一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法及系统与流程

1.本发明涉及曲面建模技术领域，具体涉及一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法及系统。


背景技术：

2.nurbs曲面建模技术：nurbs(non-uniform rational b-splines)曲线/曲面是一种用于表示复杂几何形状的数学工具，它可以描述非常复杂的曲面形状，并且能够通过控制点、节点序列和权值等参数进行精细调整。nurbs曲面建模技术主要应用于航空、汽车、工程和造型等领域。
3.b
é
zier曲面建模技术：b
é
zier曲面是一种由bernstein多项式构成的曲面，它是nurbs曲面的一种简化形式。b
é
zier曲面建模技术简单易学，计算速度快，因此在工业设计和电影特效等领域中得到广泛应用。
4.subdivision曲面建模技术：subdivision曲面建模技术是一种基于递归分割的曲面建模方法，它可以在低分辨率下定义一个基本曲面，然后逐渐细分曲面，最终得到高精度的曲面。subdivision曲面建模技术在电影特效、游戏设计和虚拟现实等领域中得到广泛应用。
5.以上的建模方法的主要问题如下：
6.(1)nurbs曲面建模技术的主要问题是参数的调整较为困难，因为nurbs曲面的控制点、节点序列和权值等参数都需要进行精细的调整；此外，对于非光滑曲面的建模，nurbs曲面的效果可能会比较差；
7.(2)b
é
zier曲面建模技术的主要问题是模型的连续性和光滑性不够理想，而且对于复杂曲面的建模比较困难；
8.(3)subdivision曲面建模技术的主要问题是在细分过程中可能会产生拓扑错误，而且在处理一些复杂的曲面形状时，subdivision曲面的效果可能会不如其他技术。
9.综上所述，现有的建模方法由于存在参数调整困难、曲面的效果较差、连续性和光滑性不够理想以及存在拓扑错误等问题，而这些问题在空间特殊地质体的曲面建模中更加地突出，从而导致得到的三维模型曲面效果不佳。


技术实现要素：

10.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法及系统，用于解决现有的建模方法在对空间特殊地质体的进行曲面建模时，得到的三维模型曲面效果不佳的技术问题，从而达到获得高质量三维模型曲面的目的。
11.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
12.一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，包括以下步骤：
13.提取所述空间特殊地质体的地震原始数据点，根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；
14.利用所述内部辅助点和所述外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；
15.根据所述地震原始数据点的数值大小对所述四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；
16.在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成所述空间特殊地质体的曲面建模。
17.作为本发明优选的实施方式，在根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点时，包括：
18.确定所述地震原始数据点的平面中心点；
19.获取所述地震原始数据点中最远数据点到所述平面中心点的第一半径；
20.根据所述第一半径确定到所述平面中心点的第二半径；
21.确定所述地震原始数据点的空间方向，根据所述第二半径从所述空间方向的上界到下界，生成桶状的数据点，并将所述桶状的数据点标记为0，将所述地震原始数据点标记为1；
22.在所述平面中心点的位置从所述空间方向的上界到下界，生成内部辅助点，并将所述内部辅助点标记为2；
23.其中，所述第二半径大于所述第一半径，所述桶状的数据点为所述外部辅助点。
24.作为本发明优选的实施方式，在通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场时，包括：
25.根据所述地震原始数据点、所述外部辅助点以及所述内部辅助点的值和位置信息，构建四面体网格模型；
26.使用空间四面体剖分算法，根据所需的形状和大小，调整所述四面体网格模型的形状和大小以及所述四面体网格模型的顶点位置和边长，建立所述四面体结构的空间分布场；
27.其中，所述四面体结构的空间分布场中值为1或2的区域即为所述空间特殊地质体的分布区域。
28.作为本发明优选的实施方式，在使用空间四面体剖分算法建立所述四面体结构的空间分布场时，包括：
29.根据所述四面体网格模型确定一初始点集p，并将所述初始点集p转化为有序点集q＝{q1,q2,...qn}；
30.选取所述有序点集中任意四个不共面的点，以所述任意四个不共面的点作为顶点构建一四面体，并得到所述四面体的第一外接圆；
