用邊界點(diǎn)突出表達(dá)。之后，可以通過(guò) 檢測(cè)網(wǎng)格單元的面片、邊、點(diǎn)，進(jìn)行可視化的對(duì)比分析，如圖15d是對(duì)圖15c中的局部放大結(jié) 果，以檢測(cè)截面與表面模型的數(shù)據(jù)一致性。
[0135] 步驟5、將構(gòu)建并檢測(cè)通過(guò)的體模型和表面模型，進(jìn)行工程應(yīng)用，為解決地質(zhì)復(fù)雜 現(xiàn)象提供可靠的平臺(tái)，使地質(zhì)工作者可以獲得更多的地下信息。
[0136] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其特征在于，利用非數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)虛 擬地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象及其之間的相互關(guān)系加 W描述并構(gòu)建3D模型，抽象的地質(zhì)對(duì)象主要包 括點(diǎn)、邊、面片、表面和體及其派生類(lèi)的對(duì)象，具體包括地層、斷層、侵入巖、透鏡體、礦體，在 構(gòu)建3D模型時(shí)，需要在各個(gè)構(gòu)建過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)及模型的修正，主要包括 步驟： A、 多源數(shù)據(jù)一體化： 3D地質(zhì)建模主要基于區(qū)域內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，該區(qū)域記為Ω，將Ω內(nèi)的邊界數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù) 據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、3D掃描數(shù)據(jù)、W及各種解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化處理，生成樣本數(shù)據(jù)集合S，作為 地質(zhì)體網(wǎng)格化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； B、 布點(diǎn)檢測(cè)： 由于Ω內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)比較缺乏，需要在其中布置數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用巧巾方法： 方法一、特征點(diǎn)插入:識(shí)別Ω內(nèi)的地質(zhì)特征，如斷層、尖滅，并根據(jù)給定的密度闊值ε，插 入相應(yīng)點(diǎn)，構(gòu)建點(diǎn)集合F; 方法二、規(guī)格化點(diǎn)插入：ΚΩ最小/大值為界，構(gòu)建包圍盒，對(duì)包圍盒內(nèi)進(jìn)行規(guī)格化插入 點(diǎn)，生成點(diǎn)集合G; C、 表面模型檢測(cè)： WS為網(wǎng)格化的點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用Ξ角形或四邊形作為面片，進(jìn)行網(wǎng)格化剖分，構(gòu)建地質(zhì)體 的表面模型，并進(jìn)行下列檢測(cè)： 約束檢測(cè)、局部單元優(yōu)化檢測(cè)、閉合性檢測(cè)、自交性檢測(cè)、流型檢測(cè)、面片方向性檢測(cè)； D、 體模型檢測(cè)： 對(duì)已構(gòu)建地質(zhì)體的表面模型進(jìn)行上述檢測(cè)并修正完成之后，可W進(jìn)行體剖分，生成相 應(yīng)的四面體或六面體網(wǎng)格模型，并對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試： 網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)、吻合度檢測(cè)、截面檢測(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟 Β中： 對(duì)于Vf.i.eF色Vsye-S，.其中，i = l ,2,. . .m, j = l，2,. . .n〇，m為F集合的元素個(gè)數(shù)，η〇為S的 樣本初始個(gè)數(shù)，檢測(cè)F中的每個(gè)點(diǎn)fi與Vs,的距離，如果該距離大于ε，則將fi合并入S中，即S =S U也}，最終獲得集合S，且其元素個(gè)數(shù)為m，no如1如+n〇; 對(duì)于V掛€狂底Vs,eS，其中，k = l，2, . . .r, j = l，2, . . .ηι,Γ為G集合的元素個(gè)數(shù)，檢測(cè)G 中的每個(gè)點(diǎn)gk與V成的距離，如果該距離大于ε，則進(jìn)行點(diǎn)gk在地質(zhì)體邊界區(qū)域內(nèi)的判斷，對(duì) 于在Ω內(nèi)的點(diǎn)阱，則將阱也合并入S中，即S = SU {gk}。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟 帥： 所述約束檢測(cè)包括:對(duì)構(gòu)成表面模型中的對(duì)象點(diǎn)、邊、及面片，分別進(jìn)行冗余性和多余 性檢測(cè)，首先構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即表面模型可W由多個(gè)面片構(gòu)成;面片由邊構(gòu)成， 或直接由點(diǎn)構(gòu)成；邊由點(diǎn)構(gòu)成，通過(guò)表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能準(zhǔn)確判斷它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān) 系，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行面片、邊、點(diǎn)的冗/多余性檢測(cè)； 所述局部單元優(yōu)化檢測(cè)包括:在表面模型中遍歷捜索共享邊的面片單元，對(duì)兩個(gè)共享 邊的面片作最大空?qǐng)A準(zhǔn)則檢測(cè)，如果某個(gè)頂點(diǎn)在面片的外接圓之內(nèi)，則修正對(duì)角線，完成單 元優(yōu)化過(guò)程的檢測(cè)，對(duì)于無(wú)法滿足最大空?qǐng)A準(zhǔn)則的，進(jìn)行局部布點(diǎn)修正； 所述閉合性檢測(cè)包括:從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任意一條邊ei出發(fā)，向上捜索與邊ei共享的面片及 其總數(shù)N，如果N! =2,則閉合性檢測(cè)失敗，輸出不閉合的邊或面片，否則繼續(xù)下條邊的捜索， 直至所有邊均捜索完畢，且每條邊僅被兩個(gè)面片所共享，說(shuō)明閉合性檢測(cè)成功，即表面模型 具有閉合性，對(duì)于導(dǎo)致非閉合的邊或面片，需要修正表面模型中的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行閉合性 檢測(cè)； 所述自交性檢測(cè)主要針對(duì)網(wǎng)格面片的自交性進(jìn)行檢測(cè)，包括：對(duì)于V&面片，i E {1， 2, ...