一种地质块体的三维建模方法技术

本发明专利技术公开了一种地质块体的三维建模方法，包括：给定待建模的地质块体模型和空间裂隙面的几何描述；对于地质块体模型，求取边界面、裂隙面形成的迹线并获得棱边；棱边正则化处理，利用边界算子并进行搜索后形成有向环，基于对有向环的属性判断及有向环间的包含关系判断形成有向面；有向面正则化处理，利用边界算子并进行搜索后形成有向壳，基于对有向壳的属性判断及有向壳间的包含关系判断形成有向体；对形成的各有向体进行块体拓扑性检查和块体体积总和检查。本发明专利技术不需引入任何人为假设且完全根据实际地质结构面特点，形成空间任意复杂的地质块体，在工程实践中具有重要的应用价值，对非连续介质力学数值方法的发展具有积极的理论意义。

A 3D modeling method for geological blocks

The invention discloses a method for 3D modeling of geological blocks, including: the description of geological block model and spatial geometric modeling of fractured surfaces to be given; for the geological block model, calculate the trace boundary surface, crack formation and edge; edge regularization, using boundary operator and to search after the formation of the ring, based on attribute judgment and ring to ring the inclusion relation between judgment is formed to face to face; regularization, using the boundary operator and search form to shell, based on directed attribute judgment and shell to shell the inclusion relation between to form a judgment on the formation of the body; each of block topology check and block sum check to the body volume. The present invention without introducing any assumptions and completely according to the actual geological structure characteristics, geological block space of arbitrary complexity, which has important application value in engineering practice, has positive theoretical significance on the development of numerical methods for non continuum mechanics.

【技术实现步骤摘要】
一种地质块体的三维建模方法
本专利技术涉及一种基于三维地质建模技术实现的地质块体，特别是复杂地质块体的三维建模方法，属于岩体工程的非连续介质力学数值计算与分析