31.获取所述有序点集中每个点到所述第一外接圆的第一距离，并判断所述第一距离是否大于所述第一外接圆的半径，若是，则将对应的点加入到所述四面体中，若否，则将跳过对应的点；
32.将新加入的点和所述四面体中的三个顶点构建三个新的四面体，最终获得一四面体集合，执行有序点添加步骤，直至所述有序点集中的所有点都被加入到所述四面体集合中。
33.作为本发明优选的实施方式，所述有序点添加步骤，包括：
34.确定所述有序点集中每个点到所述四面体集合的第二距离；
35.根据所述第二距离找到距离所述四面体集合最远的点，确定所述最远的点到所述四面体集合中最近的四面体，并得到所述最近的四面体的第二外接圆；
36.判断所述第二距离是否大于所述第二外接圆的半径，若是，则将所述最远的点加入到所述四面体集合中，若否，则跳过所述最远的点，找寻下一个最远的点；
37.不断重复上述步骤，直至所述有序点集中的所有点都被加入到所述四面体集合中
38.作为本发明优选的实施方式，在每一层上构造等值线时，包括：
39.将所述地震原始数据点生成一个连续的数据流形；
40.将所述数据流形按照数值大小分成若干层次；
41.获取每个层次上所包含所述数据流形中的数据点，并将每个所述数据点作为一个网格顶点，以四个网格顶点为一组，通过查表生成第一等值线；
42.以八个网格顶点为一组，通过查表生成第二等值线；
43.其中，所述若干层次中的每个层次包含一组数值相等的数据点。
44.作为本发明优选的实施方式，在根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场时，包括：
45.以八个网格顶点为一组，通过查表生成等值面；
46.从所述数据点中提取出所述第一等值线和所述第二等值线的关键点，根据所述关键点构造一颗用于表示等值线的拓扑结构的结构树；
47.根据所述等值线的拓扑结构，通过拟合生成所述带有等值面的空间分布场。
48.作为本发明优选的实施方式，在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面时，包括：
49.对所述带有等值面的空间分布场进行遍历，确定每个四面体的顶点的数据值，并判断所述数据值是否跨越等值面；
50.若是，则将所述四面体分割成若干小四面体，使得所述若干小四面体的顶点的数据值均小于等于等值面，或者均大于等值面；
51.获取所述若干小四面体内插点的数据值和位置，并根据所述内插点的数据值和位置，确定所述位置等值面的高度值；
52.将所述等值面的高度值连接成一系列三角形，确定所述空间分界面。
53.作为本发明优选的实施方式，在获取所述若干小四面体内插点的数据值和位置时，包括：
54.根据所述若干小四面体的顶点的数据值，通过插值法得到所述若干小四面体内插点的数据值和位置，具体如公式1所示：
[0055][0056]
式中，m＝4，xo为所述若干小四面体的顶点的数据值，x为所述若干小四面体内插点的数据值，jo为所述若干小四面体的顶点到内插点的距离。
[0057]
一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模系统，包括：
[0058]
辅助点生成单元：用于提取所述空间特殊地质体的地震原始数据点，根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；
[0059]
空间分布场建立单元：用于利用所述内部辅助点和所述外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；
[0060]
等值面获取单元：用于根据所述地震原始数据点的数值大小对所述四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；
[0061]
建模单元：用于在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成所述空间特殊地质体的曲面建模。
[0062]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0063]
(1)利用本发明所提供的建模方法把复杂的空间曲面建立过程，简化成了空间分布场的建立，有效地提高了空间特殊地质体的曲面建模效率；
[0064]
(2)利用本发明所提供的建模方法不需要对曲面的控制点、节点序列和权值等参数进行精细的调整，从而进一步提高空间特殊地质体的曲面建模效率，并且对非光滑曲面的建模，也能获得较好的曲面效果；
[0065]
(3)本发明能实现复杂曲面的建模，并且获得的三维模型具有较好的连续性和光滑性；
[0066]
(4)本发明在细分过程中不易产生拓扑错误，从而能够处理复杂的曲面形状；
[0067]
(5)利用本发明在三维地震勘探施工中，若遇到空间特殊地质体如：陷落柱、特殊岩体等，能够准确描述并建立准确的地质模型，为后期施工提供详实的地质基础模型及图件。
[0068]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0069]
图1-是本发明实施例的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法步骤图；
[0070]
