一种基于T样条的三维地质建模方法
阅读：804发布：2020-10-10
专利汇可以提供一种基于T样条的三维地质建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于T样条的三维地质建模方法，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行 三维建模 ，实现对地质构造复杂性的定量刻画，包括以下步骤：多源地质数据集成；基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。本发明方法能够建立包括沉积、褶皱、侵入、不整合面和 断层 等地质构造的真实形态三维模型，并且为岩性预测、渗流和灌浆模拟以及 稳定性 分析等 计算机辅助设计 和数值模拟分析提供精确可靠的初始模型。，下面是一种基于T样条的三维地质建模方法专利的具体信息内容。
1.一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行三维建模，实现对地质构造复杂性的定量刻画，包括以下步骤：
多源地质数据集成；
基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；
所述基于T样条的参数曲面建模方法采用几何-拓扑的建模逻辑：在几何阶段，基于地质数据边界约束将T样条曲面拟合至地质数据，建立开放的T样条曲面表征地质曲面；在拓扑阶段，根据地质曲面拓扑关系进行T样条布尔运算，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；
所述基于T样条的细分曲面建模方法采用拓扑-几何的建模逻辑：在拓扑阶段，根据地质数据的复杂特征构建T样条的拓扑结构得到封闭的空间T网格表征地质体；在几何阶段，根据地质数据边界约束通过计算T样条控制点实现地质对象表面拟合，建立T网格对应的T样条曲面，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；
建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。
2.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，所述针对地质对象进行构造复杂性分析的过程包括以下两个步骤：
步骤1.基于地质数据对地质对象的分形几何复杂性、任意亏格拓扑复杂性和不连续复杂性三方面进行构造复杂性分析；
步骤2.将构造复杂度较小的地质对象分为一类采用基于T样条的参数曲面方法建模，包括：地形、层状沉积构造、褶皱构造、风化和卸荷界面地质构造；将构造复杂度较大的地质对象分为另一类采用基于T样条的细分曲面方法建模，包括：第四纪覆盖层、不整合接触构造、侵入构造、尖灭构造和断层构造。
3.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，所述基于T样条的参数曲面建模方法具体包括以下步骤：
(1)在几何阶段建立放开的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
步骤1.根据地表露头线、钻孔数据点以及剖面线地质数据对地质对象进行边界曲面划分，确定边界曲面数量以及每个边界的初始T样条曲面；
步骤2.将初始T样条的地质数据邻域部分进行局部加细；
步骤3.将局部加细后的初始T样条曲面拟合至对应的地质数据，生成地质对象的一组边界T样条曲面；
(2)在拓扑阶段构建T样条曲面之间的拓扑关系得到一张闭合的T样条曲面，包括以下三步：
步骤1.分析地质对象边界曲面的相交关系，计算T样条曲面之间的交线，并计算每个T样条曲面的裁剪线；
步骤2.调整T样条曲面对应的T网格在裁剪线邻域的拓扑结构，删除T样条的被裁剪区域并在保留区域建立逼近裁剪线的曲面边界线，得到一组边界互相匹配的非裁剪T样条地质曲面；
步骤3.将边界互相匹配的地质边界曲面拼接为一张封闭的T样条曲面，并根据实际情况调整拼接线位置的几何连续性，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
4.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，所述基于T样条的细分曲面建模方法具体包括以下步骤：
(1)在拓扑阶段构建闭合T网格的空间拓扑结构，包括以下三步：
步骤1.将地表露头线、钻孔数据点以及剖面线地质数据从三维物理空间映射至二维参数空间；
步骤2.在二维参数空间中，基于映射得到的地质边界约束，利用量化的构造复杂度指标控制T网格原象在地质数据邻域上的拓扑结构；