技术介绍
岩体介质在其形成和演变的整个地质历史时期中，经受各种复杂而不均衡的地质作用后，形成一个复杂的地质形体。从宏观地质结构上讲，岩体可以看成是由若干空间地质结构面切割而成的块体系统。目前，离散元法、不连续变形分析等非连续介质力学方法，均是以离散块体系统为研究对象，将岩体视为若干空间结构面所切割而成的复杂空间岩块集合体。但是，由于自然界的地形地质条件非常复杂，即使对岩体地形地质条件进行简化，也不可能像处理二维问题那样进行手工的块体剖分，因此有必要建立一种复杂地质块体的三维建模方法。P.M.Warburton于1983年提出了一种应用无限大平面进行块体剖分的方法，但是这种方法不能表示岩体复杂的块体形态，而且生成的块体只能局限于凸体，这一点与实际工程中地质块体的具体情况不相符合。后来很多学者开始假定裂隙面为有限尺寸的空间多边形(或圆形)来研究复杂地质块体的三维建模问题，分别从代数拓扑同调论、矢体以及有向图理论三个方面出发，虽然出发角度不同，但基本上实现的是一般性质的地质块体的三维建模问题。从实际实施中可以发现，上述众多方法，要么仅给出了严谨的数学理论而未给出可编程实现的具体算法，要么引入若干人工干预项或缺乏必要的正则化处理，进而导致复杂块体建模过程不完备，要么就是未提出完备、且具有可操作性的判定准则来验证复杂地质块体三维建模的完备性和准确性。由此可见，研究出一种可解决地质块体，特别是复杂地质块体在三维建模方面所出现的上述诸多不足，是目前亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种地质块体的三维建模方法，其可快速、准确地针对地质块体，尤其是复杂地质块体进行三维建模，构建出的三维模型可真实反映地质块体的实际构造。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种地质块体的三维建模方法，其特征在于，它包括步骤：1)给定待建模的地质块体模型和空间裂隙面的几何描述；2)对于待建模的地质块体模型，求取其上边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间以及边界面与裂隙面之间形成的迹线，进而获得边界面和裂隙面上形成的棱边；3)棱边经正则化处理后，利用边界算子并根据环路搜索准则进行搜索后形成有向环，基于对有向环的属性判断以及有向环间的包含关系判断形成有向面；4)有向面经正则化处理后，利用边界算子并根据空间壳搜索准则进行搜索后形成有向壳，基于对有向壳的属性判断以及有向壳间的包含关系判断形成有向体；5)对形成的各有向体经块体拓扑性检查和块体体积总和检查，判断形成的各有向体是否可构成待建模的地质块体模型：若可构成，则三维建模成功并结束。本专利技术的优点是：本专利技术将地质块体视为有向复合形，基于闭曲面的拓扑性质，经正则化处理，利用边界算子并结合相应搜索准则后进行相关包含判断实现了三维块体建模，建模效率高，所建模型的准确性与完备性高，建模成功率高。附图说明图1是本专利技术三维建模方法的实施流程图。图2是裂隙面的初始形态图。图3是环路搜索最大右转角准则的说明示意图。图4a、图4b分别是内环、外环示意图。图5是空间壳搜索最大右转角准则的说明示意图。图6a、图6b分别是外壳、内壳示意图。图7是有限元模型实例图。图8、图9、图10是裂隙面修正得到的多边形(粗实线所示)示意图。图11是棱边正则化处理后的结果示意图。图12a是形成有向环1(内环)的环路搜索说明图。图12b是形成有向环2(内环)的环路搜索说明图。图12c是形成有向环3(外环)的环路搜索说明图。图12d是形成有向环4(内环)的环路搜索说明图。图13a是形成有向壳1(粗实线所示内壳)的空间壳搜索说明图。图13b是形成有向壳2(粗实线所示内壳)的空间壳搜索说明图。图13c是形成有向壳3(粗实线所示内壳)的空间壳搜索说明图。具体实施方式作为三维块体，可从拓扑信息和几何信息来进行表征，其中：几何信息是指三维块体的空间位置，由其角点空间坐标来表示；拓扑信息是指各组成元素之间的相互关系，组成元素为有向体、有向壳、有向面、有向环、有向边和角点。对于三维块体，其可视为一有向体，该有向体是由一个内壳和若干个外壳所组成，它是一个三维空间R3的非空、有界、连续、封闭的子集，其边界是若干个有向壳的并集。有向壳则是由若干有向面围成的有限空间，它是三维空间R3中非空、有界、连续、封闭的子集，其边界是若干个有向面的并集。有向面是三维空间R3中由一个内环和若干个外环组成的非空、有界、连续、封闭的子集，其边界是若干个有向环的并集。有向环则是由若干个有序、有向边组成的空间平面上的封闭边界，环中各边不能自交，相邻两条有向边共用一个角点。有向边具有两个角点，并且具有方向性。角点为不共线的有向边的交点或不共面的有向面的交点。如图1所示，本专利技术提出的地质块体的三维建模方法包括如下步骤：1)给定待建模的地质块体模型和空间裂隙面的几何描述；2)对于待建模的地质块体模型，求取其上边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间以及边界面与裂隙面之间形成的迹线，进而获得边界面和裂隙面上形成的棱边；3)棱边经正则化处理后，利用边界算子并根据环路搜索准则进行搜索后形成有向环，基于对有向环的属性判断以及有向环间的包含关系判断形成有向面；4)有向面经正则化处理后，利用边界算子并根据空间壳搜索准则进行搜索后形成有向壳，基于对有向壳的属性判断以及有向壳间的包含关系判断形成有向体；5)对形成的各有向体经块体拓扑性检查和块体体积总和检查，判断形成的各有向体是否可构成待建模的地质块体模型：若可构成，则三维建模成功并结束；若不可构成，则三维建模失败，重新开始。在步骤1)中：待建模的地质块体模型为任意空间、呈凹或凸状的单连通多面体，待建模的地质块体模型的几何描述可采用分段线性复合形来表达，其包括两部分：一部分是几何信息，以角点空间坐标来表示；另一部分是拓扑信息，以组成待建模的地质块体模型的各边界面上的封闭环路(按逆时针走向)的点序列来表示；在假设裂隙面的初始形态为内接于圆形的正多边形(如图2)的基础上，根据裂隙面的延伸是否受到其它裂隙面的约束来进行修正：若受到约束，则根据与其它裂隙面的相交线段，将裂隙面的初始形态修正为相应不规则多边形；反之若不受约束，则裂隙面直接采用初始形态来表示。在本专利技术中，对裂隙面初始形态的修正是本领域的熟知技术，在此不再详述。在实际设计中，步骤2)包括如下步骤：2-1)对边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间、裂隙面与边界面之间进行求交运算来获取相交线段，记为迹线；2-2)对迹线进行两两相交运算，获取边界面、裂隙面上形成的棱边。在实际设计中，步骤3)包括如下步骤：3-1)对棱边进行正则化处理(公知技术)，以删除各裂隙面和各边界面上的孤立棱边和“悬空”棱边；3-2)将棱边视为有向边，对每个有向边利用边界算子(公知技术)，并根据环路搜索最大右转角准则(还可采用其它形式的环路搜索准则)进行空间环路搜索，形成空间环路，记为有向环；3-3)判断3-2)产生的有向环的属性：每个有向环为内环还是外环，以形成内环集合和外环集合，其中，内环为有内侧域的有向环(如图4a)，外环为有外侧域的有向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地质块体的三维建模方法，其特征在于，它包括步骤：1)给定待建模的地质块体模型和空间裂隙面的几何描述；2)对于待建模的地质块体模型，求取其上边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间以及边界面与裂隙面之间形成的迹线，进而获得边界面和裂隙面上形成的棱边；3)棱边经正则化处理后，利用边界算子并根据环路搜索准则进行搜索后形成有向环，基于对有向环的属性判断以及有向环间的包含关系判断形成有向面；4)有向面经正则化处理后，利用边界算子并根据空间壳搜索准则进行搜索后形成有向壳，基于对有向壳的属性判断以及有向壳间的包含关系判断形成有向体；5)对形成的各有向体经块体拓扑性检查和块体体积总和检查，判断形成的各有向体是否可构成待建模的地质块体模型：若可构成，则三维建模成功并结束。

