山地城市区域地质三维模型构建集成方法

摘要

本发明公开了一种山地城市区域地质三维模型构建集成方法，属于三维地质模型领域，本发明实现了山地城市区域地质三维模型的构建，由于结合了山地城市的地质构造特点，依照从构建剖面框架、绘制剖面、构建地质模型的流程，利用剖面构建地质模型的方法，更加准确的完成了山地城市区域地质三维模型的构建。本发明还实现了区域地质三维模型的可视化集成，为地质专题应用分析提供了数据基础，本发明对于形成的区域地质三维模型成果数据，实现了在三维数字城市平台的可视化集成模拟，并能三维场景中实现对区域地质三维模型的实时地质分析。

说明书

技术领域

本发明属于三维地质模型领域，特别是涉及一种山地城市区域地质三维模 型构建集成方法。

背景技术

三维地质建模以各种原始数据为基础，建立起能够反映地质构造形态、构 造关系以及地质体内部属性变化规律的数字化模型。这些原始数据包括钻孔、 剖面、地震数据、等深图、地质图、地形图、物探数据、化探数据、工程勘察 数据、水文监测数据等。通过适当的可视化方式，该数字化模型能够展现虚拟 的真实地质环境，帮助用户对地质环境进行直观理解，方便不同层次用户之间 的思想交流。更重要的是，基于模型的数值模拟和空间分析，能够辅助用户进 行科学决策和风险规避。

地质剖面是地质调查中十分重要的数据。利用交叉剖面数据进行三维地质 模型的构建同样也是国内外学者的研究焦点。该方法的基本思路就是采用“分 而自治”的思想将建模空间划分为多个网格，对交叉网格剖面进行一致性处理， 以保证所有交叉剖面在交叉处地质分层和地层高程的一致；然后分别对每个网 格进行构模，在单元格的构模过程中保证地质体公共层面只生成一次，并被上 下地质体所公用，从而保证模型几何、拓扑的一致性；最后合并所有单元格内 的块体形成最终的以地层为单位组织的地质模型。

地质三维模型的构建中，TIN（Triangulated Irregular Network,不规则 三角网）模型主要是用来实现工程区域复杂的数字表达的一种方式，是通过用 一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角面来逼近地质体的层面。在利 用剖面网格构建地质体模型时，获得地层面轮廓线同时，需要通过一种插值算 法来对地层轮廓线进行空间预插值，来模拟地质层面。常见的用于地质界面模 拟的插值方法有克里金（Kring）方法、离散光滑插值（DSI）方法、形态渐变 Morphing方法等。

离散光滑插值（DSI）方法是依赖于网络结点的拓扑关系，不以空间坐标为 参数，是一种不受维数限制的插值方法。其基本内容是对于一个离散化的自然 体模型，建立相互之间联系的网络，利用网络上结点网格邻接关系，由已知的 结点函数值估算未知结点的函数值。

形态渐变Morphing插值方法，Morphing是一种形态渐变技术，最初用于计 算机图像处理中从初始图像到目标图像的平滑渐变。Morphing不仅能够实现颜 色渐变，而且还可以对形状进行内插。同样利用该技术在相邻地质体轮廓线之 间插值生成一系列的形态渐变的中间轮廓，再基于轮廓线算法进行三维重构， 将能够实现较为光滑的地质体界面。

空间拓扑关系描述的是基本的空间目标点、线、面之间的邻接、关联和包 含关系。空间数据的拓扑关系对于数据处理和空间分析具有重要意义，拓扑关 系能够清楚的反应空间实体之间的逻辑结构关系；利用拓扑关系能够根伟高效 对空间要素进行查询、分析；利用拓扑关系能够更有效的构建空间实体。