步骤3.将重拓扑后的T网格原象重新映射至三维物理空间，生成地质对象所对应的一个封闭的空间T网格；
(2)在几何阶段建立T网格对应的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
步骤1.在T网格的三维空间拓扑基础上定义节点向量并生成T样条混合函数；
步骤2.通过计算T样条控制点的三维物理空间位置实现T样条曲面对地质间边界约束的拟合；
步骤3.基于封闭的空间T网格、节点向量、混合函数和控制点坐标生成相应的T样条曲面，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
5.根据权利要求4所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，根据地质构造复杂度指标控制T网格原象的拓扑结构过程，包括以下步骤：
步骤1.分析参数空间地质数据表现出的地质对象的分形几何特征、任意亏格拓扑和不连续性，并且分别用分形维数、亏格数和连续性阶数进行量化；
步骤2.在参数空间中T网格原象的地质数据邻域通过插入和移除十字节点、T节点、奇异点和多重节点，分别根据分形维数量化控制T样条的局部加细参数，根据亏格数量化控制T样条的任意拓扑参数，根据连续性阶数量化控制T样条的可变连续性参数。
6.根据权利要求1所述一种基于T样条的三维地质建模方法，其特征在于，对地质对象的三维模型进行所述集成与检验的过程包括以下步骤：
步骤1.将基于T样条的参数曲面建模方法和基于T样条的细分曲面建模方法得到的两类地质对象合并至同一空间坐标系中；
步骤2.分析互相接触的地质对象之间的空间位置关系和拓扑关系，利用T样条实体布尔运算将所有地质对象集成为区域整体地质模型，此过程中考虑构造复杂性的相对大小调整布尔逻辑顺序；
步骤3.从构造地质学角度整体检验地质构造模型的可靠性与合理性；
步骤4.得到最终的工程区域三维地质模型。
一种基于T样条的三维地质建模方法
技术领域
背景技术
[0002] 现在三维地质建模技术被广泛应用于岩土工程领域，并且在基础工程、边坡工程和隧道工程等领域的三维可视化分析和决策中起到重要作用。三维地质模型在GIS、BIM以及CAD/CAE等方面的实际应用对其精确性和可靠性不断提出更高的要求，然而现有地质建模方法仍然面临着地质构造复杂性的挑战。
[0003] 地质构造复杂性是地质复杂性中被工程地质人员所关注的一个重要分支。一方面，地质对象的自然形态在几何和拓扑层面上都表现出内在的构造复杂性。另一方面，岩土工程正在向着地质构造条件越来越复杂的区域发展。因此，在三维地质模型中对于地质构造复杂性的表现对于岩土工程的规划、设计、质量和安全等方面越来越重要。然而，现有方法在复杂性量化、空间数据结构和建模技术方面仍然存在局限性。一些学者近年研究了对于地质参数和几何要素的复杂度进行量化测量的方法以用于地质评价，但能够当作地质建模输入参数的构造复杂度量化指标仍有待研究。三维地质建模中采用的空间数据结构决定了模型的底层架构和相应的建模技术，但目前广泛用于地质建模的数据结构，如NURBS(非均匀有理B样条)，由于其数学原理的限制在刻画地质构造复杂性方面通常不具备足够的灵活性。
[0004] 适用于三维地质建模的空间数据结构随不同的应用领域而不同。随着计算机3D技术的发展，许多不同的三维空间数据结构被引入地质建模方法中并应用于许多不同的领域，包括工程地质、矿产资源勘探、地热资源开采以及地质灾害识别等。在岩土工程领域，B-Rep架构是最广泛采用的地质对象实体建模数据结构之一。B-Rep的优势在于其能够基于少量数据实现灵活造型，从而高效地刻画地质对象的空间几何和拓扑关系。B-Rep实体通过闭合的边界曲面定义，其曲面元素可以是参数形式的或离散形式的。这两种形式的曲面的代表性数据结构就是NURBS和网格。非均匀有理B样条(NURBS)是一种应用最为广泛的参数曲面，它的拓扑结构定义在二维平面参数空间且对应的自由曲面在三维空间中通过解析计算得到。网格则直接通过一组由公共顶点连接的平面多边形生成一张曲面，它不具备参数化定义并且对一个光滑曲面的逼近只能在有限的分辨率下实现。在地质对象的B-Rep表示方法中，由多个NURBS曲面或网格曲面划分地质体边界，从而围成一个边界表示实体。
