一种基于T样条的三维地质建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于T样条的三维地质建模方法，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行三维建模，实现对地质构造复杂性的定量刻画，包括以下步骤：多源地质数据集成；基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。本发明专利技术方法能够建立包括沉积、褶皱、侵入、不整合面和断层等地质构造的真实形态三维模型，并且为岩性预测、渗流和灌浆模拟以及稳定性分析等计算机辅助设计和数值模拟分析提供精确可靠的初始模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于T样条的三维地质建模方法
本专利技术属于三维可视化地质建模领域，涉及复杂地质构造三维可视化建模，具体的讲，是涉及一种基于T样条的三维地质建模方法。
技术介绍
现在三维地质建模技术被广泛应用于岩土工程领域，并且在基础工程、边坡工程和隧道工程等领域的三维可视化分析和决策中起到重要作用。三维地质模型在GIS、BIM以及CAD/CAE等方面的实际应用对其精确性和可靠性不断提出更高的要求，然而现有地质建模方法仍然面临着地质构造复杂性的挑战。地质构造复杂性是地质复杂性中被工程地质人员所关注的一个重要分支。一方面，地质对象的自然形态在几何和拓扑层面上都表现出内在的构造复杂性。另一方面，岩土工程正在向着地质构造条件越来越复杂的区域发展。因此，在三维地质模型中对于地质构造复杂性的表现对于岩土工程的规划、设计、质量和安全等方面越来越重要。然而，现有方法在复杂性量化、空间数据结构和建模技术方面仍然存在局限性。一些学者近年研究了对于地质参数和几何要素的复杂度进行量化测量的方法以用于地质评价，但能够当作地质建模输入参数的构造复杂度量化指标仍有待研究。三维地质建模中采用的空间数据结构决定了模型的底层架构和相应的建模技术，但目前广泛用于地质建模的数据结构，如NURBS(非均匀有理B样条)，由于其数学原理的限制在刻画地质构造复杂性方面通常不具备足够的灵活性。适用于三维地质建模的空间数据结构随不同的应用领域而不同。随着计算机3D技术的发展，许多不同的三维空间数据结构被引入地质建模方法中并应用于许多不同的领域，包括工程地质、矿产资源勘探、地热资源开采以及地质灾害识别等。在岩土工程领域，B-Rep架构是最广泛采用的地质对象实体建模数据结构之一。B-Rep的优势在于其能够基于少量数据实现灵活造型，从而高效地刻画地质对象的空间几何和拓扑关系。B-Rep实体通过闭合的边界曲面定义，其曲面元素可以是参数形式的或离散形式的。这两种形式的曲面的代表性数据结构就是NURBS和网格。非均匀有理B样条(NURBS)是一种应用最为广泛的参数曲面，它的拓扑结构定义在二维平面参数空间且对应的自由曲面在三维空间中通过解析计算得到。网格则直接通过一组由公共顶点连接的平面多边形生成一张曲面，它不具备参数化定义并且对一个光滑曲面的逼近只能在有限的分辨率下实现。在地质对象的B-Rep表示方法中，由多个NURBS曲面或网格曲面划分地质体边界，从而围成一个边界表示实体。在工程领域，NURBS相对于网格拥有几方面的优势，包括：解析的数学表达、真正的曲面精度和光滑度、矢量表示而非栅格表示、简洁的参数化以及计算和存储的高效性。因此，NURBS已经成为CAD、CAM和CAE领域曲线曲面的标准表示方法，并且是IGES、STEP和PHIGS等许多工业级标准的一部分。事实上，例如隧洞、大坝、桥梁和建筑物等工程对象的模型通常都是使用NURBS设计并建立的。设计的工程对象和自然的地质对象在空间数据结构层面的模型统一有利于后续耦合分析的兼容性和便利性，因此NURBS相对于网格更适用与工程地质领域的地质对象建模。在三维统一地质建模理论中的统一数据结构方法使用NURBS技术，基于相同的数学基础实现了工程结构的解析曲面和地质体的自由曲面的统一表达。基于NURBS的地质建模方法已发展较为成熟。Fisher和Wales于1992年首次提出了将NURBS应用于地质建模的理论，但由于NURBS在其早期阶段本身的理论发展不成熟，该研究仅停留在概念阶段。随着计算机辅助几何设计方法的引入，NURBS技术得到的巨大的增强。在此基础上，Sprague和deKemp于2005年研究了基于断面控制框架和区域构造测量约束的NURBS地质曲面建模方法。钟登华于2006年提出了三维地质建模的NURBS-TIN-B-REP混合数据结构，且在中国专利号为：CN200610013425.1公开了一种水利水电工程地质信息的三维统一模型构建方法，基于NURBS技术实现了大坝基岩地质构造的三维可视化工程地质分析，该方法已被大量应用于国内外的水利水电工程。基于以上开创性研究，NURBS数据结构已经被广泛应用于三维地质建模领域，且近期研究仍然在进一步推动该方法的发展。NURBS在针对隧洞和大坝等规则形体的建模方面具备良好的表现。然而，地质对象的自然形态不同于工程对象的人工形态，它拥有其特殊的不规则性并且仍然挑战着目前基于NURBS的地质建模方法。在地质建模领域，NURBS在数据结构和建模技术上都存在较大的局限性。NURBS是通过一系列B样条曲线的张量积定义的，其控制点必须分布成矩形阵列，该定义将NURBS曲面限制为平面拓扑结构。这种限定的拓扑结构使得NURBS只能够刻画真实地质构造形态中很少的一部分。地质对象的自然形态和NURBS的张量积拓扑存在以下三方面的矛盾：首先，自然地质现象普遍存在分形特征，即地质对象具有自相似的局部细节，而NURBS的控制点必须遍布每一条等参线，使得NURBS曲面只能实现均匀细节特征；第二，地质体之间的侵入和不整合接触会导致错综复杂的空间拓扑，而NURBS曲面只能服从简单的平面拓扑；第三，地质对象通常存在断层和裂隙等不连续特征，而NURBS由于其张量积的定义规则只能建立内部连续的曲面。