專利名稱：一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工程地質和地學信息處理技術領域，尤其是一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法。適用于水利水電、交通(地鐵、隧道)、礦山、軍事等工程實踐。
背景技術：
隨著工程地質學與信息技術的發(fā)展，在工程地質勘察信息化設計方面已逐漸形成了初步的理論與方法體系，并對工程勘察提出了的一體化設計的需求，使地質分析從二維分析跨越到三維空間分析，這些改變使地質分析可以更直觀、更清晰、更方便，所采用的技術方法和手段也更高級，更多元化。在工程地質勘查中，地下洞室和勘探孔洞都是非常重要的地質對象，地下洞室由不同功能的洞室(地下廠房、施工支洞、交通洞等)組成，勘探孔洞可以獲取詳細的巖土層分布狀況。在各大工程項目中，地下洞室和勘探孔洞數量繁多，從橫交錯，所處的地質條件錯綜復雜，目前各專業(yè)軟件中都沒有較好的模塊來解決地下洞室和勘探孔洞智能建模的問題，傳統(tǒng)的設計，依賴工程師的手動建模，工作量大，且容易出現(xiàn)模型之間空間關系錯誤、地質體屬性無法正常表達等問題，效率較低，近些年，國內也有人通過NURBS技術，構建三維地質或巖級模型和地下洞室、勘探孔洞模型，通過兩模型之間的布爾運算，來賦予模型以地質體屬性，這種方法為了賦予模型屬性還需額外建模及運算，自動化程度很低，耗時易出錯，為此，有必要在過往積累的經驗和測量的數據基礎上，提出一種智能快速的地下洞室、勘探孔洞建模方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是:提供一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法，旨在解決地下洞室、勘探孔洞地質信息量大、多重地質分段建模繁瑣、人機交互式建模效率低等問題，試圖提高生成地質模型的速度，滿足模型精度需求，為工程前期勘察設計和施工期掘進支護實時提供反映最新地質情況的三維數字化的基礎資料。本發(fā)明所采用的技術方案是:一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法，其特征在于包括以下步驟:1、對象分類及屬性定義A，對本方法所涉及的地質對象進行分類，類別包括地質體、勘探孔洞和地下洞室，再為已分類的地質對象定義屬性字段，包括基本屬性、地質體屬性、幾何體屬性和CAD圖形屬性，然后都輸出到對象分類及屬性定義配置E中；2、幾何參數輸入B，根據對象分類及屬性定義配置E，對具體的地下洞室、勘探孔洞進行基線參數定義BI和截面參數定義B2，并將所述的定義數據輸入地質數據庫或數據文件F中； 3、多重地質分段數據輸入C，根據對象分類及屬性定義配置E，按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分類的地質體進行有產狀地質界面分段Cl和無產狀地質界面分段C2，并將所述分段的地質體屬性數據和地質界面的位置數據輸入地質數據庫或數據文件F中；
4、參數化自動建模D，根據步驟I對象分類及屬性定義A輸出的對象分類及屬性定義配置E，以及步驟2和步驟3輸入的幾何參數和多重地質分段數據，按用戶建模要求進入無地質分段建模D1、有產狀地質界面分段建模D2和無產狀地質界面分段建模D3中的一種，對分段的模型賦予模型屬性D4，生成勘探孔洞或地下洞室的地質三維模型。所述基線參數定義BI的數據包括基線各段的起點坐標、終點坐標、基線段類型、圓弧類型和圓弧半徑，其中基線段類型有直坡線洞段、豎井洞段、斜井洞段和螺旋線洞段、倒角線洞段五種，勘探孔洞和地下洞室的基線是由一個或多個組合的基線段組成。所述截面參數定義B2的數據包括截面類型和截面形狀參數，其中截面類型包括矩形、城門形、圓形和四心圓形，都統(tǒng)一采用最復雜的四心圓形的四個形狀參數描述，勘探孔洞和地下洞室的每個基線段的起點和終點都要進行截面參數定義B2。