[0005] 在工程领域，NURBS相对于网格拥有几方面的优势，包括：解析的数学表达、真正的曲面精度和光滑度、矢量表示而非栅格表示、简洁的参数化以及计算和存储的高效性。因此，NURBS已经成为CAD、CAM和CAE领域曲线曲面的标准表示方法，并且是IGES、STEP和PHIGS等许多工业级标准的一部分。事实上，例如隧洞、大坝、桥梁和建筑物等工程对象的模型通常都是使用NURBS设计并建立的。设计的工程对象和自然的地质对象在空间数据结构层面的模型统一有利于后续耦合分析的兼容性和便利性，因此NURBS相对于网格更适用与工程地质领域的地质对象建模。在三维统一地质建模理论中的统一数据结构方法使用NURBS技术，基于相同的数学基础实现了工程结构的解析曲面和地质体的自由曲面的统一表达。
[0006] 基于NURBS的地质建模方法已发展较为成熟。Fisher和Wales于1992年首次提出了将NURBS应用于地质建模的理论，但由于NURBS在其早期阶段本身的理论发展不成熟，该研究仅停留在概念阶段。随着计算机辅助几何设计方法的引入，NURBS技术得到的巨大的增强。在此基础上，Sprague和de Kemp于2005年研究了基于断面控制框架和区域构造测量约束的NURBS地质曲面建模方法。钟登华于2006年提出了三维地质建模的NURBS-TIN-B-REP混合数据结构，且在中国专利号为：CN200610013425.1公开了一种水利水电工程地质信息的三维统一模型构建方法，基于NURBS技术实现了大坝基岩地质构造的三维可视化工程地质分析，该方法已被大量应用于国内外的水利水电工程。基于以上开创性研究，NURBS数据结构已经被广泛应用于三维地质建模领域，且近期研究仍然在进一步推动该方法的发展。
[0007] NURBS在针对隧洞和大坝等规则形体的建模方面具备良好的表现。然而，地质对象的自然形态不同于工程对象的人工形态，它拥有其特殊的不规则性并且仍然挑战着目前基于NURBS的地质建模方法。在地质建模领域，NURBS在数据结构和建模技术上都存在较大的局限性。NURBS是通过一系列B样条曲线的张量积定义的，其控制点必须分布成矩形阵列，该定义将NURBS曲面限制为平面拓扑结构。这种限定的拓扑结构使得NURBS只能够刻画真实地质构造形态中很少的一部分。地质对象的自然形态和NURBS的张量积拓扑存在以下三方面的矛盾：首先，自然地质现象普遍存在分形特征，即地质对象具有自相似的局部细节，而NURBS的控制点必须遍布每一条等参线，使得NURBS曲面只能实现均匀细节特征；第二，地质体之间的侵入和不整合接触会导致错综复杂的空间拓扑，而NURBS曲面只能服从简单的平面拓扑；第三，地质对象通常存在断层和裂隙等不连续特征，而NURBS由于其张量积的定义规则只能建立内部连续的曲面。
[0008] 与此同时，一个基于NURBS建立的闭合实体必须由多张NURBS面片包围成。因此NURBS建模流程通常需要NURBS曲面裁剪和拼接技术，这种策略适用于建立规则的几何形态，但在复杂地质体建模中面临着许多问题：首先，由于NURBS曲面裁剪技术是通过计算裁剪线和隐藏曲面被裁剪区域实现的，该算法不改变NURBS曲面控制点的数量和位置，因此裁剪线上不存在相应的控制点从而难以控制裁剪得到的边界拟合复杂的地质数据，限制了地质模型的精确性；第二，由于用于拼接的两条裁剪线分别定义于各自对应NURBS曲面的参数域中，两个曲面真实的交线实际由两条裁剪线分别逼近，导致在NURBS面片拼接位置不可避免地产生缝隙从而影响地质实体模型的密闭性，限制了地质建模在后续数值模拟分析中的应用；第三，由于NURBS裁剪拼接技术得到的多重曲面片在进一步编辑过程中可能破坏其拼接几何连续性，因此该技术建立的地质模型难以随地质数据更新，限制了动态地质建模技术的发展。
[0009] 在NURBS理论的基础上，Sederberg于2003年提出了新一代的参数曲面——T样条(T-splines，具有T节点的非均匀B样条)，并在2004年进一步发展了T样条的简化和局部加细等基础算法。在实际应用中，T样条的概念同样包含了T-NURCCS(具有T节点的非均匀有理Catmull-Clark细分曲面)，T-NURCCS是基于细分曲面理论发展而来的，它将奇异点的概念引入了T样条。作为NURBS和Catmull-Clark细分曲面的超集，T样条同时继承了参数曲面的解析形式和细分曲面的灵活性，并且能够在没有T节点的特殊条件下实现任何NURBS建模流程和Catmull-Clark细分曲面流程。在T样条的定义中，一个T节点是一行或一列控制点在T网格内部中止末端的三价节点，一个奇异点是除T节点以外的非四价节点。T节点的存在使得T样条具备局部加细能力，而奇异点的存在使得T样条能够实现任意拓扑。此外，T样条能够通过局部插入节点间距为0的多重节点局部改变几何连续性。T样条的这些特性对于地质建模具有较大的意义。
