水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統的製作方法

2023-10-08 12:28:04 2

本發明涉及一種根據水電水利工程地質野外勘測數據進行計算機地質建模、模擬和分析的系統，特別涉及水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統。

背景技術：

水電水利工程地質勘察是水電水利工程在可行性研究階段、設計階段和施工階段的重要工作內容，是工程設計、施工和運行的重要依據和保障。但由於現場條件所限，工程地質勘測的手段較單一，勘測過程不便捷，其編錄成果的準確性和適用性取決於地質工作者本身的經驗和技術水平，許多行業內外先進的技術經驗並未即時部署到生產實踐一線。主要體現為:

(1)野外勘測記錄多是利用表格、素描、照片，記錄手段單一，編錄繁瑣；

(2)實際編錄過程多是基於二維平面地質圖，編錄成果也多以二維圖件方式展示，不直觀；

(3)編錄記錄和編錄圖件關聯性較弱，不利於數據統一管理；

(4)編錄的數據成果不能立即展示，所獲得的數據很難通過現場實時檢查以糾正潛在錯誤，不利於野外編錄作業的進一步展開；

(5)後方地質建模分析工作與前方現場編錄工作相分離，不利於地質數據的一體化處理。

隨著計算機技術的興起，水電水利工程野外地質勘查也開啟了數位化和信息化的轉型模式。三維實景與傾斜攝影建模技術、三維地質建模技術、計算機圖形學及數字影像技術的發展為構建數位化地質信息與三維地質模型系統創造了條件；同時，計算機資料庫技術、數字影像技術、模型信息快速展示方法和行動裝置的廣泛使用，為野外環境下的工程地質編錄工作和三維地質填圖設計提供了新思路和新方法。

近年來，針對地質三維可視化和三維地質填圖的研究絡繹不絕，也有諸多研究成果和工程應用，但大多是面向礦山、油藏等資源勘探行業，鮮有針對工程地質勘查的研究應用，實用性也不足。同時，水電工程地質其獨有的背景和特殊的需求，又為其工程地質的編錄提出了一定的要求。因此，考慮從地質勘查的總體需求出發，針對水電工程的特點，結合行業內外先進的技術手段，設計開發一套水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖裝置系統尤為必要。胡亞東[1]等研究了涉及一種水電工程地下洞室的地質編錄技術；張國寶[2]等公開了一種勘探平洞編錄的信息化數據採集系統和方法，主要解決勘探平洞編錄數據採集的信息化，實現勘探平洞編錄的數據採集的標準化、無紙化、信息化；張夏林[3]等公開了一種基於野外編錄數據和自動製圖綜合的鑽孔柱狀圖編繪技術，主要完成的是數據的錄入與存儲；這些對於地質信息的保存有一定的意義，但缺少對於數據的快速分析；任治軍[4]等公開了一種基於網絡和安卓系統的地質編錄採集系統及管控方法，包括模塊：工程管理模塊、項目策劃模塊、數據採集模塊、數據分析模塊和後臺維護模塊，對於地質數據的管理有所提升，但同樣存在數據快速分析不足的特點；結合模型進行分析[5]，並對已有信息進行快速推求是野外地質作業的特點。針對這一特點，本次開發的裝置系統不僅可以編錄地質信息，同時可以進行快速分析，輔助地質勘探活動。

參考文獻：

[1]胡亞東，楊靜熙，張世殊，等.一種水電工程地下洞室的地質編錄方法[P].發明專利ZL201610135833.8，2016

[2]張國寶，宮海靈，李進敏，等.一種勘探平洞編錄的信息化數據採集系統和方法[P].發明專利ZL201510531920.0，2015

[3]張夏林，吳衝龍，李章林，等.基於野外編錄數據和自動製圖綜合的鑽孔柱狀圖編繪方法[P].發明專利ZL201510375828.X，2015

[4]任治軍，蔡升華，任亞群，等.基於網絡和安卓系統的地質編錄採集系統及管控方法[P].發明專利ZL201510224786.X，2015

[5]鍾登華，李明超，劉傑，等.水電水利工程地質信息的三維統一模型構建方法[P]，發明專利ZL200610013425.1，2006

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提出一種水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統，解決傳統技術中無法實現數據快速分析的問題。

本發明解決上述技術問題所採用的方案是：

水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統，包括硬體系統和軟體系統，其中硬體系統包括航攝影像採集設備、圖形工作站、電腦終端和可攜式陸攝影像採集設備，軟體系統包括地形場景構建子系統、地質編錄數據子系統、地質繪製數據子系統、三維可視化與分析子系統、工程地質數據管理和交換子系統；

