能夠反映地層結構的地質三維模型任意剖切方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種計算機圖形學技術，尤其是一種能夠反映地層結構的地質三維模 型剖切方法。
【背景技術】
[0002] 地質三維重建是運用計算機技術，在三維環境下將空間數據管理、地質解譯、空間 分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，用于地質分析的技 術。通過三維模型，將地質體及其形態構造直觀形象地展現在規劃設計師和相關專家面前， 最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，使之做出符合實際地質現象分布及變化規律 的工程設計和施工方案，從而減少人類對地質問題認識的盲目性及地下工程設計施工面臨 的巨大風險。而三維剖切是對已存在的模型進行分析的重要手段。
[0003] 現在的建模技術僅是對創建的實體表面進行建模，即顯示的三維模型，只是使用 三角網構建三維物體表面，表現在計算機上就是只顯示了用戶可以看到的表層，其內部結 構實際為空，在做三維剖切效果時，需要大量的計算。因為其內部結構沒有預先構建，在數 據缺失的情況下，甚至無法計算剖切面。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種能夠反映地層結構的地質 三維模型剖切方法，該方法充分利用已有的地質數據生成的三維地層模型，將地層進行任 意剖切，優化三維模型分析手段、提高已有數據利用率。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：
[0006] -種能夠反映地層結構的地質三維模型剖切方法，包括以下步驟：
[0007] 1)使用三棱柱構建或轉換被剖切的三維模型;所述三維模型構建所用基本三棱柱 單元采用廣義6頂點9條邊組成，頂點重合后表現為三棱柱體，每條邊長度大于或等于0;
[0008] 2)計算三維模型的剖面交點；三維模型剖面的構成是由構成該模型的三棱柱單元 遍歷計算剖面后，再統一集中繪制在觀察窗中；
[0009] 3)三維模型的三棱柱單元通過幾何運算平面與自己9條邊的交點，得到的交點由 順時針方向用凸包算法計算出剖面的幾何多邊形；
[0010] 4)剖面繪制。
[0011] 所述步驟3)幾何運算平面與自己9條邊的交點主要用到線性代數中直線方程與平 面方程求交點的計算方法，設直線L與平面Π 的方程分別為：
[0013] Π :Ax+By+Cz+D = 0
[0014] 直線L的參數方程為
[0016 ]若以直線L的參數方程代入平面π的方程可得 [0017] (Am+Bn+Cp) t+Axo+Byo+Czo+D = 0
[0018]其中，x、y、z為三維坐標，xo、yo、Z()是位于直線L上的一點，m、n、p為直線的方向向 量;A、B、C是平面Π 的法線向量，D是平面Π 在法向量方向的偏移量；
[0019] 當(Am+Bn+Cp)關0時，可求得唯一的t，因而直線L與平面π交于一點，將t代回參數 方程即求得交點坐標。
[0020]所述步驟3)中凸包算法為：
[0021 ]設某三棱柱集合求剖面交點后得到以下點：
[0023] (1).點的個數如果小于3的話就直接返回；
[0024] (2).多于或等于3個點時，先確定一個順時針的三角形即起始多邊形；
[0025] (3).在剩余點中，按照下面算法組建凸包：
[0026] (a.)對交點d來說，在已經是順時針方向的起始多邊形(a，b，c)中，找到頂點a，在 以a為頂點的兩條邊(ca)(ab)處，交點d從邊(ca)的右側轉為了邊(ab)左側；
[0027] (b.)繼續對多邊形的所有頂點進行搜索，找到頂點b，在頂點b處交點d從邊(ab)的 左側轉為邊(be)的右側；