[0010] 细分曲面理论是基于多边形网格发展而来的。细分曲面是在粗糙的分段线性多边形网格基础上通过网格面递归细分得到的极限曲面。在CAD和GIS实际应用中，由细分曲面的极限曲面定义所带来的无限数量面片相对于NURBS的有限数量的面片更难处理。目前尚无细分曲面的工业标准且细分曲面和NURBS并不兼容。事实上，细分曲面技术更适用于动画和电影行业，而很少应用于生产制造和工程建设领域。因此，为了实现工程结构和地质对象的统一建模，在工程地质建模中采用T样条等参数曲面相对于细分曲面是更好的选择。
[0011] 目前，T样条技术主要应用于工业设计领域和建筑领域计算机辅助设计中的有机形态建模，但尚未被引入地质建模领域。在空间数据结构层面，T样条的任意拓扑结构克服了NURBS的张量积拓扑结构在刻画复杂地质构造方面的局限性，在建模技术层面，T样条建模技术同时具备参数曲面建模技术和细分曲面建模技术的优点，能够克服NURBS的裁剪拼接地质建模方式带来的问题，此外，T样条继承了NURBS的精确性并且保持了与NURBS的兼容性，多张NURBS面片围成的B-Rep地质实体可以通过一张封闭的T样条曲面代替，因此T样条是一种更适用于地质建模的潜在技术。
[0012] 参考文献：
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发明内容
[0030] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于T样条的三维地质建模方法，将T样条数据结构和建模技术引入三维地质建模领域，实现了利用构造复杂度对T样条曲面几何形态的量化控制同时保证较高的模型精度。该方法能够建立包括沉积、褶皱、侵入、不整合面和断层等地质构造的真实形态三维模型，并且为岩性预测、渗流和灌浆模拟以及稳定性分析等计算机辅助设计和数值模拟分析提供精确可靠的初始模型。
[0031] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0033] 多源地质数据集成；
[0034] 基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析；并将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；
[0035] 所述基于T样条的参数曲面建模方法采用几何-拓扑的建模逻辑：在几何阶段，基于地质数据边界约束将T样条曲面拟合至地质数据，建立开放的T样条曲面表征地质曲面；在拓扑阶段，根据地质曲面拓扑关系进行T样条布尔运算，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；
[0036] 所述基于T样条的细分曲面建模方法采用拓扑-几何的建模逻辑：在拓扑阶段，根据地质数据的复杂特征构建T样条的拓扑结构得到封闭的空间T网格表征地质体；在几何阶段，根据地质数据边界约束通过计算T样条控制点实现地质对象表面拟合，建立T网格对应的T样条曲面，得到闭合的T样条地质实体表征所建立的地质对象；
[0037] 建立地质对象的三维模型并进行集成与检验，得到最终的三维地质模型。
[0038] 所述针对地质对象进行构造复杂性分析的过程包括以下两个步骤：
[0039] 步骤1.基于地质数据对地质对象的分形几何复杂性、任意亏格拓扑复杂性和不连续复杂性三方面进行构造复杂性分析；
[0040] 步骤2.将构造复杂度较小的地质对象分为一类采用基于T样条的参数曲面方法建模，包括：地形、层状沉积构造、褶皱构造、风化和卸荷界面地质构造；将构造复杂度较大的地质对象分为另一类采用基于T样条的细分曲面方法建模，包括：第四纪覆盖层、不整合接触构造、侵入构造、尖灭构造和断层构造。
[0041] 所述基于T样条的参数曲面建模方法具体包括以下步骤：
[0042] (1)在几何阶段建立放开的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
[0043] 步骤1.根据地表露头线、钻孔数据点以及剖面线地质数据对地质对象进行边界曲面划分，确定边界曲面数量以及每个边界的初始T样条曲面；
[0044] 步骤2.将初始T样条的地质数据邻域部分进行局部加细；
[0045] 步骤3.将局部加细后的初始T样条曲面拟合至对应的地质数据，生成地质对象的一组边界T样条曲面；
[0046] (2)在拓扑阶段构建T样条曲面之间的拓扑关系得到一张闭合的T样条曲面，包括以下三步：
[0047] 步骤1.分析地质对象边界曲面的相交关系，计算T样条曲面之间的交线，并计算每个T样条曲面的裁剪线；
[0048] 步骤2.调整T样条曲面对应的T网格在裁剪线邻域的拓扑结构，删除T样条的被裁剪区域并在保留区域建立逼近裁剪线的曲面边界线，得到一组边界互相匹配的非裁剪T样条地质曲面；