所述地形場景構建子系統通過航攝影像採集設備獲取欲編錄地質區域的影像信息，利用圖形工作站處理合成數字三維地形實景，並導入電腦終端中，作為後續所有地質填圖工作的底圖；

所述地質編錄數據子系統運行於電腦終端之中，將所有編錄類型的地質對象和地質信息按照事先設計的地質編錄記錄數據表記載存儲，並將關鍵幾何信息及地質屬性展示在三維地形實景上；

所述地質繪製數據子系統運行於電腦終端之中，協同可攜式陸攝影像採集設備，提供一系列地質點、線、地表區域等繪製工具，將三維地形實景上的臨時標繪類型的地質點、地質界線和地質區域進行實時繪製並記錄保存；

所述三維可視化與分析子系統運行於電腦終端之中，負責三維地形實景的渲染和所有編錄型和繪製型地質對象的展示、分析和處理；

所述工程地質數據管理和交換子系統運行於電腦終端之中，負責存儲在三維地形實景上記錄的所有地質對象和所有的分析數據，並對外提供幾何模型數據接口，將分析生成的地質模型導入其他地質平臺中進行後續操作。

作為進一步優化，所述地形場景構建子系統獲取欲編錄地質區域的影像信息，具體包括：通過陸測或航攝獲取欲編錄區域的DOM和DEM，將DOM和DEM疊加合成為數字三維地形場景；

或者，通過無人機傾斜攝影獲取欲編錄區域的三維地形點雲模型，將三維地形點雲模型重構網格表面成為數字三維地形場景。

作為進一步優化，所述地質編錄數據子系統所處理的地質對象為記錄地質屬性信息的編錄類型數據集合，採用分層數據模型作為地質數據基礎結構，適用於處理鑽探、硐探、坑探、井探、槽探等地質數據。

作為進一步優化，所述分層數據模型是針對地質對象的不同屬性以深度值作為索引的層次數據索引結構。

作為進一步優化，所述地質繪製數據子系統所處理的地質對象為記錄地質幾何信息的繪製類型數據集合，所繪製的地質對象的幾何信息以三維地形實景為參考底圖，適用於處理地質點、地質界線和地質區域等地質數據。

作為進一步優化，所述三維可視化與分析子系統採用層次細節技術優化三維地形實景的地形渲染效果，並提供地形場景和地質對象的聯合展示和瀏覽功能；其還能夠對場景地形和地質對象的幾何形態進行地質分析，並生成相應的分析模型和分析結果。

作為進一步優化，所述工程地質數據管理和交換子系統是系統內所有地質對象的數據倉庫，其中存有編錄類型地質對象的地質屬性信息和繪製類型地質對象的幾何模型信息，同時還能存儲地質分析結果及其分析模型信息；其通過幾何數據接口與系統外的地質平臺進行數據交換和處理。

本發明的有益效果是：

本發明充分利用工程地質編錄現場的信息資料，將三維地形實景和工程地質數據充分融合，針對工程地質野外編錄需求提供了快速分析、快速建模的功能，為工程地質野外編錄作業提供數位化、智能化、三維可視化的解決方案。

附圖說明

圖1為水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統構架圖；

圖2為基於本發明的野外編錄填圖系統的操作流程圖。

具體實施方式

本發明提供了一種水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統，用以根據野外地質勘測獲得的地質編錄信息在數字三維場景中進行標記、繪製、處理和分析的工程地質野外輔助系統。

下面結合附圖及實施例對本發明的方案作進一步的描述：

參照圖1和圖2，本發明中的水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統包括硬體系統和軟體系統，其中硬體系統包括航攝影像採集設備、圖形工作站、電腦終端和可攜式陸攝影像採集設備，軟體系統包括地形場景構建子系統、地質編錄數據子系統、地質繪製數據子系統、三維可視化與分析子系統、工程地質數據管理和交換子系統。

在具體實施上，通過WinForm和WPF編制的用戶界面，將地形場景構建子系統、地質編錄數據子系統、地質繪製數據子系統和三維可視化與分析子系統四個大的子系統集成在一起，便於用戶操作。

地形場景構建子系統是整個系統的基石；地質編錄數據子系統和地質繪製數據子系統是功能核心，兩者定義了系統中的兩種主要地質數據類型的創建、存儲、分析、管理等核心功能；三維可視化與分析子系統將前三個子系統整合成為一個有機的整體，並在前三者所提供的強大的圖形平臺和完善的地質數據的支持下，提供一系列建模、分析和預測等功能。系統底層由自主開發的數據管理平臺作為數據支持，主要由實景地形資料庫、編錄記錄資料庫、測繪繪製記錄資料庫和模型部件資料庫。其中，針對模型部件資料庫，本系統特別為其開發了幾何模型數據的通用交換接口，該接口可將資料庫內部的幾何模型部件以明碼格式和後續相關地質平臺進行數據交換，實現地質數據從野外現場採集、到地質精細建模乃至地質結構分析的數據通路。