图2-是本发明实施例的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法的过程示意图；
[0071]
图3-是本发明实施例的空间特殊地质体的曲面建模效果图。
具体实施方式
[0072]
本发明所提供的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0073]
步骤s1：提取空间特殊地质体的地震原始数据点，根据地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；
[0074]
步骤s2：利用内部辅助点和外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；
[0075]
步骤s3：根据地震原始数据点的数值大小对四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；
[0076]
步骤s4：在带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成空间特殊地质体的
曲面建模。
[0077]
在上述步骤s1中，在根据地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点时，包括：
[0078]
确定地震原始数据点的平面中心点；
[0079]
获取地震原始数据点中最远数据点到平面中心点的第一半径；
[0080]
根据第一半径确定到平面中心点的第二半径；
[0081]
确定地震原始数据点的空间方向，根据第二半径从空间方向的上界到下界，生成桶状的数据点，并将桶状的数据点标记为0，将地震原始数据点标记为1；
[0082]
在平面中心点的位置从空间方向的上界到下界，生成内部辅助点，并将内部辅助点标记为2；
[0083]
其中，第二半径大于第一半径，桶状的数据点为外部辅助点。
[0084]
具体地，上述步骤s1的具体过程如下：
[0085]
(1)提取地震原始数据点(x，y，z)，确定地震原始数据点的平面中心点(cx，cy)，以及最远数据点到平面中心点的半径r；
[0086]
(2)在距离平面中心点2r的位置均匀地从空间方向的上界到下界，生成桶状的数据点，并将这些点的值标记为0，地震原始数据点的值标记为1，并且在平面中心点的位置从空间方向的上界到下界生成值为2的内部辅助点，效果如图2所示。
[0087]
在上述步骤s2中，在通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场时，包括：
[0088]
根据地震原始数据点、外部辅助点以及内部辅助点的值和位置信息，构建四面体网格模型；
[0089]
使用空间四面体剖分算法，根据所需的形状和大小，调整四面体网格模型的形状和大小以及四面体网格模型的顶点位置和边长，建立四面体结构的空间分布场，效果如图2所示；
[0090]
其中，四面体结构的空间分布场中值为1或2的区域即为空间特殊地质体的分布区域。
[0091]
进一步地，在使用空间四面体剖分算法建立四面体结构的空间分布场时，包括：
[0092]
根据四面体网格模型确定一初始点集p，并将初始点集p转化为有序点集q＝{q1,q2,...qn}；
[0093]
选取有序点集中任意四个不共面的点，以任意四个不共面的点作为顶点构建一四面体，并得到四面体的第一外接圆；
[0094]
获取有序点集中每个点到第一外接圆的第一距离，并判断第一距离是否大于第一外接圆的半径，若是，则将对应的点加入到四面体中，若否，则将跳过对应的点；
[0095]
将新加入的点和四面体中的三个顶点构建三个新的四面体，最终获得一四面体集合，执行有序点添加步骤，直至有序点集中的所有点都被加入到四面体集合中。
[0096]
更进一步地，有序点添加步骤，包括：
[0097]
确定有序点集中每个点到四面体集合的第二距离；
[0098]
根据第二距离找到距离四面体集合最远的点，确定最远的点到四面体集合中最近的四面体，并得到最近的四面体的第二外接圆；
[0099]
判断第二距离是否大于第二外接圆的半径，若是，则将最远的点加入到四面体集
合中，若否，则跳过该最远的点，找寻下一个最远的点；
[0100]
不断重复上述步骤，直至有序点集中的所有点都被加入到四面体集合中。
[0101]
在上述步骤s3中，在每一层上构造等值线时，包括：
[0102]
将地震原始数据点生成一个连续的数据流形；
[0103]
将数据流形按照数值大小分成若干层次；
[0104]
获取每个层次上所包含数据流形中的数据点，并将每个数据点作为一个网格顶点，以四个网格顶点为一组，通过查表生成第一等值线；
[0105]
以八个网格顶点为一组，通过查表生成第二等值线；
[0106]
其中，若干层次中的每个层次包含一组数值相等的数据点。
[0107]
进一步地，将地震原始数据点进行插值或重构，生成一个连续的数据流形。
[0108]
在上述步骤s3中，在根据等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场时，包括：
[0109]
以八个网格顶点为一组，通过查表生成等值面；
[0110]
从数据点中提取出第一等值线和第二等值线的关键点，根据关键点构造一颗用于表示等值线的拓扑结构的结构树；
[0111]