XML（eXtensible Markup Language，可扩展标记语言）是元标记语言，可 通过它定制针对不同数据和应用环境的标记。它以统一、开放、基于文本格式 的模式来自我定义和描述数据结构，在描述数据内容的同时能突出对于结构的 描述，从而体现出数据之间的关系，以便在用户和程序之间交换信息。针对XML 自描述、可扩展、形式和内容分离、说适用于数据交换等优势，结合地质模型 数据特点，研究了利用自定义的XML索引文件，在三维数字城市平台中集成对 应的地质三维模型的集成方法。

现有技术无法很好的解决山地城市区域地质三维模型的构建。区域地质三 维模型是用于反映该地区大范围区域地质构造情况的三维地质模型它具有覆盖 面积大、地层深度深、地质构造复杂、地层分组划分较粗略的特点，现有的地 质三维模型构建主要是针对深度仅达几十米的工程地质层，而且多使用的是基 于钻孔数据的水平层面自动建模的方法构建。目前在一些平原大型城市也对区 域地质模型的构建进行了一系列的探索，但是鉴于平原区域的地质构造相对简 单，断层、褶皱等地质构造相对较少，对山地城市的区域地质三维模型构建不 具有太多参考价值，因此对于山地城市区域地质三维模型构建的还是一个我们 急需要解决的问题。

现有技术无法在三维可视化平台环境下对三维地质模型数据进行有效的集 成和应用。目前我国在三维地质建模领域的已经陆续开展了越来越多的研究工 作，也取得了一定的成果数据，建立了一定区域的不同尺度的三维地质模型。 但是如何能有效将该成果数据以较为直观的方式呈现给相关人员，如何有效的 对三维地质模型进行集成并将其应用到相关行业工作中，同样也是急需解决的 问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够 准确构建山地城市区域地质三维模型的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种山地城市区域地质三维模型构建集成 方法,其特征在于按以下步骤进行：

步骤一、构建区域地质剖面框架；

步骤二、绘制区域地质剖面；

步骤三、构建区域地质三维模型；

步骤四、进行区域地质模型成果集成。

较佳的，步骤一中所述构建区域地质剖面框架按包括基础数据资料收集、 二维地质调查平面图上布设剖面、剖面线与地形地质数据预处理、形成区域地 质二维剖面框架图；

基础数据资料收集是在确定进行区域地质三维建模的实验区域之后，针对 该区域收集其基础遥感影像资料、基础地形DEM数据、区域地质调查图、区域 地质调查剖面、区域地质调查报告；

获取基础资料后，针对该区域的地质构造特点，在垂直和平行地质构造轴 向方向布设剖面线，形成该区域的剖面网格；

对于已经布设好的剖面，结合该区域的基础地形DEM数据、区域地质分界 线数据，进行剖面线数据预处理，给剖面线赋予地形高程值，标定地质分界线 坐标和相邻区域的地质属性，形成二维剖面框架；在获得二维剖面框架的同时， 根据二维剖面网格布设时网格间的公共点和公共面以及最终的模型构建顺序， 确定剖面网格的拓扑关系。

较佳的，步骤二中所述绘制区域地质剖面按以下步骤进行：

A1、导入虚拟钻孔；

A2、在二维剖面框架的基础上结合区域地质调查资料中的地层产状绘制三 维剖面图；

A3、剖面地层年代属性检查修改，修改错误的地层属性。

较佳的，步骤三中所述构建区域地质三维模型按以下步骤进行：

B1、构建区域三维剖面网格；将步骤二中得到的三维剖面图导入集景三维 数字城市平台的三维建模场景中形成区域三维剖面网格；

B2、单个网格地质模型构建；根据步骤B1得到的各三维剖面网格，构建相 应的地层面，形成闭合的地质体；单个三维剖面网格内，利用地质体之间的地 质层面的拓扑关系对各地质体进行层层叠加，形成该三维剖面网格的地质模型；

