一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法

摘要

本发明属于三维地质建模技术领域，尤其涉及一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，包括如下步骤：S1、计算地质界面出露部位的天然地表或开挖面的外法线向量S2、在水平面内指定期望的地质模型构建方向S3、计算地质界面的期望延伸方向向量S4、构建指定延伸长度L的地质界面模型。本发明的地质界面模型构建方法能根据地质界面产状与临空面方向，运用向量计算确定出地质界面的延伸向量；能根据地质界面在临空面上的出露迹线和延伸向量方便的构建出满足三维建模、工程分析等特定要求的地质界面模型。

权利要求

1.一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤S1、计算地质界面出露部位的天然地表或开挖面的外法线向量其中，α0是地质界面迹线出露部位的倾向，β0是地质界面迹线出露部位的倾角；

S2、在水平面内指定期望的地质模型构建方向

其中，α1为 的方位角，代表自正北方向顺时针旋转至 方向的角度；

S3、计算地质界面(B)的期望延伸方向向量

当地质界面(B)的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，平行于 的铅垂面与地质界面(B)的交线就是期望的延伸方向向量或反方向向量，此时通过地质界面(B)的法向量和所述铅垂面的法向量的差乘计算期望延伸方向向量当地质界面(B)的倾角β2＝0时，期望延伸方向向量 与 一致，即当地质界面(B)的倾角β2＝90°时，期望延伸方向向量 与地质界面(B)的走向方向平行且指向地质体内，地质界面(B)的期望延伸方向向量 的计算过程如下根据地质界面(B)的倾向α2计算平行于地质界面(B)走向方向的向量确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则 指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为即当 时， 当 时，

S4、构建指定延伸长度L的地质界面模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，其特征在于：步骤S2中，期望的地质模型构建方向 可取天然地表线或开挖线的外法线的反方向向量，也可根据三维建模或工程分析需要而定。

3.根据权利要求1所述的一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，其特征在于：步骤S3中，当地质界面(B)的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，地质界面(B)的期望延伸方向向量 的计算过程如下确定地质界面(B)的法向量

其中，α2为地质界面(B)的倾向，β2为地质界面(B)的倾角；

取 在水平面内顺时针旋转90°后的向量 作为平行 的铅垂面的法向量其中，α3为 的方位角，α3＝α1+90°；

通过向量差乘计算出平行于期望建模方向 的铅垂面与地质界面(B)的交线的方向向量其中，n41＝sinα1cosβ2，n42＝cosα1cosβ2，n43＝-sinα1sinα2sinβ2-cosα1cosα2sinβ2；

确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则 指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为即当 时， 当 时，

4.根据权利要求1所述的一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，其特征在于：步骤S4中，对于延伸长度L的界面，根据地表或开挖面上出露的迹线和确定的延伸向量运用迹线+延伸向量方法构建地质界面模型。

说明书

一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法

技术领域

[0001] 本发明属于三维地质建模技术领域，尤其涉及一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法。

背景技术

[0002] 地质界面构建是三维地质建模的重要工作内容之一，一般三维建模软件都提供了多种构建地质界面的方法，如地质领域常用的三维建模平台——GOCAD软件就提供了：(1)点+产状；(2)点集+边界线；(3)平行线；(4)封闭曲线；(5)曲线+延伸向量等多种构建方法，其他三维建模软件也大都提供了类似方法可用于构建地质界面。

[0003] 地质工作中，经常会获得各类地质界面的地表或开挖面上的出露迹线，以及相应部位的产状信息，根据出露迹线以及产状信息，运用方法(5)曲线+延伸向量即可构建出所需要的地质界面模型。

[0004] 在运用方法(5)曲线+延伸向量构建地质界面模型时，地表或开挖面上的出露迹线可通过地质编录获取，而延伸向量则无法直接给出；若直接采用结构面产状，如倾向方向等，构建的地质界面模型往往可能不在工程分析所需要的范围内，还有可能构建出不合理的地质界面，尤其是当倾向与地表或开挖面中或小角度相交时，问题尤其突出。