[0049] 步骤3.将边界互相匹配的地质边界曲面拼接为一张封闭的T样条曲面，并根据实际情况调整拼接线位置的几何连续性，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
[0050] 所述基于T样条的细分曲面建模方法具体包括以下步骤：
[0051] (1)在拓扑阶段构建闭合T网格的空间拓扑结构，包括以下三步：
[0052] 步骤1.将地表露头线、钻孔数据点以及剖面线地质数据从三维物理空间映射至二维参数空间；
[0053] 步骤2.在二维参数空间中，基于映射得到的地质边界约束，利用量化的构造复杂度指标控制T网格原象在地质数据邻域上的拓扑结构；
[0054] 步骤3.将重拓扑后的T网格原象重新映射至三维物理空间，生成地质对象所对应的一个封闭的空间T网格；
[0055] (2)在几何阶段建立T网格对应的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
[0056] 步骤1.在T网格的三维空间拓扑基础上定义节点向量并生成T样条混合函数；
[0057] 步骤2.通过计算T样条控制点的三维物理空间位置实现T样条曲面对地质间边界约束的拟合；
[0058] 步骤3.基于封闭的空间T网格、节点向量、混合函数和控制点坐标生成相应的T样条曲面，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
[0059] 根据地质构造复杂度指标控制T网格原象的拓扑结构过程，包括以下步骤：
[0060] 步骤1.分析参数空间地质数据表现出的地质对象的分形几何特征、任意亏格拓扑和不连续性，并且分别用分形维数、亏格数和连续性阶数进行量化；
[0061] 步骤2.在参数空间中T网格原象的地质数据邻域通过插入和移除十字节点、T节点、奇异点和多重节点，分别根据分形维数量化控制T样条的局部加细参数，根据亏格数量化控制T样条的任意拓扑参数，根据连续性阶数量化控制T样条的可变连续性参数。
[0062] 对地质对象的三维模型进行所述集成与检验的过程包括以下步骤：
[0063] 步骤1.将基于T样条的参数曲面建模方法和基于T样条的细分曲面建模方法得到的两类地质对象合并至同一空间坐标系中；
[0064] 步骤2.分析互相接触的地质对象之间的空间位置关系和拓扑关系，利用T样条实体布尔运算将所有地质对象集成为区域整体地质模型，此过程中考虑构造复杂性的相对大小调整布尔逻辑顺序；
[0066] 步骤4.得到最终的工程区域三维地质模型。
[0067] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0068] 1.本发明提出的基于T样条三维地质建模方法，实现了复杂地质构造三维模型的精细化表达，利用T样条在局部加细、任意拓扑和可变连续性方面的灵活性，基于量化方法刻画地质构造复杂性，克服了目前基于NURBS的CAD方法难以定量刻画地质对象的复杂形态的问题，同时继承了NURBS方法的精确性且保持了与NURBS的兼容性，实现工程领域和地质领域三维建模技术的统一。
[0069] 2.采用本发明方法对工程地质构造实现特征量化的建模，可以辅助工程人员更为准确地把握并研究区域工程地质情况；同时，该方法可以为岩性预测、渗流及稳定性分析等提供精确可靠的模型基础，为复杂地质条件下工程勘测、设计与施工中的地质问题分析提供了有力的技术手段。附图说明
[0070] 图1是本发明基于T样条的地质建模流程图；
[0071] 图2是本发明利用构造复杂度量化控制T样条参数的原理说明图；
[0072] 图3是本发明复杂边界约束下的T样条拓扑结构示意图；
[0073] 图4是沉积构造地层体建模示意图；
[0074] 图5是第四纪覆盖层局部细节与空间交错接触特征建模示意图；
[0075] 图6是夹层地质体尖灭特征建模示意图；
[0076] 图7是正断层开裂与错动特征建模示意图；
[0077] 图8是正断层控制点拓扑结构示意图；
[0078] 图9是通过本发明方法构建的某实际水利水电工程区域三维地质模型。
具体实施方式
[0079] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0080] 本发明提出一种基于T样条的三维地质建模方法，将T样条作为三维地质建模的空间数据结构，针对地质对象的复杂形态进行三维精细建模，实现地质构造复杂性的定量刻画，该方法包括以下步骤(见图1)：
[0081] 一、多源地质数据集成；
[0082] 二、基于地质数据针对地质对象进行构造复杂性分析，分析过程包含以下两个步骤：