B3、全区网格地质模型拼合；利用三维剖面网格间的拓扑关系，对单个三 维剖面网格的地质模型进行拼合，形成整个区域的三维地质模型。

较佳的，步骤四中所述进行区域地质模型成果集成按以下步骤进行：

C1、区域地质三维模型成果数据转换；将区域地质三维模型的成果数据转 换成通用三维模型；

C2、创建成果数据集成索引文件；导入步骤C1得到的通用三维模型和其对 应的地层属性文件到GeoML索引生成工具，生成用于集成区域地质三维模型数 据的GeoML索引文件；

C3、区域地质三维模型成果集成模拟显示：通过所述GeoML索引文件将区 域地质三维模型成果数据集成到三维数字城市平台中。

本发明的有益效果是：本发明实现了山地城市区域地质三维模型的构建， 由于结合了山地城市的地质构造特点，依照从构建剖面框架、绘制剖面、构建 地质模型的流程，利用剖面构建地质模型的方法，更加准确的完成了山地城市 区域地质三维模型的构建。

本发明还实现了区域地质三维模型的可视化集成，为地质专题应用分析提 供了数据基础，本发明对于形成的区域地质三维模型成果数据，实现了在三维 数字城市平台的可视化集成模拟，并能三维场景中实现对区域地质三维模型的 实时地质分析。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的流程示意图。

图2是剖面网格中AEFB剖面与CED剖面的相关位置关系示意图。

图3是绘制AEFB剖面的示意图。

图4是虚拟钻孔示意图。

图5是绘制CED剖面示意图。

图6是单个网格地质体叠加示意图。

图7是整个区域的网格地质体拼合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种山地城市区域地质三维模型构建集成方法,其特征在于按 以下步骤进行：

步骤一、构建区域地质剖面框架；

步骤二、绘制区域地质剖面；

步骤三、构建区域地质三维模型；

步骤四、进行区域地质模型成果集成。

步骤一中所述构建区域地质剖面框架按包括基础数据资料收集、二维地质 调查平面图上布设剖面、剖面线与地形地质数据预处理、形成区域地质二维剖 面框架图；

基础数据资料收集是在确定进行区域地质三维建模的实验区域之后，针对 该区域收集其基础遥感影像资料、基础地形DEM数据、区域地质调查图、区域 地质调查剖面、区域地质调查报告；

获取基础资料后，针对该区域的地质构造特点，在垂直和平行地质构造轴 向方向布设剖面线，形成该区域的剖面网格；

对于已经布设好的剖面，结合该区域的基础地形DEM数据、区域地质分界 线数据，进行剖面线数据预处理，给剖面线赋予地形高程值，标定地质分界线 坐标和相邻区域的地质属性，形成能够在CAD进行绘制的二维剖面框架；在获 得二维剖面框架的同时，根据二维剖面网格布设时网格间的公共点和公共面以 及最终的模型构建顺序，确定剖面网格的拓扑关系。

步骤二中所述绘制区域地质剖面按以下步骤进行：

A1、导入虚拟钻孔；

A2、在二维剖面框架的基础上结合区域地质调查资料中的地层产状绘制三 维剖面图；

A3、剖面地层年代属性检查修改，修改错误的地层属性。

通过以上流程，我们得到了能够在CAD中绘制的二维剖面框架图，为得到 该区域的三维剖面网格，需在剖面框架的基础上结合区域地质调查资料中的地 层产状进行剖面绘制。为使剖面网格中纵横剖面交点处的地质界线点完全重合， 需要引入虚拟钻孔的概念。虚拟钻孔是针对已经绘制好的某一剖面，在其和其 他剖面的交点处生成能够反映该点竖直方向地层分界点高程的虚拟数据，指导 相交剖面的绘制，从而解决交叉剖面的一致性问题。导入虚拟钻孔并结合地层 产状，就可以绘制相应的剖面图。

如图2所示，剖面网格中所标示的剖面AEFB剖面和CED剖面，此两条剖面 有共同的交点E点。同时通过布设剖面的位置和地质调查底图的关系，可以发 现AEFB剖面为与该区域构造地质产状相垂直的剖面，CED剖面为与该区域构造 地质产状相平行的剖面，因此在人工绘制地质剖面时，会首先绘制有较多地层 产状参考信息的AEFB剖面，再绘制地层产状参考信息较少的CED剖面。