所述地質界面的位置數據是指勘探孔洞或地下洞室中地質界面上任意一點的位置數據，包括勘探孔洞或不同基線段類型地下洞室描述適用的深度、樁號、斜距和高程，以及用于洞截面相對位置描述的橫向偏距和縱向偏距。所述地質體包括地層、巖性層、構造帶、風化帶、卸荷帶、巖脈、礦體和洞室圍巖；勘探孔洞包括鉆孔、平洞、探井、探坑和探槽；地下洞室包括地下廠房、交通隧洞、引水隧洞和礦井巷道。所述基本屬性包括類型編碼、類型名稱、從屬關系和對象編號；地質體屬性包括地層代號、地質時代、巖性名稱、風化程度、卸荷程度、緊密程度、巖體結構、巖體質量、圍巖類另IJ、元素富集程度、巖溶程度、圍巖破壞類型、施工方法和支護類型；幾何體屬性包括基線參數和截面參數；CAD圖形屬性包括圖層、顏色、線型、線寬、填充、透明度和渲染樣式。所述有產狀地質界面分段Cl需輸入地質界面在勘探孔洞或地下洞室內的一個或多個采集點的位置數據，以及采集點處地質界面的產狀數據；無產狀地質界面分段C2需輸入人為判定的地質界面的位置數據。所述無地質分段建模Dl是依據勘探孔洞或地下洞室的基線參數定義和截面參數定義數據，通過勘探孔洞或地下洞室的分段截面沿分段基線掃掠生成CAD實體模型；有產狀地質界面分段建模D2和無產狀地質界面分段建模D3都屬于地質分段建模過程，都需要利用地質界面模型進行布爾剪切運算，兩者的區(qū)別在于前者按地質界面實際空間方位進行剪切處理，后者按簡化的垂直地質界面進行剪切處理。所述賦予模型屬性D4是要為每一個分段模型賦予基本屬性、擴展屬性和鏈接屬性，其中擴展屬性包括地質體屬性、幾何體屬性和CAD圖形屬性；鏈接屬性是為基本屬性和擴展屬性再附加一個定制的數據查詢鏈接，以便根據選定的基本屬性和擴展屬性從地質數據庫或數據文件F中檢索特定對象的詳細數據。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明是基于數據驅動的，利用多次布爾運算建模，無需經過復雜的數據處理工作，即可構建地下洞室、勘探孔洞模型。本發(fā)明在工程勘察領域中的應用前景非常大，經過對工程勘察項目需求的長期積累，定義了多種地下洞室、勘探孔洞形態(tài)參數，直接利用對象分類及屬性定義的配置文件、數據庫或數據文件中的地質信息建模，這樣即實現(xiàn)了實際工程項目中的地質對象定義、數據保存，又提高了后續(xù)建模的智能性，整個工作流便于校核和檢查，成果質量便于控制，滿足了工程各種實際需要，使三維模型不僅僅用來表達勘查結果，更可以對勘察資料進行分析和校核，如果出現(xiàn)地質屬性分布不合理等現(xiàn)象，可以及時發(fā)現(xiàn)、及時糾正，對勘察工作起到指導和輔助決策的作用。


圖1是本發(fā)明的流程圖。圖2是本發(fā)明地下洞室基線分類示意圖。圖3是本發(fā)明地下洞室截面定義示意圖。圖4是本發(fā)明地下洞室弧形洞段切割示意圖。圖5是本發(fā)明引水隧洞建模結果示意圖。圖6是本發(fā)明地下洞室建模屬性查詢示意圖。圖7、圖8、圖9分別是地質體(地層)、地下洞室、勘探孔洞的效果圖。
具體實施例方式下面結合圖1流程圖，以錦屏二級水電站輔助洞(為引水隧洞，屬于地下洞室類)建模為例，具體實施步驟如下:1、對象分類及屬性定義A:將對象進行分類，為分類的對象定義個性化的屬性字段，然后都輸出到對象分類及屬性定義配置E中。對象分類包括地質體,如地層、巖性層、風化帶、卸荷帶、巖體結構、圍巖分類；勘探孔洞，如鉆孔、平洞、探井、探坑、探槽；地下洞室，如地下廠房、交通隧洞、引水隧洞、礦井巷道。屬性定義包括對象的基本屬性，如類型編碼、類型名稱、從屬關系、對象編號；地質體屬性，如地層單元、巖性、風化程度、卸荷程度、緊密程度、巖體結構、巖體質量、圍巖類別、元素富集程度、巖溶程度、圍巖破壞類型、施工方法、支護類型；幾何體屬性，如基線參數、截面參數；CAD圖形屬性，如圖層、顏色、線型、線寬、填充、透明度、渲染樣式。