地形場景創建是整個系統三維可視化與分析的基石與平臺，其中承載著系統底層圖形平臺的基本功能和三維實景地形的渲染和分析。地形場景創建又可分為大尺度地形場景和編錄區域局部場景。其中，前者利用無人機、航拍飛機等空天設備通過傾斜攝影技術，使用圖形工作站生成大尺度地形場景，為後續的野外地質編錄工作提供三維場景支持。後者利用三維實景技術，對欲編錄地質區域的地形和貼圖進行精細化處理，使局部區域的三維地圖能最大程度還原真實地形。

地質信息採集是整個系統的功能核心，其承擔著編錄類型地質數據的記錄、提取、擬合等功能和繪製類型地質數據的記錄、定位、升維解譯等功能。編錄類型數據主要採用結構化存儲模式，以分層屬性數據模型來保存和管理。該數據模型的底層架構由多維哈希表實現，以層類和層序作為索引鍵，完整有序地保存編錄類型數據的各個屬性信息，同時還能在常數時間內實現信息的查找與提取。繪製類型數據的存儲主要採用數據記錄和幾何模型雙向關聯綁定的模式，在記錄數據的同時一併保存相應的幾何模型，極大方便後期的地質模型重建和分析工作。

在完成地形場景創建和地質信息採集後，該系統採用GIS技術和模型記錄定位技術將地形場景和地質信息耦合呈現出來，實現野外地形地貌和地質模型的實時展示與快速分析，為野外地質勘測提供實時指引，也為後續的精細化地質建模與分析提供草圖和依據。

本發明的一個實施例如下：

某水電水利工程處於設計施工階段，需要對庫區及其周邊地區的地質情況作詳細測繪，以準確評價工程地質條件，為工程設計施工提供依據。利用本發明所述的水電水利工程地質三維實景野外編錄填圖系統(以下簡稱系統)，對該工程地質區域提供三維實景數字編錄支持，準備如下設備：

(1)航攝影像採集設備：大疆經緯M600 Pro(搭載航拍攝像機)；

(2)移動圖形工作站：戴爾Precision 3510(搭載地形場景構建子系統)；

(3)支持觸控操作的Windows平板電腦：臺電X2 Pro(搭載地質編錄數據子系統、地質繪製數據子系統、三維可視化與分析子系統和工程地質數據管理和交換子系統)

(4)GPS、電子羅盤：Gisble三維電子羅盤；

(5)可攜式陸攝影像採集設備：佳能EOS 70D套機。

藉助本系統，按照如下方式開展工程地質野外編錄作業：

1、通過航攝影像採集設備，獲取庫區及周邊地區的大量航攝影像，並通過設備自動記錄影像的位置信息和外方位元素信息。

2、將航攝影像和對應的航攝信息導入圖形工作站中的地形場景構建子系統，該子系統將自動解算生成庫區及周邊地區的三維地形實景。

3、將解算生成的三維地形實景，從圖形工作站中傳輸至支持觸控操作的Windows平板電腦(以下簡稱平板電腦)，並導入至系統中。

4、連接後臺資料庫，載入對應的工程信息，若資料庫中已有地質數據，可選擇導入系統中。

5、連接GPS、電子羅盤，獲取野外現場當前所處實時位置，標示在系統中。

6、編錄地質數據：在三維地形實景上標定欲編錄地質對象的空間位置，系統自動獲取其大地坐標，並根據地質對象類型呼出對應的地質對象編錄界面；用戶根據野外實際勘探情況填寫信息條目，完成地質信息編錄。

7、繪製地質模型：根據野外實際勘探情況，針對地質對象的地表出露情況，用戶在系統三維地形實景中依靠坐標定位，實時錄入地質點，繪製地質界線、地質區域等。

8、系統根據三維實景地形內的地質信息，為用戶提供野外實時地質信息總覽和地質成果綜合視圖。

9、系統根據三維地形實景中的地質對象，為用戶提供野外現場快速建模功能和實時分析功能，包括：地質影像標記快速解譯建模、地質堆積體快速擬合建模、多點快速擬合地質元素、多點產狀數據快速擬合地質曲面、地質塊體快速評價分析等。