如图3所示，在绘制第一条剖面AEFB剖面时，结合步骤一中获取的区域地 质剖面框架，同时结合该区域地质调查资料中的此段剖面线上的地层产状角度 信息，绘制不同地层界面线。

如图4所示，在AEFB剖面中绘制的不同地层界面线，会同A、E、F、B四 个剖面拐点相交，此时将AEFB四个拐点定义为虚拟钻孔点，记录虚拟钻孔点沿 线上的与地层界面的相交点的位置信息、高程信息、交点上下界面的属性信息， 并保存为的虚拟钻孔数据。

如图5所示，在绘制CED剖面，由于CED剖面所含的地层产状信息较少， 需要导入CED剖面同AEFB剖面的交点E点的虚拟钻孔数据，通过E点虚拟钻孔 数据中的地层分界点的高程、上下属性参考来绘制CED剖面的地层层面线。

通过区域地质调查资料和虚拟钻孔的参考完成所有二维剖面绘制后，需对 绘制好的剖面面域进行地层年代属性检查，修改错误的地层属性。完成以上步 骤后，就可以将绘制的二维剖面数据，通过二维到三维的坐标转换，得到能够 进行三维剖面数据。

步骤三中所述构建区域地质三维模型按以下步骤进行：

B1、构建区域三维剖面网格；将步骤二中得到的三维剖面图导入集景三维 数字城市平台的三维建模场景中形成区域三维剖面网格；

B2、单个网格地质模型构建；根据步骤B1得到的各三维剖面网格，根据具 体的地层面状况，通过选择无内插点三角剖分、DSI三角剖分或Morphing三角 剖分来构建相应的地层面，形成闭合的地质体；本实施例中，采取Morphing三 角剖分来实现。单个三维剖面网格内，利用地质体之间的地质层面的拓扑关系 对各地质体进行层层叠加，形成该三维剖面网格的地质模型；

B3、全区网格地质模型拼合；利用三维剖面网格间的拓扑关系，对单个三 维剖面网格的地质模型进行拼合，形成整个区域的三维地质模型。

如图6所示，图中的a至d显示了单个网格内地质模型的叠加构建过程。 单个网格内的地质体模型通过其所属网格、位置属性和两个地质体之间的公共 地层界面，形成了地质体之间的拓扑关系，利用该拓扑关系，即可对地质体进 行层层叠加，形成单个网格内完整地质体。

如图7所示，图中的a至d显示了整个区域内三维地质模型拼合构建过程。 整个区域内网格间的地质模型通过其所属网格、位置属性和相邻网格间的公共 剖面，形成了网格间的拓扑关系，利用该拓扑关系，即可对网格地质体进行拼 合，形成整个区域内完整的质体。最后将区域地质三维模型成果输出。

步骤四中所述进行区域地质模型成果集成按以下步骤进行：

C1、区域地质三维模型成果数据转换；将区域地质三维模型保存成格式 为.ts的文件；ts文件是存储的构成三维模型的所有点、线、面的坐标及其之 间拓扑关系；将区域地质三维模型的成果数据进行格式转换，转换成通用三维 模型.obj文件格式；

C2、创建成果数据集成索引文件；导入步骤C1得到的通用三维模型和其对 应的地层属性文件到GeoML索引生成工具，生成用于集成区域地质三维模型数 据的GeoML索引文件；GeoML是在XML的基础上，自定义的用于在三维数字城市 平台上集成三维地质模型的索引文件，该文件中根据平台的集成数据的需求定 义了相应的工程标签、组标签、文件标签、文件属性标签等；

C3、区域地质三维模型成果集成模拟显示：通过所述GeoML索引文件将区 域地质三维模型成果数据集成到三维数字城市平台中。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。