地層和斷層數據網格自動生成的系統和方法
2023-07-19 19:52:01 3
專利名稱：地層和斷層數據網格自動生成的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種地層和斷層數據網格自動生成的系統和方法。
背景技術：
近年來，在計算機圖形學領域，隨著真實感圖形生成技術的發展以及分形幾何、小波分析等理論的引入，人們已可以利用計算機模擬生成許多十分逼真的自然景物(包括地形、植物、雲、火、海浪、草地、噴泉等)。在飛行模擬器、軍事訓練模擬器、船舶操縱模擬器等的虛擬自然環境中，核心技術之一是視景模擬，而三維地形是視景中最基本的虛擬自然環境景物，是視景系統的重要組成部分。由於實際地形起伏千差萬別，使得三維真實感地形模擬的數據量極大，因此在建模和實時顯示兩方面都對計算機的圖形處理能力提出了很高的要求。計算機圖形硬體加速器的發展對三維地形的實時顯示起到了關鍵的作用，但是在實際地形建模中，所需的圖形數據量仍比硬體可以實時顯示的數據量大一個或多個數量級，如為有效地表現真實世界的材質與紋理而提出的雙向反射分布函數(BRDF)和雙向紋理函數(BTF)在512*512精度的地形上就需要幾十G的存儲量，而且應用模型的複雜程度也常常超過當前圖形工作站的實際處理能力。因此，在實際應用中，通常試圖通過算法和軟體技術，在現有計算機性能和硬體水平上，綜合考慮顯示速度與生成圖形效果之間的關係，以生成滿足不同幾何精度和逼真度要求的真實感三維地形圖形。如1996年Lindstrom提出一種基於均勻網格，並與視點相關的連續的細節層次實時地形繪製算法，他們採用四又樹來管理地形場景，並採用屏幕誤差判定條件建立樹節點評價函數。1998年Hoppe將其視點相關變化網格(View Dependent Progressive Meshes，VDPM)應用到地形中，實現了大規模地形的實時繪製和漫遊，他們先將地形分成大塊，對每塊分別用變化網格的思想進行預處理，記錄簡化過程的信息，通過這些信息在不同的視點位置實時生成三角形網格。2004年Losasso等提出一種基於LOD的實時地形繪製算法，該算法採用一種環形數據結構，使得在視點移動、轉動時，能夠高效的更新地形數據，地形數據使用Vertex Buffer Object擴展繪製，該算法還對地形數據進行壓縮，使得原來40G的地形數據也能夠作為實時漫遊場景。
等高線是地形數據中一類比較特殊而又重要的線，它表達了地形上高度相同的點在水平面上的投影軌跡。由等高線重構高度場可以看作是由三維空間中的點進行三維重構的一個特例，而這方面已有很多成果。已有的方法有距離反比法、PDE方法和共軛梯度法。而在許多實際應用中，由於數據量和計算量的關係，一般都會簡化地層模型，只處理等高線而不考慮斷層的區域。如現有的方法中，距離反比法並不能很好的重構等高線，因為這種方法不能有效的分析和處理斷層線的信息，PDE方法和共軛梯度法能夠得到好的結果，但是速度讓人無法接受。因而這些方法建立的三維地形由於沒有斷層的信息，所以不適用於地下勘探和測量等領域。
發明內容
因此，在該技術領域需要一種自動生成地層包含斷層數據網格的系統和方法，該系統和方法能夠將真實地層包含斷層快速地在電腦顯示屏上顯示出來。
為解決上述技術問題，本發明首先借鑑計算機視覺中經典的區域增長方法，並輔以表面張力閾值，以等高線所處位置為初始值，斷層線為邊界，進行一次增長，增長所得的部分即為高度場部分。然後，本發明克服了距離反比法中由於斷層線的存在，點到等高線的垂直距離可能穿越斷層線的問題，採用「測地距離」來代替垂直距離，用這種改進後的距離反比法重構高度場，並繼續使用區域增長方法，讓每條等高線作為一個初始實體進行增長，在每個點存儲下最近的兩條等高線的增長深度，再進行插值。在二次區域增長之後，每個點上已經得到了一個比較準確的高度值，將該值作為最終高度場的值也比較準確。但為了得到更加平滑的表面和更加準確的高度場，本發明將已經生成的高度場值作為初始值，使用共軛梯度法優化，由於給定了比較準確的初值，收斂很快。這樣就得到了地層中斷層的截面情況，最後把地層和斷層在顯示器上繪製出來作為本發明的另一種改進，由於傳統的等高線生成高度場算法沒有考慮斷層的情況，本發明將點到等高線的距離重新定義為不被斷層線隔斷的最小折線距離(即本發明中的「測地距離」)，這樣可以繼續使用原來的算法來處理含斷層數據的高度場，從而保留了原算法效率高、速度快的特性。
