[发明专利]一种基于T样条的三维地质建模方法

说明书

本发明公开了一种基于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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。