根据等值线的拓扑结构，通过拟合生成带有等值面的空间分布场。
[0112]
在上述步骤s4中，在带有等值面的空间分布场中确定空间分界面时，包括：
[0113]
对带有等值面的空间分布场进行遍历，确定每个四面体的顶点的数据值，并判断数据值是否跨越等值面；
[0114]
若是，则将四面体分割成若干小四面体，使得若干小四面体的顶点的数据值均小于等于等值面，或者均大于等值面；
[0115]
获取若干小四面体内插点的数据值和位置，并根据内插点的数据值和位置，确定位置等值面的高度值；
[0116]
将等值面的高度值连接成一系列三角形，确定空间分界面，效果如图2所示。
[0117]
进一步地，通过三角剖分算法将等值面的高度值连接成一系列三角形。
[0118]
进一步地，在获取若干小四面体内插点的数据值和位置时，包括：
[0119]
根据若干小四面体的顶点的数据值，通过插值法得到若干小四面体内插点的数据值和位置，具体如公式1所示：
[0120][0121]
式中，m＝4，xo为若干小四面体的顶点的数据值，x为若干小四面体内插点的数据值，jo为若干小四面体的顶点到内插点的距离。
[0122]
更进一步地，除了上述公式1所示的插值法外，还可以使用线性插值法或其他插值算法。
[0123]
本发明所提供的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模系统，包括：辅助点生成单元、空间分布场建立单元、等值面获取单元以及建模单元。辅助点生成单元用于提取空间特殊地质体的地震原始数据点，根据地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点。空间分布场建立单元用于利用内部辅助点和外部辅助点，并通过四面体建模建立四面
体结构的空间分布场。等值面获取单元用于根据地震原始数据点的数值大小对四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场。建模单元用于在带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成空间特殊地质体的曲面建模。
[0124]
以下的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的范围并不限制于此。
[0125]
实施例
[0126]
1、整理地震原始数据，主要是空间特殊地质体解释成果(x，y，z格式)；
[0127]
2、提取地震原始数据，通过地震原始数据自动生成辅助点，起到空间分布约束的作用；
[0128]
3、应用上述的四面体建模技术，建立四面体结构的空间分布场；
[0129]
4、确定空间分界面(提取空间等值面)，形成空间特殊地质体三维模型，最终效果如图3所示。
[0130]
由图3可看出，应用本发明所提供的方法获得的空间特殊地质体三维模型的曲面效果较好，并且三维模型具有较好的连续性和光滑性。
[0131]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，包括以下步骤：提取所述空间特殊地质体的地震原始数据点，根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；利用所述内部辅助点和所述外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；根据所述地震原始数据点的数值大小对所述四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成所述空间特殊地质体的曲面建模。2.根据权利要求1所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点时，包括：确定所述地震原始数据点的平面中心点；获取所述地震原始数据点中最远数据点到所述平面中心点的第一半径；根据所述第一半径确定到所述平面中心点的第二半径；确定所述地震原始数据点的空间方向，根据所述第二半径从所述空间方向的上界到下界，生成桶状的数据点，并将所述桶状的数据点标记为0，将所述地震原始数据点标记为1；在所述平面中心点的位置从所述空间方向的上界到下界，生成内部辅助点，并将所述内部辅助点标记为2；其中，所述第二半径大于所述第一半径，所述桶状的数据点为所述外部辅助点。3.根据权利要求1所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场时，包括：根据所述地震原始数据点、所述外部辅助点以及所述内部辅助点的值和位置信息，构建四面体网格模型；使用空间四面体剖分算法，根据所需的形状和大小，调整所述四面体网格模型的形状和大小以及所述四面体网格模型的顶点位置和边长，建立所述四面体结构的空间分布场；其中，所述四面体结构的空间分布场中值为1或2的区域即为所述空间特殊地质体的分布区域。4.根据权利要求3所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在使用空间四面体剖分算法建立所述四面体结构的空间分布场时，包括：根据所述四面体网格模型确定一初始点集p，并将所述初始点集p转化为有序点集q＝{q1,q2,...qn}；选取所述有序点集中任意四个不共面的点，以所述任意四个不共面的点作为顶点构建一四面体，并得到所述四面体的第一外接圆；获取所述有序点集中每个点到所述第一外接圆的第一距离，并判断所述第一距离是否大于所述第一外接圆的半径，若是，则将对应的点加入到所述四面体中，若否，则将跳过对应的点；将新加入的点和所述四面体中的三个顶点构建三个新的四面体，最终获得一四面体集合，执行有序点添加步骤，直至所述有序点集中的所有点都被加入到所述四面体集合中。5.根据权利要求4所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，