[0083] 步骤1.基于地质数据对地质对象的分形几何复杂性、任意亏格拓扑复杂性和不连续复杂性三方面进行构造复杂性分析；
[0084] 步骤2.在构造复杂性分析的基础上，将构造复杂度较小的地质对象分为一类采用基于T样条的参数曲面方法建模，包括：地形、层状沉积构造、褶皱构造、风化和卸荷界面等地质构造；将构造复杂度较大的地质对象分为另一类采用基于T样条的细分曲面方法建模，包括：第四纪覆盖层、不整合接触构造、侵入构造、尖灭构造、断层构造等。
[0085] 三、将地质对象分为两类，分别采用基于T样条的参数曲面建模方法或基于T样条的细分曲面建模方法；
[0086] 基于T样条的参数曲面地质建模方法包括以下步骤：
[0087] (1).在几何阶段建立放开的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
[0088] 步骤1.根据地表露头线、钻孔数据点以及剖面线等地质数据对地质对象进行边界曲面划分，确定边界曲面数量以及每个边界的初始T样条曲面；
[0089] 步骤2.将初始T样条的地质数据邻域部分进行局部加细；
[0090] 步骤3.将局部加细后的初始T样条曲面拟合至对应的地质数据，生成地质对象的一组边界T样条曲面。
[0091] (2).在拓扑阶段构建T样条曲面之间的拓扑关系得到一张闭合的T样条曲面，包括以下三步：
[0092] 步骤1.分析地质对象边界曲面的相交关系，计算T样条曲面之间的交线，并进一步计算每个T样条曲面的裁剪线；
[0093] 步骤2.调整T样条曲面对应的T网格在裁剪线邻域的拓扑结构，删除T样条的被裁剪区域并在保留区域建立逼近裁剪线的曲面边界线，得到一组边界互相匹配的非裁剪T样条地质曲面；
[0094] 步骤3.将边界互相匹配的地质边界曲面拼接为一张封闭的T样条曲面，并根据实际情况调整拼接线位置的几何连续性，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
[0095] 基于T样条的细分曲面地质建模流程包括以下步骤：
[0096] (1)在拓扑阶段构建闭合T网格的空间拓扑结构，包括以下三步：
[0097] 步骤1.将地表露头线、钻孔数据点以及剖面线等地质数据从三维物理空间映射至二维参数空间；
[0098] 步骤2.在参数空间中，基于映射得到的地质边界约束，利用量化的构造复杂度指标控制T网格原象在地质数据邻域上的拓扑结构；具体包括以下步骤：
[0099] a)分析参数空间地质数据的所表现出的地质对象的分形几何特征、任意亏格拓扑和不连续性，并且分别用分形维数、亏格数和连续性阶数进行量化；
[0100] b)在参数空间中T网格原象的地质数据邻域通过插入和移除十字节点、T节点、奇异点和多重节点，分别根据分形维数量化控制T样条的局部加细参数，根据亏格数量化控制T样条的任意拓扑参数，根据连续性阶数量化控制T样条的可变连续性参数。
[0101] 步骤3.将重拓扑后的T网格原象重新映射至三维物理空间，生成地质对象所对应的一个封闭的空间T网格。
[0102] (2)在几何阶段建立T网格对应的T样条曲面并进行拟合，包括以下三步：
[0103] 步骤1.在T网格的三维空间拓扑基础上定义节点向量并生成T样条混合函数；
[0104] 步骤2.通过计算T样条控制点的三维物理空间位置实现T样条曲面对地质间边界约束的拟合；
[0105] 步骤3.基于封闭的空间T网格、节点向量、混合函数和控制点坐标生成相应的T样条曲面，最终得到基于一张闭合T样条曲面的地质对象实体。
[0106] 四、将上述步骤建立地质对象的三维模型进行集成与检验，得到最终的三维地质模型，集成与检验过程包括以下四步：
[0107] 步骤1.将上述基于T样条的参数曲面建模方法与基于T样条的细分曲面建模方法得到的两类地质对象合并至同一空间坐标系中；
[0108] 步骤2.分析互相接触的地质对象之间的空间位置关系和拓扑关系，利用T样条实体布尔运算将所有地质对象集成为区域整体地质模型，在此过程中考虑构造复杂性的相对大小调整布尔逻辑顺序；
[0109] 步骤3.从构造地质学角度整体检验地质构造模型的可靠性与合理性；
[0110] 步骤4.得到最终的工程区域三维地质模型。
[0111] 本发明方法将地质构造复杂性从分形几何特征、任意亏格拓扑和不连续性三方面量化，并量化控制T样条曲面的局部加细参数、任意拓扑参数和可变连续性参数，如图2所示。该量化控制关系可以概括为以下三点：