2、幾何參數輸入B:根據對象分類及屬性定義配置E，將具體地下洞室的基線參數BI和截面參數B2輸入地質數據庫或數據文件F中。在為具體的地下洞室輸入基線參數BI和截面參數B2時，將任意數量的基線按照不同類型和順序首尾連接，且每一基線段都用統(tǒng)一的參數進行描述，然后為每個基線段的起點和終點定義相同或不同的截面類型，也用統(tǒng)一的參數進行描述?；€參數定義BI:地下洞室的基線定義，如圖2所示，本文定義了五種地下洞室基線段基本類型，分別是直坡線洞段、斜井洞段、豎井洞段、螺旋線洞段和倒角線洞段，復雜的地下洞室基線由一個和多個連續(xù)的基線段組成。結構相對簡單的前三種洞室基線段通過起終點坐標即可表達完整，后兩種洞室基線段除了給出基線段起終點坐標，還需要定義其弧線的方向和大小，本例用順優(yōu)弧、順劣弧、逆優(yōu)弧、逆劣弧來進行數學描述。判識的依據:大于半圓的弧叫做“優(yōu)弧”，與優(yōu)弧相對的是“劣弧”，即小于半圓的弧?；€段從起點到終點的圓弧具有指向性，本例用順、逆來描述，表示為順時針方向和逆時針方向?；€段為順時針且大于半圓的弧，那么稱之為順優(yōu)弧，其他依次類推。
如是勘探孔洞，鉆孔基線定義為只有一個直坡線洞段的特例，鉆孔以外的其他勘探孔洞基線定義為有一個或多個連續(xù)直坡線洞段的特例。勘探孔洞基線定義都可通過基線各線段的起終點坐標表達完整。截面參數定義B2:地下洞室的截面定義:如圖3所示，本例定義了統(tǒng)一參數bl、b2、hl、h2表達四種洞室截面:矩形截面兩個參數131、111，城門形截面三個參數131、111、112，圓形截面一個參數131，四心圓形截面四個參數bl、b2、hl、h2。在定義截面參數時，要注意參數之間的邏輯關系，矩形、城門形、圓形都看作是四心圓形的特例，即矩形截面b2默認等于bl、h2默認等于O ;城門形截面b2默認等于bl ;圓形截面b2、hl默認等于bl、h2默認等于b 1/2。如是勘探孔洞，其截面參數定義與地下洞室相同，鉆孔的截面始終為圓形，其他勘探孔洞的截面為矩形。通過洞室基線參數定義BI和截面參數定義B2，完成地下洞室的幾何描述。3、多重地質分段數據輸入C:根據對象分類及屬性定義配置E，按照地下洞室揭露的不同分類地質體進行有產狀地質界面分段Cl和無產狀地質界面分段C2，并將所述分段的地質體屬性數據和地質界面的位置數據輸入地質數據庫或數據文件F中。所述地質界面的位置數據是指地下洞室中地質界面上任意一點的位置數據，包括用不同基線段類型描述的深度、樁號、斜距和高程，以及用于洞截面相對位置描述的橫向偏距和縱向偏距。地下洞室的地質分段劃分為有產狀地質界面分段Cl (如巖層分段)和無產狀地質界面分段C2 (如風化分段)，其中有產狀地質界面分段需輸入地質界面一個或多個采集點的位置數據以及這些采集點上地質界面的產狀數據；無產狀地質界面分段只需輸入地質界面采集點的位置數據。其中，地下洞室的深度、樁號、斜距和高程是為了定義揭露點坐標，而揭露點坐標還與與洞室基線有關，規(guī)則如下:直線形和螺旋線洞段僅由樁號和偏距即可決定揭露點位置；斜井洞段由樁號、偏距和斜距決定；豎井和倒角線洞段由樁號、偏距和高程決定。如是勘探孔洞，其揭露點坐標由方位角、傾角、距離孔口或洞口的孔深或洞深來決定。4、參數化自動建模D:根據步驟I對象分類及屬性定義A輸出的對象分類及屬性定義配置E，以及步驟2和步驟3輸入的幾何參數和多重地質分段數據，即地質數據庫或數據文件F，按照用戶選擇的地質分段建模方式進行自動建模，并為分段模型自動賦予模型屬性。I)創(chuàng)建分段模型:該過程會根據用戶分段建模的選擇進入無地質分段建模D1、有產狀地質界面分段建模D2或無產狀地質界面分段建模D3中的一種。實施例:1.根據基線參數定義，一次性生成地下洞室基線，基線段有先后次序且不相連；I1.根據界面參數定義，在基線各段的起點和終點放置截面形狀，可選擇垂直和豎直兩種放置方式；II1.