一種三角網格構建方法及其在巖土工程建模的應用的製作方法

2023-05-27 07:12:56 2

專利名稱：一種三角網格構建方法及其在巖土工程建模的應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於計算機二維、三維模型建模領域，特別是涉及巖土工程三維地 層模型構建，及其在三維地層層面模型構造的應用。
背景技術：
目前已經存在一些根據離散點構建三角網格的方法，但是這些方法算法復 雜，而且網格構建完成後需要再尋找網格邊界，不能實現網格的構造和優化的 同步進行。

發明內容
本發明的目的在於提供一種快速、簡單、具有同步優化功能的根據離散點 構建三角網格方法，以彌補現有算法在速度、簡便性以及優化功能方面的不足。 本發明的另一 目的在於提供該三角網格構建方法在巖土工程建模中的應用。
為了實現第一個發明目的，採用的技術方案如下 一種三角網格構建方法，通過如下步驟實現
(1) 根據所有離散構造點計算形心點Pe，計算所有構造點到形心點的距 離，並根據距離對構造點進行排序；
(2) 使用離形心點Pc最近的三個構造點構造中心三角形tp把中心三角 形h設為初始網格M，並根據三角形邊界的逆時針方向構造初始邊界環R;
(3) 按照距離由小到大插入構造點P，建立構造點P到中心點Pc的線段L， 遍歷邊界環R，尋找線段L和邊界有交點的邊界線Lb;(4) 使用構造點P和邊界線U構造新的三角形Tn，並使用Delaunay三角 優化規則來優化三角形Tn和Tn的鄰接三角形Tnl;
(5) 通過判斷三角形Tn的新邊和鄰接邊的夾角e是否小於一個預設值來 構造新的邊界三角形tn，並使用Delaimay三角優化規則來優化三角形tn和tn的 鄰接三角形；
(6) 重複步驟(3) (5)，直到插入所有構造點。 上述技術方案中，所述步驟(4)構造新的三角形Tn具體過程為將構造點
P和邊界線Lb的起始點和結束點按逆時針形成三角形Tn。 步驟(4)的Delaunay三角優化規則具體如下
輸入兩個共邊的三角形Tn和Tm，它們的共邊為e，判斷T^裡不在e上的 頂點v是否在T。的外接圓裡面，如果在裡面，則刪除e， Tn和Tm，並把Tn和 Tm不在e上的點連成新邊en，將e的原起始點和結束點與en形成新的三角形 1 和tnl，如果頂點v在Tn的外接圓外面則不做任何操作。
步驟(4)還包括擴充邊界環R的步驟，具體操作過程為將三角形Tn除邊 界線Lb外的另外兩條邊作為邊界邊，並添加到邊界環中，形成新的邊界環。
所述步驟(1)具體包括建立構造點集合V，計算V的幾何中心ve，再計 算集合V裡每個點到Ve的距離，形成點到中心距離集(V， D)，並根據從小到大 排序後得出點距離集合(V， D,)。
本發明所述三角網格構建完畢後，還包括三角網格優化步驟，具體操作如 下步驟
(71) 設定一個邊長值h;
(72) 遍歷三角網格的每一個三角形T，如果T的外接圓半徑大於h，則
刪除與該圓有交點的所有三角形，並插入外接圓心點Pd到構造點集合V中；(73)使用被刪除的三角形的頂點和插入的圓心點Pd構建新的局部三角 形網格；
(4)重複步驟(72)， (73)，直到三角網格中不存在外接圓半徑大於h的 三角網格。
為了實現第二個發明目的，採用的技術方案如下
一種三角網格構建在巖土工程建模的應用，根據工程單位提供的鑽孔數 據，建立鑽孔信息資料庫；提取工程所在區域的鑽孔坐標數據，獲取地層鑽孔 的層對應點，確定節點的x、 y、 z坐標，形成初始點集合，運用三角網格構建 方法構建地層層面的模型。
上述應用過程還包括採用三角網格優化步驟對地層層面模型進行優化的 過程。
本發明的優點是能簡單，快速的構造符合Delaunay三角網格規則的三角網 格，並能同步進行網格優化，適用於根據二維或三維空間離散點集來構造符合 Delamiay三角規則的三角網格，能很好的應用到不規整三維模型的構造，如三 維地層層面模型的構造。


圖1為本發明的前處理示例圖； 圖2為本發明的尋找邊過程示例圖； 圖3為本發明的建三角形過程示例圖； 圖4為本發明的擴充環過程示例圖； 圖5為本發明的邊建三角形過程示例圖； 圖6為本發明的局部優化過程示例圖； 圖7為本發明的網格優化過程示例圖；圖8為本發明的具體處理示例圖； 圖9為本發明的處理流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的說明。
本發明的三角網格構建方法主要通過計算機軟體實現，通過如下步驟實
現
輸入在一平面上不全共線的點集V，以及邊長預設值/ ;