[0112] 1)使用分形维数量化地质构造的分形几何复杂性，进而基于T节点元素控制T样条的局部加细参数。地质构造的局部细节几何特征可以用分形理论描述并且用分形维数量化。分形维数描述了分形对象的空间填充程度并反映了其自相似复制的能力。对于地质体而言，其地质曲面上不同区域的局部分形维数分布不均匀，即部分区域具有相对更高的分形复杂性和局部细节。
[0113] 2)使用亏格数量化地质构造的任意亏格拓扑复杂性，进而基于奇异点元素控制T样条的任意拓扑参数。地质构造的空间交错接触特征可以用拓扑学描述并且用亏格数量化。对于一个地质体模型而言，亏格数量通常等同于将其贯穿的孔洞数量。孔洞是岩体与土体形态中广泛存在的现象，因此地质对象的拓扑结构通常表现出较高的亏格数。
[0114] 3)使用几何连续性阶数量化地质构造的不连续复杂性，进而基于多重节点元素控制T样条的可变连续性参数。地质构造的断裂与破碎特征可以用几何连续性分析理论描述并且用几何连续性阶数量化。不同的几何连续性的表示方法如下：C-1连续表示曲面分离不连续，C0连续表示位置连续，C1连续表示一阶导数连续，C2连续表示一阶和二阶导数连续。在构造地质学中，地质对象区别于工程设计对象的关键特征就是地质不连续性，包括C0的尖灭特征和C-1的断裂特征。
[0115] 图3通过一个标准化算例说明基于不同种类的构造复杂性对T样条的参数进行量化控制的方法。图中共展示了五对二维参数空间中的T网格原象和与之对应的使用立方体形式化的T样条曲面，分别将初始T样条立方体3011对应的初始T网格原象3012通过四种变换刻画四种不同的构造复杂性：通过局部加细T网格原象3021刻画地质构造的分形几何特征，对应的局部加细T样条立方体3022的一个T节点用圆形框出；通过高亏格T网格原象3031刻画地质构造的任意亏格拓扑，对应的高亏格T样条立方体3032中的一个奇异点用矩形框出，在本算例为简化说明所设定的亏格为1，在实际建模中利用T样条的奇异点可以实现任意亏格；通过局部C0连续T网格原象3041刻画地质构造不连续性中的尖灭特征，对应的局部C0连续T样条立方体3042中的尖灭边用加粗线条示意；通过局部C-1连续T网格原象3051刻画地质构造不连续性中的断裂特征，对应的局部C-1连续T样条立方体3052在生成内部边界的过程中引入的奇异点在图中用矩形框出。
[0116] 本发明实施例所提出的基于T样条的三维地质建模方法，采用的技术方案主要包括基于多源地质数据的工程地质构造三维精细建模。
[0117] 1.耦合多源勘测数据的工程地质数据空间集成，具体步骤包括：
[0118] 将工程地质勘测获取的地表数据与地下数据进行空间集成，其中地表数据包括：全站仪或卫星定位测量得到的地形控制点和等高线、露头测绘得到的地质构造露头边界产状、航拍遥感得到的数字地形等；地下数据包括：垂直钻孔和水平坑探获取的地质属性空间坐标、取样分析数据、钻孔录像、平硐展示图以及地球物理勘探解析获取的地质数据等。将以上多源地质数据进行空间集成分析并生成剖面，检查地质信息的一致性与可靠性，为三维地质建模提供客观准确的基础数据。
[0119] 2.复杂地质构造三维模型的精细建模，具体步骤包括：
[0120] 根据多源勘测集成数据，对不同地质构造对象(地形、覆盖层、断层、夹层等)复杂性进行分析，并对建模所需数据进行划分和选取；基于T样条数据结构，进行三维建模。
[0121] (1)沉积地质构造的T样条参数曲面建模。
[0122] 沉积地质构造呈现出较规则的层状接触特征，采用基于T样条的参数曲面建模方法。根据地表等高线、地形点云等数据生成初始地形曲面，根据钻孔、剖面等数据生成初始地层边界曲面，将初始T样条的地质数据邻域部分进行局部加细，并将局部加细后的初始T样条曲面拟合至对应的地质数据，生成开放的T样条曲面表征地形面和地层边界曲面，如图4左侧图所示。在此基础上分析地形曲面与地层边界曲面的相交关系，计算T样条曲面之间的交线，并进一步计算每个T样条曲面的裁剪线；调整T样条曲面对应的T网格在裁剪线邻域的拓扑结构，删除T样条的被裁剪区域并在保留区域建立逼近裁剪线的曲面边界线，得到一组边界互相匹配的非裁剪T样条地质曲面；将边界互相匹配的地质边界曲面拼接为一张封闭的T样条曲面，并根据实际情况调整拼接线位置的几何连续性，最终得到采用T样条局部加细表达的沉积构造地层体模型，如图4右侧图所示。
[0123] (2)覆盖层的T样条细分曲面建模。
[0124] 覆盖层边界露头线的局部细节表现出一定程度的分形几何特征，且它与其下方基岩复杂的侵入接触关系使得该地质体具有任意亏格拓扑特征。