[0005] 采用现有的基于曲线与延伸向量的地质界面构建方法，地表或开挖面上的出露迹线可以通过地质编录获得。但目前尚无科学、便捷地确定延伸向量的方法。在三维建模软件中，无法直接指定出延伸向量，包括方向与长度。若直接采用地质界面的产状，如倾向方向，只有在地质界面的倾向与地表或开挖面接近正交或大角度相交时，才可能得到较为合理的地质界面模型，例如接近矩形的地质界面模型；否则可能构建出异形模型，如锐角很小的四边形，不利于地质分析或模型应用，如基于三维模型的二维剖面剖切。另外，直接采用地质界面的产状来构建模型，只能获得特定方向的地质界面模型，如倾向，而针对不同目的的工程分析模型，其范围往往有所区别，重点关注的区域也有所不同，因此，直接采用产状构建地质界面模型，就难以满足不同分析目的的工程研究需要。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种能准确确定延伸向量的基于迹线延伸的地质界面模型构建方法。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，包括如下步骤

[0008] S1、计算地质界面出露部位的天然地表或开挖面的外法线向量

[0009]

[0010] 其中，α0是地质界面迹线出露部位的倾向，β0是地质界面迹线出露部位的倾角；

[0011] S2、在水平面内指定期望的地质模型构建方向

[0012]

[0013] 其中，α1为 的方位角，代表自正北方向顺时针旋转至 方向的角度；

[0014] S3、计算地质界面的期望延伸方向向量

[0015] 当地质界面的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，平行于 的铅垂面与地质界面的交线就是期望的延伸方向向量或反方向向量，此时通过地质界面和所述铅垂面的法向量的差乘计算期望延伸方向向量

[0016] 当地质界面的倾角β2＝0时，期望延伸方向向量 与 一致，即

[0017]

[0018] 当地质界面的倾角β2＝90°时，期望延伸方向向量 与地质界面走向方向平行且指向地质体内；

[0019] S4、构建指定延伸长度L的地质界面模型。

[0020] 进一步的是，上述步骤S2中，期望的地质模型构建方向 可取天然地表线或开挖线的外法线的反方向向量，也可根据三维建模或工程分析需要而定。

[0021] 进一步的是，上述步骤S3中，当地质界面的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，地质界面的期望延伸方向向量 的计算过程如下

[0022] 确定地质界面的法向量

[0023]

[0024] 其中，α2为地质界面的倾向，β2为地质界面的倾角；

[0025] 取 在水平面内顺时针旋转90°后的向量 作为平行 的铅垂面的法向量

[0026]

[0027] 其中，α3为 的方位角，α3＝α1+90°；

[0028] 通过向量差乘计算出平行于期望建模方向 的铅垂面与地质界面的交线的方向向量

[0029]

[0030] 其中，n41＝sinα1cosβ2，n42＝cosα1cosβ2，n43＝-sinα1sinα2sinβ2-cosα1cosα2sinβ2；

[0031] 确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为

[0032]

[0033] 即当 时， 当 时，

[0034] 进一步的是，上述步骤S3中，当地质界面的倾角β2＝90°时，地质界面的期望延伸方向向量 的计算过程如下

[0035] 根据地质界面的倾向α2计算平行于地质界面走向方向的向量

[0036] 确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为

[0037]

[0038] 即当 时， 当 时，

[0039] 进一步的是，上述步骤S4中，对于延伸长度L的界面，根据地表或开挖面上出露的迹线和确定的延伸向量

[0040]

[0041] 运用迹线+延伸向量方法构建地质界面模型。

[0042] 本发明的有益效果是：

[0043] (1)解决三维建模时空间延伸向量难以确定的问题——将三维空间的延伸向量转化为二维平面内的方向指定问题，顺利解决空间向量难以合理指定的问题；

[0044] (2)解决指定方向的地质界面模型构建问题——不同目的的地质分析模型，所需的建模范围可能有所差异，本专利实现了构建制定方向的地质界面模型，方便地质分析；

[0045] (3)能根据地质界面产状与临空面方向，运用向量计算确定出地质界面的延伸向量；能根据地质界面在临空面上的出露迹线和延伸向量能方便的构建出满足三维建模、工程分析等特定要求的地质界面模型。

附图说明

[0046] 图1是在水平面内的地质模型构建方向图；

[0047] 图2是地质界面的法向量图；

[0048] 图3是铅垂面的法向量图；

[0049] 图中零部件、部位及编号：

[0050] B——地质界面；

[0051] ab——地质界面与水平面的交线，即走向线；

[0052] od——地质界面的倾向线，位于地质界面内且垂直于走向线ab；

[0053] oc——倾向线od在水平面内的投影；

[0054] α2——地质界面的倾向，即水平面内自正北方向顺时针旋转至oc的角度；

[0055] β2——地质界面的倾角，即倾向线od与其在水平面内投影oc的夹角；

[0056] ——地质界面指向临空方向的法向量。

具体实施方式

[0057] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

[0058] 本发明在分析地表或开挖面的临空方向、地质界面产状之间相对关系的基础上，通过向量运算确定满足三维建模及工程分析等特定要求的地质界面延伸向量，从而实现基于迹线+延伸向量法构建出合理地质界面模型的目的。