沿著基線掃掠截面，生成地下洞室實體模型；IV.根據用戶選擇的地質分段建模方式，對地下洞室實體模型進行布爾運算(切#lj)；V.重復步驟1-1V，依次對所有地下洞室進行地質分段建模處理。在上面的步驟I中，一次性生成洞室基線操作，需特別說明:當基線段為弧形時，即螺旋線形或倒角線形時，本例定義了四種類型:順優(yōu)弧、順劣弧、逆優(yōu)弧、逆劣弧，描述了弧形基線段的方向和大小。在上面的步驟III中，掃掠截面生成地下洞室實體模型操作，有兩種情況需特別說明:當一段基線兩端點的截面類型和參數相同時，掃掠生成的洞室面無漸變；當一段基線兩端點的截面類型不同時，或者界面相同而界面參數不同時，掃掠生成的地下洞室模型有漸變效果。在上面的步驟IV中，對地下洞室進行地質分段建模操作，有兩個問題需特別說明:當切割直坡線洞段、斜井洞段、豎井洞段時，根據洞室基線段方向就能判斷洞室模型切割后的前后兩部分；當切割螺旋線洞段和倒角線洞段時，要判斷洞室模型切割后的前后兩部分需特殊處理，如圖4所示，主要解決兩個問題:①當用一足夠大的面切割弧形洞室模型時，可能會切割出多個分段，生成不只一個斷面，此時需根據揭露點坐標做排除，保留正確的那一個斷面；②提取正確斷面與基線交點的切線，結合該切線和斷面法線，即可判斷洞室模型切割后的前后兩部分。地下洞室地質分段建模的效果如圖5所示。2)賦予模型屬性:當完成地下洞室的建模操作后，即可對模型賦予地質屬性，以洞室模型為例，結果如圖6所示。本發(fā)明中屬性分類見下表，其中基本屬性和擴展屬性是通過建立模型和屬性的關聯(lián)，屬性依附在模型上面的，而鏈接屬性是通過前兩類屬性鏈接展開的，實時讀取地質數據庫或數據文件F中的相關數據，方便用戶在需要時，檢查和查詢更多有關地下洞室(或勘探孔洞)的屬性信息。如表I所示。表I
權利要求
1.一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法，其特征在于包括以下步驟: 1.1、對象分類及屬性定義(A)，對本方法所涉及的地質對象進行分類，類別包括地質體、勘探孔洞和地下洞室，再為已分類的地質對象定義屬性字段，包括基本屬性、地質體屬性、幾何體屬性和CAD圖形屬性，然后都輸出到對象分類及屬性定義配置(E)中； 1.2、幾何參數輸入(B)，根據對象分類及屬性定義配置(E)，對具體的地下洞室、勘探孔洞進行基線參數定義(BI)和截面參數定義(B2)，并將所述的定義數據輸入地質數據庫或數據文件(F)中； 1.3、多重地質分段數據輸入(C)，根據對象分類及屬性定義配置(E)，按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分類的地質體進行有產狀地質界面分段(Cl)和無產狀地質界面分段(C2)，并將所述分段的地質體屬性數據和地質界面的位置數據輸入地質數據庫或數據文件(F)中； 1.4、參數化自動建模(D)，根據步驟1.1對象分類及屬性定義(A)輸出的對象分類及屬性定義配置(E)，以及步驟1.2和步驟1.3輸入的幾何參數和多重地質分段數據，按用戶建模要求進入無地質分段建模(Dl)、有產狀地質界面分段建模(D2)和無產狀地質界面分段建模(D3)中的一種，對分段的模型賦予模型屬性(D4)，生成勘探孔洞或地下洞室的地質三維模型。
2.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述基線參數定義(BI)的數據包括基線各段的起點坐標、終點坐標、基線段類型、圓弧類型和圓弧半徑，其中基線段類型有直坡線洞段、豎井洞段、斜井洞段和螺旋線洞段、倒角線洞段五種，勘探孔洞和地下洞室的基線是由一個或多個組合的基線段組成。
3.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述截面參數定義(B2)的數據包括截面類型和截面形狀參數，其中截面類型包括矩形、城門形、圓形和四心圓形，都統(tǒng)一采用最復雜的四心圓形的四個形狀參數描述，勘探孔洞和地下洞室的每個基線段的起點和終點都要進行截面參數定義(B2)。