，M}，M為面片集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過(guò)包圍盒檢測(cè)方法，捜 索cj，j e {1，2，.. .，M}&&扣i;并分別計(jì)算Cl和C撕平面方程;再將2個(gè)平面方程求交，并進(jìn) 行交點(diǎn)有效性判斷，獲得交點(diǎn)系列*P，如果P = NULL，則Cl和cj不自交，否則返回自交信息，對(duì) 于自交的網(wǎng)格，按W下兩種方法進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，方法一是返回布點(diǎn)階段，重新插值及修正數(shù) 據(jù)，方法二是局部添加網(wǎng)格； 所述流型檢測(cè)包括:對(duì)于下列情況，即點(diǎn)、邊、面片都為模型的正確網(wǎng)格剖分，但是由于 多個(gè)網(wǎng)格模型的相鄰關(guān)系，使得存在某個(gè)邊被多于2個(gè)面片所共享，此時(shí)需要進(jìn)行如下檢 巧。:設(shè)邊ek，ke{l，2，...，N}，N為邊集合的個(gè)數(shù)，在所構(gòu)建表面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，向上捜 索由其構(gòu)成的面片，記為Cl面片，1￡{1，2，...，1}，1為面片集合的個(gè)數(shù)，1^為與邊61^共享的面 片個(gè)數(shù)，如果L是奇數(shù)，則需要分解表面模型，直至L為偶數(shù)； 所述面片方向性檢測(cè)包括:對(duì)于凸面體和凹面體的表面模型，首先過(guò)面片內(nèi)一點(diǎn)做垂 直于面片的垂線，最少與模型的其它表面面片有1個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)交點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1時(shí)，從面片內(nèi)一 點(diǎn)開(kāi)始的垂線，一端向著模型內(nèi)部方向延伸，與模型有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)；另一端向著模型外部方 向延伸，與模型有偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)，只要選取向著模型內(nèi)部方向延伸的運(yùn)端距離面片最近的交 點(diǎn)，就能得到正確的面片特殊內(nèi)部點(diǎn)，之后W面片內(nèi)一點(diǎn)為起點(diǎn)，W垂線與其它面片的交點(diǎn) 為終點(diǎn)做一條向量，把與面片法向量方向相同的向量對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)歸為一類(lèi)，方向相反的歸 為一類(lèi)，判斷哪一類(lèi)中具有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)，從中選擇距離面片最近的交點(diǎn)來(lái)求特殊內(nèi)部點(diǎn)，再 從運(yùn)個(gè)特殊內(nèi)部點(diǎn)向面片做垂線，根據(jù)垂線與面片法向量的方向關(guān)系做出調(diào)整，如果垂線 的方向與面片法向量的方向相同，則此面片法向量指向模型外部，否則交換任意兩個(gè)頂點(diǎn) 的位置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的地質(zhì)體網(wǎng)格化過(guò)程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟 帥： 所述網(wǎng)格優(yōu)化檢測(cè)包括:計(jì)算形成網(wǎng)格單元兩個(gè)面片的夾角，W檢測(cè)該網(wǎng)格單元的扭 曲度;計(jì)算網(wǎng)格單元中最長(zhǎng)邊與最短邊之比，檢測(cè)其比值是否為1-3;計(jì)算單位雅可比值，檢 測(cè)網(wǎng)格單元雅可比值是否在[0.4,1]范圍內(nèi)，通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制生成網(wǎng)格單元的幾何屬 性，從而提高網(wǎng)格的質(zhì)量，運(yùn)些參數(shù)主要包括：局部網(wǎng)格尺寸、可接受的全局最大和最小網(wǎng) 格尺寸、網(wǎng)格密度、網(wǎng)格分級(jí)、元素曲率半徑、在封閉邊界上的網(wǎng)格精細(xì)化和Ξ維網(wǎng)格優(yōu)化 的步數(shù)； 所述吻合度檢測(cè)包括:面積計(jì)算，即分別計(jì)算體模型網(wǎng)格外邊界單元的面積、W及表面 模型單元的面積，檢測(cè)其差值是否趨近0.0;體積計(jì)算，即分別計(jì)算體模型和表面模型的體 積，并檢測(cè)其差值;共面檢測(cè)，運(yùn)種檢測(cè)一般適用于體模型和表面模型采用相同網(wǎng)格單元的 情況，從TIN的網(wǎng)格初始前沿開(kāi)始，逐層向區(qū)域內(nèi)部推進(jìn)，直至填滿整個(gè)區(qū)域，對(duì)于任意一個(gè) 面片VCienN，i e {1，2，. ..，M}，M為T(mén)IN的面片集合的個(gè)數(shù)，通過(guò)遍歷相應(yīng)的TE飾莫型外邊界 面片，則一定存在且僅存在一個(gè)面片3U拒征N，je{l，2,. . .，N}，N為T(mén)EN的面片集合的個(gè) 數(shù)，使得Cl和W-致;當(dāng)檢測(cè)所有TIN中的面片與TEN模型外邊界面片中的面片存在上述一致 性關(guān)系時(shí)，返回完全吻合檢測(cè)信息； 所述截面檢測(cè)包括:分別對(duì)體模型和表面模型進(jìn)行截面計(jì)算與重構(gòu)，并將它們進(jìn)行一 體化顯示，通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)格單元的面片、邊、點(diǎn)，進(jìn)行可視化的對(duì)比分析。
【文檔編號(hào)】G06T17/20GK105844710SQ201610221833
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】武強(qiáng), 徐華, 魏斌
【申請(qǐng)人】北京石油化工學(xué)院, 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)