本發明公開了一種地層和斷層數據網格自動生成的方法，該方法包括如下步驟斷層區域確定步驟，根據輸入數據建立均勻的網格高度場，結合斷層線命名規範，確定斷層區域；網格點連接步驟，根據斷層線穿過的網格確定網格點的連接關係；網格點高度值確定步驟，採用二次區域增長法確定每個網格點高度值；繪製步驟，對多層的斷層線網格點進行匹配，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中斷層截面的情況。
在上述方法中，可以採用均勻網格的地形模型處理地層和斷層數據。
在上述方法中，可以採用從等高線生成高度場傳統的方法建立高度場。
在上述方法中，可以重新定義點到等高線的測地距離為不被斷層線隔斷的最小折線距離。
在上述方法中，可以預先設定區域增長深度的大小。
在上述方法的繪製步驟中，可以使用網格點表面的法向值作為該點的顏色來顯示。
本發明還公開了一種地層和斷層數據網格自動生成的系統，該系統包括斷層區域確定裝置，該裝置根據輸入數據建立均勻的網格高度場，結合斷層線命名規範，確定斷層區域；網格點連接步裝置，該裝置根據斷層線穿過的網格確定網格點的連接關係；網格點高度值確定裝置，該裝置採用二次區域增長法確定每個網格點高度值；繪製裝置，該裝置對多層的斷層線網格點進行匹配，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中斷層截面的情況。
在上述系統中，斷層區域確定裝置採用了從等高線生成高度場傳統的方法建立高度場。
在上述系統中，斷層區域確定裝置可以預先設定區域增長深度的大小。
在上述系統中，繪製裝置使用網格點表面的法向值作為該點的顏色來顯示。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1為本發明的結構流程圖。
圖2為本發明中採用的均勻網格模型示意圖。
圖3為確定斷層區域的示意圖。
圖4為本發明中重新定義點到等高線的測地距離示意圖。
圖5為斷層線割斷相鄰網格點連接的示意圖。
圖6為二次區域增長法確定網格點高度值的示意圖。
圖7為多層地層的斷層線之間的網格匹配示意圖。
圖8為本發明輸入數據和輸出結果的效果圖。
具體實施例方式
圖1為本發明的結構流程圖。輸入數據為多層的地層數據，用Autocad R12/LT2 dxf文件表示。本發明通過讀取相應的dxf文件，即可取得等高線數據和斷層線數據。斷層線分為兩種無匹配的斷層線和有匹配的斷層線(即在同一地層中，兩條斷層線相互對應，這兩條斷層線之間的區域即為斷層區域)，可參見圖3中的斜線區域(10)。為方便斷層線的處理和匹配，本發明對dxf文件中斷層線的存儲做了如下規範每條斷層線單獨佔用dxf文件中的一個層，該層的命名必須以FAULTAGE開頭。對於無匹配的斷層線，斷層線的命名為FAULTAGE_(一個大寫字母)。如FAULTAGE_A，FAULTAGE_B。對於有匹配的斷層線，兩條斷層線的命名分別為FAULTAGE_(一個大寫字母)1和FAULTAGE_(同一大寫字母)2，並一定成對出現。如FAULTAGE_C1和FAULTAGE_C2。不同地層之間，相同名字的斷層線自動匹配。如上一地層中的FAULTAGE_A和下一地層中的FAULTAGE_A自動匹配，生成斷層截面。根據輸入數據的包圍盒建立均勻的網格高度場(11)，結合我們的斷層線命名規範，確定斷層區域(12)。然後根據斷層線穿過的網格確定網格點的連接關係(13)。採用二次區域增長法確定每個網格點高度值(14)。對多層的斷層線網格點進行匹配(15)，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中斷層截面的情況(16)。