【技术特征摘要】
1.一种地质块体的三维建模方法，其特征在于，它包括步骤：1)给定待建模的地质块体模型和空间裂隙面的几何描述；2)对于待建模的地质块体模型，求取其上边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间以及边界面与裂隙面之间形成的迹线，进而获得边界面和裂隙面上形成的棱边；3)棱边经正则化处理后，利用边界算子并根据环路搜索准则进行搜索后形成有向环，基于对有向环的属性判断以及有向环间的包含关系判断形成有向面；4)有向面经正则化处理后，利用边界算子并根据空间壳搜索准则进行搜索后形成有向壳，基于对有向壳的属性判断以及有向壳间的包含关系判断形成有向体；5)对形成的各有向体经块体拓扑性检查和块体体积总和检查，判断形成的各有向体是否可构成待建模的地质块体模型：若可构成，则三维建模成功并结束。2.如权利要求1所述的地质块体的三维建模方法，其特征在于：在所述步骤1)中：所述待建模的地质块体模型为任意空间、呈凹或凸状的单连通多面体，所述待建模的地质块体模型的几何描述包括两部分：一部分是几何信息，以角点空间坐标来表示；另一部分是拓扑信息，以组成所述待建模的地质块体模型的各边界面上的封闭环路的点序列来表示；在假设所述裂隙面的初始形态为内接于圆形的正多边形的基础上，根据裂隙面的延伸是否受到其它裂隙面的约束来进行修正：若受到约束，则根据与其它裂隙面的相交线段，将所述裂隙面的初始形态修正为相应不规则多边形；反之，所述裂隙面直接采用初始形态来表示。3.如权利要求1所述的地质块体的三维建模方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下步骤：2-1)对边界面与边界面之间、裂隙面与裂隙面之间、裂隙面与边界面之间进行求交运算来获取相交线段，记为迹线；2-2)对迹线进行两两相交运算，获取边界面、裂隙面上形成的棱边。4.如权利要求1所述的地质块体的三维建模方法，其特征在于：所述步骤3)包括如下步骤：3-1)对棱边进行正则化处理，以删除各裂隙面和各边界面上的孤立棱边和“悬空”棱边；3-2)将棱边视为有向边，对每个有向边利用边界算子，并根据环路搜索最大右转角准则进行空间环路搜索，形成空间环路，记为有向环；3-3)判断有向环的属性：每个有向环为内环还是外环，以形成内环集合和外环集合；3-4)选取每个外环的外侧域内的任意一点作为其特征点；3-5)对内环集合中的所有内环进行如下遍历，来获得内环与外环相互之间的包含关系：基于内环集合中的一内环，对外环集合中的所有外环进行遍历操作，通过各外环的特征点是否属于此内环来判断此内环与各外环之间的包含关系；3-6)根据内环与外环互相之间的包含关系，在各裂隙面、各边界面上生成有向面。5.如权利要求4所述的地质块体的三维建模方法，其特征在于：所述步骤3-2)中的环路搜索最大右转角准则是指：A)以任一边界面或裂隙面上的任一有向边及此有向边上任一角点分别作为当前有向边、当前角点，然后沿右手握拳，大拇指朝向当前搜索的有向面的法向矢量所指方向时其余四指所指方向，以当前角点为中心旋转当前有向边，来找到与当前有向边构成最大角度的有向边，从而把找到的有向边作为新的当前有向边以及把找到的有向边上异于前一环路搜索所使用角点的角点作为新的当前角点，以进行下一环路搜索，如此继续进行环路搜索，直至找不到构成最大角度的有向边，从而形成有向环；B)重复执行步骤A)，直至当前搜索的边界面或裂隙面上的所有有向边被全部遍历；C)重复执行步骤B)、C)，直至所有边界面和所有裂隙面全部被执行过环路搜索。6.如权利要求4所述的地质块体的三维建模方法，其特征在于：所述有向环...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海枫，张国新，彭校初，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11