[0059] 如图1至图3所示，本发明的一种基于迹线延伸的地质界面模型构建方法，包括如下步骤

[0060] S1、计算地质界面B出露部位的天然地表或开挖面的外法线向量 地质界面B迹线出露部位的天然地表或开挖面外法线向量 可根据其倾向α0、倾角β0确定：

[0061]

[0062] 其中，α0是地质界面B迹线出露部位的倾向，β0是地质界面B迹线出露部位的倾角；

[0063] S2、在水平面内指定期望的地质模型构建方向 根据三维建模或工程分析需求，确定在水平面内的地质模型构建方向 用方位角α1表示，具体如图1所示，一般可取天然地表线或开挖线的外法线的反方向向量，也可根据三维建模或工程分析需要而任意选定：

[0064]

[0065] 其中，α1为 的方位角，代表自正北方向顺时针旋转至 方向的角度；

[0066] S3、计算地质界面B的期望延伸方向向量 分三种情况进行计算：

[0067] (1)当地质界面B的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，平行于 的铅垂面与地质界面B的交线就是期望的延伸方向向量(指向地质体内)或反方向向量(指向地质体外)，此时通过地质界面B和该铅垂面的法向量的差乘来计算出期望延伸方向向量

[0068] (2)当地质界面B的倾角β2＝0时，期望延伸方向向量 与 一致，即

[0069]

[0070] (3)当地质界面B的倾角β2＝90°时，期望延伸方向向量 与地质界面B的走向方向平行且指向地质体内；

[0071] S4、构建指定延伸长度L的地质界面模型。

[0072] 具体，上述具体实施方式的步骤S3中，对于第(1)种情况，即当地质界面B的倾角β2满足不等式0°<β2<90°时，地质界面B的期望延伸方向向量 的计算过程如下：

[0073] 确定地质界面B的法向量

[0074]

[0075] 如图2所示，其中， 为地质界面B指向临空方向的法向；α2为地质界面B的倾向，即水平面内自正北方向顺时针旋转至oc的角度；β2为地质界面B的倾角，即倾向线od与其在水平面内投影oc的夹角；ab为地质界面B与水平面的交线，即走向线；od为地质界面B的倾向线，位于地质界面B内且垂直于走向线ab；oc为倾向线od在水平面内的投影；

[0076] 如图3所示，取 在水平面内顺时针旋转90°后的向量 作为铅垂面的法向量：

[0077]

[0078] 其中，α3为 的方位角，α3＝α1+90°；

[0079] 通过向量差乘计算出平行于期望建模方向 的铅垂面与地质界面B的交线的方向向量

[0080]

[0081] 其中，n41＝sinα1 cosβ2，n42＝cosα1 cosβ2，n43＝-sinα1 sinα2 sinβ2-cosα1 cosα2 sinβ2；

[0082] 然后确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则 指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为：

[0083]

[0084] 即当 时， 当 时，

[0085] 具体的，在上述具体实施方式的步骤S3中，对于第(3)种情况，即当地质界面B的倾角β2＝90°时，地质界面B的期望延伸方向向量 的计算过程如下

[0086] 根据地质界面B的倾向α2计算平行于地质界面B走向方向的向量

[0087]

[0088] 然后确定期望的延伸方向 判断 是否指向地质体内，若 与 的夹角大于90°，则 指向地质体内，否则指向地质体外，需要进行反转， 与 的夹角可表示为

[0089]

[0090] 即当 时， 当 时，

[0091] 具体的，在上述具体实施方式的步骤S4中，对于延伸长度L的界面，根据地表或开挖面上出露的迹线和确定的延伸向量

[0092]

[0093] 然后运用迹线+延伸向量方法构建地质界面模型。

[0094] 上述具体实施方式考虑地层界面产状与地表或开挖面方位特征来确定延伸向量，可以根据地质界面产状与临空面方向或指定分析方向，运用向量计算确定出地质界面的延伸向量；然后根据地质界面在临空面上的出露迹线和延伸向量就能方便地构建出满足三维建模、工程分析等特定要求的地质界面模型。