輸出符合Delaunay三角網格條件的線集合￡和三角形集合r;
前處理如附圖1所示，計算點集V的幾何中心Vc，如圖l-(l)所示，再計 算點集裡每個點到Vc的距離，形成點到中心距離集(K D)，把點距離集進行排
序後得出己排序點距離集合(K A)，把點距離集中前三個點(Vh V2， V3)構造初時 三角形tp如圖l-(2)所示。如果中心點Ve不在t!內，設置^的形心為中心點 Vc。把的三條邊按逆時針形成邊界閉環W， (/ 由邊界邊按逆時針組成)，如圖
l-(3)所示。
實現本發明所需要使用的子過程如下
尋找邊輸入一個點V，把該點與中心點Ve形成直線U，遍歷邊界環，找
出與W相交的邊界線e，如圖2所示。在計算機軟體中通過函數表示 SearchEdge(v, / )->e。
建三角形輸入一個點v與一條邊界邊e，把v與e的起始點和結束點按 逆時針形成三角形t，如圖3所示。通過函數表示BuildTriangle(v， e)->t。
擴充環輸入一條邊界邊，把邊界邊添加到邊界環中，形成新的邊界環。 如圖4所示，分別把^和e2添加到環R中。函數表示ExtendRing(e,
邊建三角輸入兩個連續的邊界邊ei、 e2，當它們的夾角^滿足要求時(一般夾角^要求小於2W3)，把e卜e2不相連的兩個頂點連接成新的邊en，形成新 的三角形tn，如圖5所示。函數表示EdgeBuildTriangle(eh e2)->t。
局部優化輸入兩個共邊三角形h， t2，他們的共邊為e，判斷t2裡不在e 上的頂點v是否在h的外接圓裡面，如果在裡面，則刪除e， ti， t2，把^和t2 不在e上的點連成新邊en，形成新的三角形tm， t2n。如果在外面則不做任何操 作，如圖6所示。函數表示LocalOptimize(tht2)。
網格優化:輸入一個外接圓半徑r大於預設值h的三角形t，刪除該三角形、 以及與該外接圓有交點的所有三角形，添加該外接圓心v到點集合中，按步驟 繼續構建網格。如圖7所示，函數表示MeshOptimize(t)。
本發明的處理過程如附圖9所示
(1) 、前處理步驟；
(2) 、在已排序點距離集合(K化)中按順序獲取點p，調用子過程 SearchEdge(p， 7 )->lr。如圖8-(1)~(3)所示；
(3) 、找到相交邊界邊L後，調用子過程BuildTriangle(pA)》、，建立新的 三角形1 。如圖8-(4)所示；
(4) 、把^和tn的鄰接的三角形W進行局部優化，調用LocalOptimize(tn,
U)。如圖8-(5)所示，如果點V皿在tn的外接圓之內，就形成新的兩個三角形，
否則繼續算法；
(5) 、把新建的三角形tn的邊界邊h、 12加入到邊界環中，調用子過程
ExtendRing(h，ExtendRing(l2,如圖8-(6)所示；
(6) 、判斷新建的三角形tn的邊界邊li、 12分別和它們的鄰接邊界邊lm、 l2n的夾角是否小於一個預定的夾角e，如果是則新建三角形，調用子過程
EdgeBuildTriangle(lblm)-〉td， EdgeBuildTriangle(l2， l加)-〉tn2。(夾角^按照實驗所得一般為2;r/3得出的網格比較理想)。如圖8-(7)所示，本實施例的夾角&夾角& 都大於2W3，所以不需要進行新三角形建立；
(7)、如果上一步得出的新三角形tm、 ^分別和他們的鄰接三角形進行局 部優化，LocalOptimize(tnl， tnl—J, LocalOptimize(tnl， tn)， LocalOptimize(tn2， tn2—n)， LocalOptimize(t", tn)，如圖8-(8)所示；
(8 )、對步驟(3)， (6)中新建的各個三角形t進行網格優化，MeshOptimize(t);
(9)重複步驟2 8，直到已排序點距離集合(V，化)裡面的點為空。 最後做邊界凸包檢查，遍歷邊界閉環W裡面的邊，如果邊之間的夾角小於 7，則新建三角形，並進行局部優化。。
本發明應用在東改工程地下環境信息系統(UEEIS)和高速公路空間地理信 息可視化管理系統(HSIVS)的研製中。應用過程如下
1、 根據工程單位提供的鑽孔數據，建立鑽孔信息資料庫；
2、 提取工程所在區域的鑽孔坐標數據，並對各鑽孔的對應的地層層面信息 進行預處理；
3、 在上述鑽孔信息預處理的基礎上，運用基於中心三角形擴展的三角網格 構建及優化方法構建地層層面
3a、首先獲取地層鑽孔的層對應點，確定節點的x、 y、 z坐標，形成初始 點集合；