所述有序点添加步骤，包括：确定所述有序点集中每个点到所述四面体集合的第二距离；根据所述第二距离找到距离所述四面体集合最远的点，确定所述最远的点到所述四面体集合中最近的四面体，并得到所述最近的四面体的第二外接圆；判断所述第二距离是否大于所述第二外接圆的半径，若是，则将所述最远的点加入到所述四面体集合中，若否，则跳过所述最远的点，找寻下一个最远的点；不断重复上述步骤，直至所述有序点集中的所有点都被加入到所述四面体集合中。6.根据权利要求1所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在每一层上构造等值线时，包括：将所述地震原始数据点生成一个连续的数据流形；将所述数据流形按照数值大小分成若干层次；获取每个层次上所包含所述数据流形中的数据点，并将每个所述数据点作为一个网格顶点，以四个网格顶点为一组，通过查表生成第一等值线；以八个网格顶点为一组，通过查表生成第二等值线；其中，所述若干层次中的每个层次包含一组数值相等的数据点。7.根据权利要求6所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场时，包括：以八个网格顶点为一组，通过查表生成等值面；从所述数据点中提取出所述第一等值线和所述第二等值线的关键点，根据所述关键点构造一颗用于表示等值线的拓扑结构的结构树；根据所述等值线的拓扑结构，通过拟合生成所述带有等值面的空间分布场。8.根据权利要求1所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面时，包括：对所述带有等值面的空间分布场进行遍历，确定每个四面体的顶点的数据值，并判断所述数据值是否跨越等值面；若是，则将所述四面体分割成若干小四面体，使得所述若干小四面体的顶点的数据值均小于等于等值面，或者均大于等值面；获取所述若干小四面体内插点的数据值和位置，并根据所述内插点的数据值和位置，确定所述位置等值面的高度值；将所述等值面的高度值连接成一系列三角形，确定所述空间分界面。9.根据权利要求8所述的基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法，其特征在于，在获取所述若干小四面体内插点的数据值和位置时，包括：根据所述若干小四面体的顶点的数据值，通过插值法得到所述若干小四面体内插点的数据值和位置，具体如公式1所示：式中，m＝4，x
o
为所述若干小四面体的顶点的数据值，x为所述若干小四面体内插点的数据值，j
o
为所述若干小四面体的顶点到内插点的距离。
10.一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模系统，其特征在于，包括：辅助点生成单元：用于提取所述空间特殊地质体的地震原始数据点，根据所述地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；空间分布场建立单元：用于利用所述内部辅助点和所述外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；等值面获取单元：用于根据所述地震原始数据点的数值大小对所述四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据所述等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；建模单元：用于在所述带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成所述空间特殊地质体的曲面建模。

技术总结
本发明公开了一种基于四面体的空间特殊地质体的曲面建模方法及系统，包括以下步骤：提取空间特殊地质体的地震原始数据点，根据地震原始数据点自动生成内部辅助点和外部辅助点；利用内部辅助点和外部辅助点，并通过四面体建模建立四面体结构的空间分布场；根据地震原始数据点的数值大小对四面体结构的空间分布场进行分层，并在每一层上构造等值线，根据等值线进一步生成等值面，得到带有等值面的空间分布场；在带有等值面的空间分布场中确定空间分界面，完成空间特殊地质体的曲面建模。本发明用于解决现有的建模方法在对空间特殊地质体的进行曲面建模时，得到的三维模型曲面效果不佳的技术问题，从而达到获得高质量三维模型曲面的目的。型曲面的目的。型曲面的目的。


技术研发人员：罗忠琴 段建华 赵殿君 徐洋 林建东 周亚朋 刘冰
受保护的技术使用者：三河环波软件有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/5