4.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述地質界面的位置數據是指勘探孔洞或地下洞室中地質界面上任意一點的位置數據，包括勘探孔洞或不同基線段類型地下洞室描述適用的深度、樁號、斜距和高程，以及用于洞截面相對位置描述的橫向偏距和縱向偏距。
5.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述地質體包括地層、巖性層、構造帶、風化帶、卸荷帶、巖脈、礦體和洞室圍巖；勘探孔洞包括鉆孔、平洞、探井、探坑和探槽；地下洞室包括地下廠房、交通隧洞、引水隧洞和礦井巷道。
6.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述基本屬性包括類型編碼、類型名稱、從屬關系和對象編號；地質體屬性包括地層代號、地質時代、巖性名稱、風化程度、卸荷程度、緊密程度、巖體結構、巖體質量、圍巖類別、元素富集程度、巖溶程度、圍巖破壞類型、施工方法和支護類型；幾何體屬性包括基線參數和截面參數；CAD圖形屬性包括圖層、顏色、線型、線寬、填充、透明度和渲染樣式。
7.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述有產狀地質界面分段(Cl)需輸入地質界面在勘探孔洞或地下洞室內的一個或多個采集點的位置數據，以及采集點處地質界面的產狀數據；無產狀地質界面分段(C2)需輸入人為判定的地質界面的位置數據。
8.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述無地質分段建模(Dl)是依據勘探孔洞或地下洞室的基線參數定義和截面參數定義數據，通過勘探孔洞或地下洞室的分段截面沿分段基線掃掠生成CAD實體模型；有產狀地質界面分段建模(D2)和無產狀地質界面分段建模(D3)都屬于地質分段建模過程，都需要利用地質界面模型進行布爾剪切運算，兩者的區(qū)別在于前者按地質界面實際空間方位進行剪切處理，后者按簡化的垂直地質界面進行剪切處理。
9.根據權利要求1所述的自動建模方法，其特征在于:所述賦予模型屬性(D4)是要為每一個分段模型賦予基本屬性、擴展屬性和鏈接屬性，其中擴展屬性包括地質體屬性、幾何體屬性和CAD圖形屬性；鏈接屬性是為基本屬性和擴展屬性再附加一個定制的數據查詢鏈接， 以便根據選定的基本屬性和擴展屬性從地質數據庫或數據文件(F)中檢索特定對象的詳細數據。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法。本發(fā)明的目的是提供一種基于地質信息的地下洞室自動建模方法，解決地下洞室、勘探孔洞地質信息量大、多重地質分段建模繁瑣、人機交互式建模效率低等問題。本發(fā)明的技術方案是步驟如下1、對象分類及屬性定義A，再為已分類的地質對象定義屬性字段，然后都輸出到對象分類及屬性定義配置E中；2、幾何參數輸入B，對具體的地下洞室、勘探孔洞進行基線參數定義B1和截面參數定義B2；3、多重地質分段數據輸入C，根據E，按照勘探孔洞或地下洞室揭露的不同分類的地質體進行有產狀地質界面分段C1和無產狀地質界面分段C2；4、參數化自動建模D。本發(fā)明適用于水利水電、交通等工程實踐。
文檔編號G06F17/50GK103150428SQ201310062470
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權日2013年2月27日
發(fā)明者張春生, 王國光, 單治鋼, 王金鋒, 陳健, 雙喜, 徐震 申請人:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院