圖2為本發明中採用的均勻網格模型示意圖。在均勻網格模型中，數據通過存儲一塊方形均勻網格上每一網格點的高度值來表示。其他位置的高度值應通過該位置最近的四個網格點高度值用雙線性插值的方法插值得到。
圖3為確定斷層區域的示意圖。數位化之後的斷層線分兩種一種沒有匹配，如斷層線(1)；一種有匹配，如斷層線(2和3)，(4和5)，(6和7)，(8和9)，均有兩條匹配的相對應；其餘的線條均為等高線。匹配斷層線內的區域即為斷層區域，斜線區域(10)即為斷層線(8)和斷層線(9)相匹配後所確定的斷層區域。
圖4為本發明中重新定義點到等高線的測地距離示意圖。本發明在計算高度場時採用了一種比較簡便的從等高線生成高度場算法對於任意一點P，h1和h2分別為離P點最近的兩條等高線，d1和d2分別為P點到兩條等高線的距離，那麼用如下公式確定P點的高度值hP=(h1*1d1+h2*1d2)/(1d1+1d2)]]>但是，對於有斷層線的情形，圖4中線條(43)和線條(44)均為斷層線，斷層線將P點到等高線h1的直線段d1隔開，因此，我們把d1和d2重新定義為P點到兩條等高線的測地距離(即不被斷層線隔斷的最小折線距離)，即可仍用上述公式確定P點的高度值。
圖5為斷層線割斷相鄰網格點連接的示意圖。斷層線(50)經過之處會隔斷相鄰網格點的連接，如網格點(51)和網格點(52)，網格點(53)和網格點(54)，網格點(53)和網格點(55)，網格點(56)和網格點(57)，網格點(58)和網格點(59)，網格點(51』)和網格點(52』)，網格點(52』)和網格點(53』)。兩網格端點被斷層線所隔斷，使得在區域增長法生成高度時，兩網格點不會相互影響。其餘相鄰網格點生成高度時會相互影響。
圖6為二次區域增長法確定網格點高度值的示意圖。區域增長法是計算機視覺中用於顏色識別的一種方法。本發明中我們將現有技術中的區域增長法進行了修改，用於計算網格點到等高線的測地距離，進而確定網格點的高度值。方法步驟以每條等高線為一個實體，以該等高線所在的網格點為起點，對連接著的網格點進行區域增長，並在每個網格點記錄下與其最近的兩條等高線和到兩條等高線的測地距離(即增長深度)，利用測地距離插值得到該網格點的高度值。另外，給定一個增長深度限制值，即每條等高線的最大區域增長深度值，如果增長深度達到該值，即停止增長。
為說明簡單起見，圖6中總共只有一條斷層線和兩條等高線，其中線條(60)為斷層線，線條(61)和線條(62)為兩條不同的等高線。從等高線開始，一個點一個點的進行增長，這樣，在每個網格點處即可記錄下增長的深度，即測地距離。圖6中顯示的每個網格點下方和上方的值即為該點到等高線(61)和到等高線(62)的測地距離。由圖中還可以看出，若預先設定的增長深度限制值為3，則細線條(63)之外的點為無定義區域。
圖7為多層地層的斷層線之間的網格匹配示意圖。多層地層之間，需要在匹配的斷層之間繪製截面。由於在不同層的地層之間，已經通過斷層線的名稱指定好了匹配的斷層線，所以只需在匹配的斷層線之間繪製三角面即可。根據斷層線的長度做合適的三角劃分，然後繪製這些三角面即可。圖7中的斷層線(70)有5個頂點(70』，71』，72』，73』，74』)，斷層線(71)有3個頂點(75』，76』，77』)，我們能夠得到如下的一種三角劃分三角形(70』，71』，75』)，三角形(71』，75』，76』)，三角形(71』，72』，76』)，三角形(72』，76』，77』)，三角形(72』，73』，77』)，三角形(73』，74』，77』)，而這種三角劃分完全滿足繪製的要求。