与此同时，一个基于NURBS建立的闭合实体必须由多张NURBS面片包围成。因此NURBS建模流程通常需要NURBS曲面裁剪和拼接技术，这种策略适用于建立规则的几何形态，但在复杂地质体建模中面临着许多问题：首先，由于NURBS曲面裁剪技术是通过计算裁剪线和隐藏曲面被裁剪区域实现的，该算法不改变NURBS曲面控制点的数量和位置，因此裁剪线上不存在相应的控制点从而难以控制裁剪得到的边界拟合复杂的地质数据，限制了地质模型的精确性；第二，由于用于拼接的两条裁剪线分别定义于各自对应NURBS曲面的参数域中，两个曲面真实的交线实际由两条裁剪线分别逼近，导致在NURBS面片拼接位置不可避免地产生缝隙从而影响地质实体模型的密闭性，限制了地质建模在后续数值模拟分析中的应用；第三，由于NURBS裁剪拼接技术得到的多重曲面片在进一步编辑过程中可能破坏其拼接几何连续性，因此该技术建立的地质模型难以随地质数据更新，限制了动态地质建模技术的发展。在NURBS理论的基础上，Sederberg于2003年提出了新一代的参数曲面——T样条(T-splines，具有T节点的非均匀B样条)，并在2004年进一步发展了T样条的简化和局部加细等基础算法。在实际应用中，T样条的概念同样包含了T-NURCCS(具有T节点的非均匀有理Catmull-Clark细分曲面)，T-NURCCS是基于细分曲面理论发展而来的，它将奇异点的概念引入了T样条。作为NURBS和Catmull-Clark细分曲面的超集，T样条同时继承了参数曲面的解析形式和细分曲面的灵活性，并且能够在没有T节点的特殊条件下实现任何NURBS建模流程和Catmull-Clark细分曲面流程。在T样条的定义中，一个T节点是一行或一列控制点在T网格内部中止末端的三价节点，一个奇异点是除T节点以外的非四价节点。T节点的存在使得T样条具备局部加细能力，而奇异点的存在使得T样条能够实现任意拓扑。此外，T样条能够通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行三维建模，实现对地质构造复杂性的定量刻画，包括以下步骤：多源地质数据集成；基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；所述基于T样条的参数曲面建模方法采用几何‑拓扑的建模逻辑：在几何阶段，基于地质数据边界约束将T样条曲面拟合至地质数据，建立开放的T样条曲面表征地质曲面；在拓扑阶段，根据地质曲面拓扑关系进行T样条布尔运算，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；所述基于T样条的细分曲面建模方法采用拓扑‑几何的建模逻辑：在拓扑阶段，根据地质数据的复杂特征构建T样条的拓扑结构得到封闭的空间T网格表征地质体；在几何阶段，根据地质数据边界约束通过计算T样条控制点实现地质对象表面拟合，建立T网格对应的T样条曲面，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行三维建模，实现对地质构造复杂性的定量刻画，包括以下步骤：多源地质数据集成；基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；所述基于T样条的参数曲面建模方法采用几何-拓扑的建模逻辑：在几何阶段，基于地质数据边界约束将T样条曲面拟合至地质数据，建立开放的T样条曲面表征地质曲面；在拓扑阶段，根据地质曲面拓扑关系进行T样条布尔运算，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；所述基于T样条的细分曲面建模方法采用拓扑-几何的建模逻辑：在拓扑阶段，根据地质数据的复杂特征构建T样条的拓扑结构得到封闭的空间T网格表征地质体；在几何阶段，根据地质数据边界约束通过计算T样条控制点实现地质对象表面拟合，建立T网格对应的T样条曲面，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。2.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，所述针对地质对象进行构造复杂性分析的过程包括以下两个步骤：步骤1.基于地质数据对地质对象的分形几何复杂性、任意亏格拓扑复杂性和不连续复杂性三方面进行构造复杂性分析；步骤2.将构造复杂度较小的地质对象分为一类采用基于T样条的参数曲面方法建模，包括：地形、层状沉积构造、褶皱构造、风化和卸荷界面地质构造；将构造复杂度较大的地质对象分为另一类采用基于T样条的细分曲面方法建模，包括：第四纪覆盖层、不整合接触构造、侵入构造、尖灭构造和断层构造。3.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，所述基于T样条的参数曲面建模方法具体包括以下步骤：(1)在几何阶段建立放开的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：步骤1.根据地表露头线、钻孔数据点以及剖面线地质数据对地质对象进行边界曲面划分，确定边界曲面数量以及每个边界的初始T样条曲面；步骤2.将初始T样条的地质数据邻域部分进行局部加细；步骤3.将局部加细后的初始T样条曲面拟合至对应的地质数据，生成地质对象的一组边界T样条曲面；(2)在拓扑阶段构建T样条曲面之间的拓扑关系得到一张闭合的T样条曲面，包括以下三步：步骤1.分析地质对象边界曲面的相交关系，计算T样条曲面之间的交线，并计算每个T样条曲面的裁剪线；步骤2.调整T样条曲面对应的T网格在裁剪...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟登华，张亦弛，吴含，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12