[0028] (c.)把交點d插入頂點a和頂點b之間，連接成新多邊形(adbc)，原多邊形頂點a、頂 點b之間的頂點全部移除。
[0029] 所述步驟4)中的剖面繪制是通過圖形拼接合并后進行繪制。
[0030] 本發明在對三棱柱求平面交點時，先要判斷該三棱柱的邊與平面是否有交點；如 果它的所有頂點都在平面的一側，那就無需再計算即交點為零；只有它在平面兩邊都有頂 點時，才需要使用上述算法求各邊線段與平面的交點，再對這些交點求凸包并繪制出來，就 得到了三維模型的剖面圖。
[0031] 本發明構建出的三維模型是由三棱柱為基本構成單位組成的，基本三棱柱單元由 廣義6頂點9邊組成，邊長可能為0,頂點重合后表現為三棱體。三維模型剖面的構成是由構 成該模型的三棱柱單元遍歷計算剖面后，再統一集中繪制在觀察窗中。三棱柱單元通過幾 何運算平面與自己9條邊的交點，并用凸包算法計算出剖面的幾何多邊形。最后，在繪制時 依據預定義的顏色和方式，如是否顯示網格等效果，完成最終繪制。在三維環境下將空間數 據進行分析，通過一系列計算，得到逼進真實的三維模型剖面圖，剖面圖通過顏色和紋理對 各屬性進行標注，使相關人員可以非常直觀地了解到三維模型內部結構的分布。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明交點和截面示意圖；
[0033] 圖2(1)-圖2(6)分別為本發明凸包算法示意圖；
[0034]圖3a、圖3b分別為剖面繪制效果圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0036]能夠反映地層結構的地質三維模型剖切方法，包括以下步驟：
[0037] 1)使用三棱柱構建或轉換被剖切的三維模型;所述三維模型構建所用基本三棱柱 單元采用廣義6頂點9條邊組成，頂點重合后表現為三棱柱體，每條邊長度大于或等于0; [0038] 2)計算三維模型的剖面交點；三維模型剖面的構成是由構成該模型的三棱柱單元 遍歷計算剖面后，再統一集中繪制在觀察窗中；
[0039] 3)三維模型的三棱柱單元通過幾何運算平面與自己9條邊的交點，得到的交點由 順時針方向用凸包算法計算出剖面的幾何多邊形；
[0040] 4)剖面繪制。
[0041]如圖1所示，三棱柱剖切算法主要是計算三棱柱的9條邊與指定平面的交點所組成 的凸多邊形的算法(如下圖所示）。計算邊(線段)與平面的交點主要用到線性代數中直線方 程與平面方程求交點的計算方法。
[0042]設直線L與平面Π 的方程分別為：
[0044] Π :Ax+By+Cz+D = 0
[0045] 直線L的參數方程為
[0047 ]若以L的參數方程代入平面Π 的方程可得 [0048] (Am+Bn+Cp) t+Axo+Byo+Czo+D = 0
[0049] 當(Am+Bn+Cp)矣0時，可求得唯一的t，因而L與Π 交于一點，將t代回參數方程即求 得交點坐標；
[0050]其中，x、y、z為三維坐標，xo、yo、Z()是位于直線L上的一點，m、n、p為直線的方向向 量;A、B、C是平面Π 的法線向量，D是平面Π 在法向量方向的偏移量。
[0051] 如圖2(1)-圖2(6)所示，求離散點凸包的算法如下：
[0052] 設某三棱柱集合求剖面交點后得到以下點：
[0054] 1.點的個數如果小于3的話就直接返回。
[0055] 2.多于或等于3個點時，先確定一個順時針的三角形。（起始多邊形）
[0056] 3.在剩余點中，按照下面算法組建凸包：（過程如圖2所示）
[0057] (a)對交點d來說，在已經是順時針方向的起始多邊形(a，b，c)中，找到頂點a，在以 a為頂點的兩條邊(ca)(ab)處，交點d從邊(ca)的右側轉為了邊(ab)左側；
[0058] (b)繼續對多邊形的所有頂點進行搜索，找到頂點b，在頂點b處交點d從邊(ab)的 左側轉為邊(be)的右側；