圖8為本發明輸入數據和輸出結果的效果圖。圖中的上半部分(81)是輸入的等高線和斷層線效果圖，圖中的下半部分(82)是系統繪製輸出的三維效果圖。圖中不但表現出遵從輸入等高線的可視化三維地形，還清楚的顯示出斷層的三維模型，完全符合輸入的斷層線，這是以往重構方法所達不到的。生成高度場之後，對於每個網格點，本領域技術人員能夠知道，該網格點位於斷層區域、高度場區域還是未定義區域以及該網格點的高度值。對於未定義區域，不予顯示；對於斷層區域，統一使用一種顏色顯示，以標明該區域為斷層區域；對於高度場區域，為表現地層的凹凸感，系統使用網格點表面的法向值作為該點的顏色來顯示。如圖8所示，本領域技術人員可以看到，本發明的優點是能夠自動生成地層和斷層數據的網格，並且能夠快速地三維顯示斷層截面的效果。
權利要求
1.一種地層和斷層數據網格自動生成的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟斷層區域確定步驟，根據輸入數據建立均勻的網格高度場(11)，結合斷層線命名規範，確定斷層區域(12)；網格點連接步驟，根據斷層線穿過的網格確定網格點的連接關係(13)；網格點高度值確定步驟，採用二次區域增長法確定每個網格點高度值(14)；繪製步驟，對多層的斷層線網格點進行匹配(15)，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中斷層截面的情況(16)。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於採用了均勻網格的地形模型處理地層和斷層數據(21和22)。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於採用了從等高線生成高度場傳統的方法建立高度場。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於重新定義點到等高線的測地距離為不被斷層線隔斷的最小折線距離(41和42)。
5.根據權利要求3的方法，其特徵在於可以預先設定區域增長深度的大小。
6.根據權利要求1的方法，其特徵在於在繪製步驟中使用網格點表面的法向值作為該點的顏色來顯示。
7.一種地層和斷層數據網格自動生成的系統，其特徵在於該系統包括斷層區域確定裝置，該裝置根據輸入數據建立均勻的網格高度場(11)，結合斷層線命名規範，確定斷層區域(12)；網格點連接步裝置，該裝置根據斷層線穿過的網格確定網格點的連接關係(13)；網格點高度值確定裝置，該裝置採用二次區域增長法確定每個網格點高度值(14)；繪製裝置，該裝置對多層的斷層線網格點進行匹配(15)，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中斷層截面的情況(16)。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於斷層區域確定裝置採用了從等高線生成高度場傳統的方法建立高度場。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於斷層區域確定裝置可以預先設定區域增長深度的大小。
10.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於繪製裝置使用網格點表面的法向值作為該點的顏色來顯示。
全文摘要
本發明涉及一種地質地層包含斷層數據網格自動生成的系統和方法。該方法包括下述步驟讀取等高線和斷層線數據，根據輸入數據的包圍盒建立均勻的網格高度場(11)，結合斷層線命名規範，確定斷層區域(12)；然後根據斷層線穿過的區域來確定網格點的連接關係(13)；採用二次區域增長法確定高度場每個網格點的高度值(14)；對多層的斷層線網格點進行匹配(15)，最後在顯示器上繪製出地層斷層以及多層地層中的斷層截面情況(16)。基於上述方法，可以自動生成地層和斷層數據的網格，並且能夠快速地三維顯示斷層截面的效果。
文檔編號G06T17/05GK1916970SQ20061015212
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年9月14日
發明者胡事民, 張松海, 徐昆, 韓東 申請人:清華大學