3b、運用基於中心三角形擴展的三角網格構建及優化方法對點結合進行三 角網格的構建；
3c、對地層層面進行光滑插值後構建三維地層；
權利要求
1. 一種三角網格構建方法，其特徵在於通過如下步驟實現(1)根據所有離散構造點計算形心點Pc，計算所有構造點到形心點的距離，並根據距離對構造點進行排序；(2)使用離形心點Pc最近的三個構造點構造中心三角形t1，把中心三角形t1設為初始網格M，並根據三角形邊界的逆時針方向構造初始邊界環R；(3)按照距離由小到大插入構造點P，建立構造點P到中心點Pc的線段L，遍歷邊界環R，尋找線段L和邊界有交點的邊界線Lb；(4)使用構造點P和邊界線Lb構造新的三角形Tn，並使用Delaunay三角優化規則來優化三角形Tn和Tn的鄰接三角形Tn1；(5)通過判斷三角形Tn的新邊和鄰接邊的夾角θ是否小於一個預設值來構造新的邊界三角形tn，並使用Delaunay三角優化規則來優化三角形tn和tn的鄰接三角形；(6)重複步驟(3)～(5)，直到插入所有構造點。
2、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特徵在於步驟(4)構造 新的三角形Tn具體過程為將構造點P和邊界線U的起始點和結束點按逆時針 形成三角形Tn。
3、 根據權利要求1所述的三角網格構建方法，其特徵在於步驟(4)的 Delaunay三角優化規則具體如下輸入兩個共邊的三角形Tn和T^，它們的共邊為e，判斷T^裡不在e上的 頂點v是否在Tn的外接圓裡面，如果在裡面，則刪除e， Tn和Tm，並把Tn和 Tm不在e上的點連成新邊 ，將e的原起始點和結束點與en形成新的三角形 tn和tnl，如果頂點v在Tn的外接圓外面則不做任何操作。
4、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特徵在於步驟(4)還包 括擴充邊界環R的步驟，具體操作過程為將三角形Tn除邊界線U外的另外兩 條邊作為邊界邊，並添加到邊界環中，形成新的邊界環。
5、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特徵在於所述步驟(1)具體包括建立構造點集合V，計算V的幾何中心Ve，再計算集合V裡每個點到 Vc的距離，形成點到中心距離集(V， D)，並根據從小到大排序後得出點距離集合(v， A)。
6、 根據權利要求1或5所述的三角網格構建方法，其特徵在於所述步驟 (2)構造中心三角形時，如果中心點Vc不在^內，則設置h的形心為中心點Vc。
7、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特徵在於所述步驟(5) 的夾角^預設值為2;r/3，所述構造新的邊界三角形T皿為當Tn的兩個連續的邊 界邊A、 e2的夾角^小於預設值時，把^、 e2不相連的兩個頂點連接成新的邊 en，形成新的三角形tn。
8、 根據權利要求1所述的三角網格構建方法，其特徵在於所述三角網格 構建完畢後，還包括三角網格優化步驟，具體操作如下步驟(71) 設定一個邊長值h;(72) 遍歷三角網格的每一個三角形T，如果T的外接圓半徑大於h，則刪除與該圓有交點的所有三角形，並插入外接圓心點Pel到構造點集合V中；(73) 使用被刪除的三角形的頂點和插入的圓心點Pd構建新的局部三角形網格；(74) 重複步驟(72)， (73)，直到三角網格中不存在外接圓半徑大於h 的三角網格。
9、 一種三角網格構建在巖土工程建模的應用，其特徵在於根據工程單位 提供的鑽孔數據，建立鑽孔信息資料庫；提取工程所在區域的鑽孔坐標數據， 獲取地層鑽孔的層對應點，確定節點的x、 y、 z坐標，形成初始點集合，運用 三角網格構建方法構建地層層面的模型。
10、 根據權利要求9所述三角網格構建在巖土工程建模的應用，其特徵在 於還包括採用三角網格優化步驟對地層層面模型進行優化的過程。
全文摘要
本發明提供一種三角網格構建方法及其在巖土工程建模的應用，本發明的優點是能簡單，快速的構造符合Delaunay三角網格規則的三角網格，並能同步進行網格優化，適用於根據二維或三維空間離散點集來構造符合Delaunay三角規則的三角網格，能很好的應用到不規整三維模型的構造，如三維地層層面模型的構造。
文檔編號G06T17/05GK101303770SQ20081002835
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者周翠英, 趙宏堅 申請人:中山大學