[0059] (c)把交點d插入頂點a和頂點b之間，連接成新多邊形(adbc)，原多邊形頂點a、頂 點b之間的頂點全部移除。
[0060] 如圖3(a)、圖3(b)所示，在對三棱柱求平面交點時，先要判斷該三棱柱的邊與平面 是否有交點。如果它的所有頂點都在平面的一側，那就無需再計算(交點為零）。只有它在平 面兩邊都有頂點時，才需要使用上述算法求各邊線段與平面的交點，再對這些交點求凸包 并繪制出來，就得到了三維模型的剖面圖。
[0061] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1. 一種能夠反映地層結構的地質Ξ維模型剖切方法，其特征是，包括W下步驟： 1) 使用Ξ棱柱構建或轉換被剖切的Ξ維模型;所述Ξ維模型構建所用基本Ξ棱柱單元 采用廣義6頂點9條邊組成，頂點重合后表現為Ξ棱柱體，每條邊長度大于或等于0; 2) 計算Ξ維模型的剖面交點；Ξ維模型剖面的構成是由構成該模型的Ξ棱柱單元遍歷 計算剖面后，再統一集中繪制在觀察窗中； 3) Ξ維模型的Ξ棱柱單元通過幾何運算平面與自己9條邊的交點，得到的交點由順時 針方向用凸包算法計算出剖面的幾何多邊形； 4) 剖面繪制。2. 根據權利要求1所述的能夠反映地層結構的地質Ξ維模型剖切方法，其特征是:所述 步驟3)幾何運算平面與自己9條邊的交點主要用到線性代數中直線方程與平面方程求交點 的計算方法，設直線L與平面Π 的方程分別為：Π :Ax+By+Cz+D = 0 直線L的參數方程為若W直線L的參數方程代入平面Π 的方程可得 (Am+I3n+Cp) t+Axo+Byo+Czo+D = 0 其中，x、y、z為Ξ維坐標，xo、yo、z〇是位于直線L上的一點，m、n、p為直線的方向向量;A、 B、C是平面Π 的法線向量，D是平面Π 在法向量方向的偏移量； 當(Am+化+Cp)辛0時，可求得唯一的t，因而直線L與平面Π 交于一點，將t代回參數方程 即求得交點坐標。3. 根據權利要求1所述的能夠反映地層結構的地質Ξ維模型剖切方法，其特征是:所述 步驟3)中凸包算法為： 設某Ξ棱柱集合求剖面交點后得到W下點：(1) .點的個數如果小于3的話就直接返回； (2) .多于或等于3個點時，先確定一個順時針的Ξ角形即起始多邊形； (3) .在剩余交中，按照下面算法組建凸包： (a.)對交點d來說，在已經是順時針方向的起始多邊形abc中，找到頂點曰，在Wa為頂點 的兩條邊ca、ab處，交點d從邊ca的右側轉為了邊ab左側； (b.)繼續對多邊形的所有頂點進行捜索，找到頂點b，在頂點b處交點d從邊ab的左側轉 為邊be的右側； (C .)把交點d插入頂點a和頂點b之間，連接成新多邊形a d b C，原多邊形頂點a、頂點b之 間的頂點全部移除。4.根據權利要求1所述的能夠反映地層結構的地質Ξ維模型剖切方法，其特征是:所述 步驟4)中的剖面繪制是通過圖形拼接合并后進行繪制。
【專利摘要】本發明公開了一種能夠反映地層結構的地質三維模型剖切方法，涉及計算機圖形學方面，包括以下步驟：首先，使用三棱柱構建或轉換被剖切模型；其次，計算剖面交點；然后，剖切交點生成凸多邊形的算法；最后，進行剖面繪制。本發明在三維環境下將空間數據進行分析，通過一系列計算，得到逼進真實的三維模型剖面圖，剖面圖通過顏色和紋理對各屬性進行標注，使相關人員可以非常直觀地了解到三維模型內部結構的分布。三維剖切是對已存在的模型進行分析的重要手段。
【IPC分類】G06T17/05
【公開號】CN105574932
【申請號】CN201510947331
【發明人】施耐克, 邱梅
【申請人】北京科技大學, 山東科技大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月17日