[0125] 覆盖层对象表现出较高的分形复杂性和任意亏格拓扑复杂性，采用基于T样条的细分曲面建模方法，并以地质数据的分形维数与亏格数为构造复杂度量化指标，在拓扑阶段通过调整T节点和奇异点在空间T网格中的分布，实现T样条局部加细参数和任意拓扑参数的量化控制；在几何阶段，将T网格转化为对应的T样条曲面，并拟合地表露头约束、地形约束以及剖面线约束等地质边界。最终得到的覆盖层地质体模型仅使用一张封闭的T样条曲面建立，且可以后续转换为基于非裁剪NURBS的B-Rep实体或四面体网格实体用于后续分析。图5展示了基于上述方法建立的一个覆盖层模型，并放大展示了T样条曲面上的一个T节点和一个奇异点的位置及其拓扑结构。
[0126] 在基于NURBS的建模方法中，需要运用大量NURBS面片通过复杂的裁剪和拼接运算模拟地质对象的分形几何特征和任意亏格拓扑，这种策略一方面具备较低的可行性，另一方面也为地质对象实体在面片拼接位置引入了大量缝隙，为后续的数值模拟分析带来了许多问题。相反，T样条将上述多重曲面建模问题转化为单一曲面内部的控制点和拓扑结构控制问题，能够引入量化方法刻画分形几何复杂性和任意亏格拓扑复杂性，且建立的复杂地质对象表面具有统一的T样条参数域而不存在缝隙。可见，本发明提出的基于T样条的地质建模方法突破了传统NURBS方法在刻画地质对象复杂局部细节和空间侵入关系上的局限性。
[0127] (3)夹层体的T样条细分曲面建模。
[0128] 地层中普遍存在的不整合接触关系导致了地质体的尖灭形态特征，即地层厚度随着其延伸逐渐变薄并在边界处消失。描述这种不整合性同样是地质建模的关键环节。
[0129] 夹层体地质对象表现出较高的不连续复杂性，采用基于T样条的细分曲面建模方法，并以地质数据的连续性阶数为构造复杂度量化指标，在拓扑阶段，通过局部插入节点间距为0的多重节点建立具有C0位置连续性的局部尖灭边；在几何阶段，通过计算局部尖灭边上控制点的空间位置将其拟合至地质数据中的尖灭线。最终得到的夹层透镜体模型由一张封闭的T样条曲面构成，并且能够后续转换为基于非裁剪NURBS的B-Rep实体或四面体网格实体用于后续分析。图6展示了基于上述方法建立的一个具有两条尖灭边界的夹层透镜体，并放大展示了其中一条尖灭边界的形态。
[0130] 在基于NURBS的方法中，主要通过两张NURBS面片的裁剪和拼接建立尖灭边，但是由于通过该算法建立的尖灭边上不存在控制点且对于尖灭边的进一步变形可能导致NURBS面片的拼接失效，因此无法控制尖灭边将其拟合至地质数据。相反，由于T样条能够局部改变几何连续性，T样条建模技术能够建立局部尖锐边并将其拟合至地质约束，因此本发明提出的基于T样条的地质建模方法在处理地质体不整合接触问题时更加有效。
[0131] (4)断层体的T样条细分曲面建模。
[0132] 断层将连续的层状沉积地层分割为不连续的区域。断层建模是地质建模中的关键环节，且断层错动过程也是地质建模的难点。
[0133] 断层地质对象表现出较高的不连续复杂性，采用基于T样条的细分曲面建模方法，并以地质数据的连续性阶数作为构造复杂度量化指标。图7为基于T样条建立的正断层模型，错动前断层构造701和错动后断层构造702分别从剖面和透视图两个角度放大展示了断层上盘和下盘的错动，其中错动前断层剖面图7011和错动后断层剖面图7021对比说明了断层错动距离，而错动前断层透视图7012和错动后断层透视图7022对比展示了这一非贯穿断层与地层界面之间的空间关系。
[0134] 在基于NURBS的建模方法中，断层的开裂特征需要使用裁剪运算实现。由于NURBS裁剪算法得到的裁剪边界上没有控制点，难以控制断层边界模拟断层错动过程，只能针对已勘探获取错动距离数据的断层建立其错动形态。相反，一张T样条曲面可以建立内部边界，且通过移动断层边界上的控制点来模拟断层错动过程。图8展示了断层附近T样条控制点的拓扑结构，并放大展示了一个T节点和一个奇异点。T节点被插入到断层附近的T网格，上盘和下盘的边界的控制点被分离并在断层面的约束下移动从而模拟断层错动过程，在地层断裂终止的两端伴随产生了奇异点。总之，本发明提出的基于T样条的地质建模方法可以更好地支持对断层错动的模拟。
[0135] 3.三维地质模型集成与检验，具体步骤包括：
[0136] 将上述基于T样条的参数曲面建模方法与基于T样条的细分曲面建模方法得到的各类地质对象合并至同一空间坐标系中；分析互相接触的地质对象之间的空间位置关系和拓扑关系，考虑构造复杂性的相对大小调整布尔逻辑顺序，利用T样条实体布尔运算将所有地质对象集成为区域整体地质模型，并从构造地质学角度整体检验地质构造模型的可靠性与合理性，得到最终的工程区域三维地质模型，如图9所示。
[0137] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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