一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法及系统

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法及系统。

背景技术

地质勘察是水利水电工程建设中的基础性工作。然而，在传统地质勘探中二维图件直观性差，导致现场分析过程大量依赖工程师的主观经验，并且记录的数据缺失空间特征。地质露头在地质勘探和建模中具有极其重要的地位，基于无人机的倾斜摄影技术及其配套的快速三维建模技术近年来发展迅速，利用倾斜摄影三维模型上观察到的地质露头可对该研究区进行剖面量测、岩层岩性分析、岩层走向等分析；现已有诸多地质三维场景搭建和可视化的数字工具应用于实际工程中，并且有学者已通过在倾斜摄影场景中生成产状矢量面，进行地质结构面的可视化，特定的产状与地表的交线即为地质结构出露线。

但通过倾斜摄影搭建的场景中，倾斜摄影和矢量面不易直接作布尔运算，地质结构出露线不易在场景中直接推求显示。在地质勘察的过程中，地质结构出露线很难在地质综合数字工具中以线对象形式提取出来，赋予相关的地质属性，造成了编录、建模的不便。如SuperMap桌面端系统通过倾斜摄影对三维面进行裁切，并需要用户手动删除三维面中不需要的点和线，从而留下地质结构出露线，流程繁琐；GeoStation地质三维系统着重于对地质对象的统计，无法直接对倾斜摄影与其他对象的拓扑关系进行操作。目前全球专门的地质建模软件主要专注于矢量数据的建模应用，如GOCAD、CATIA、Earth Volumetric Studio等软件较难直接实现空间平面和倾斜摄影模型的求交操作。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于光伏组件发电特性的火灾早期探测预警方法及系统，利用倾斜摄影与点云的相关的算法可以解决基于外业三维实景的地质结构出露线推求的问题，用以在外业工作中快速解译分析地质勘探工程中的地质结构出露线。

本发明所采用的具体技术方案为：

本专利的第一发明目的是提供一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法，包括：

S1、根据需提取出露线场景的倾斜摄影，提取相应的点云，并进行预处理；

S2、根据所求地质结构出露线的信息，在点云空间中作出产状平面；

S3、对点云和矢量平面的空间进行网格划分，找出点云和矢量平面共同占据的细小网格；

S4、在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点；

S5、将S4中提取出的一系列点拟合成线，得到整体空间范围的地质结构出露线。

本专利的第二发明目的是提供一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求系统，包括：

预处理模块：根据需提取出露线场景的倾斜摄影，提取相应的点云，并进行预处理；

产状平面生成模块：根据所求地质结构出露线的信息，在点云空间中作出产状平面；

细小网格查找模块：对点云和矢量平面的空间进行网格划分，找出点云和矢量平面共同占据的细小网格；

系列点查找模块：在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点；

拟合模块：将系列点查找模块中提取出的一系列点拟合成线，得到整体空间范围的地质结构出露线。

本专利的第三发明目的是提供一种实现上述基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的计算机程序。

本专利的第四发明目的是提供一种实现上述基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的信息数据处理终端。

本专利的第五发明目的是提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法。

本发明的优点及积极效果为：

本发明利用倾斜摄影与点云的相关的算法可以解决基于外业三维实景的地质结构出露线推求的问题，相较于传统地质露头数据提取方式，本发明具有可视化程度好、高效易用的特点。

本发明以外业三维实景现场分析工作为背景，抓住地质勘测现场地表与水平面的投影映射关系，通过利用精简点云和点云网格划分的相关算法，将庞大的点云简化到出露线位置，提取出与所求出露线附近的点，最终通过最小距离计算拟合出地质结构出露线。传统的地质结构出露线推求，依靠工程师的主观经验；倾斜摄影和矢量面无法直接作布尔运算，地质结构出露线需要在倾斜摄影上手动标定。本发明所提出的方法能直接在倾斜摄影场景中根据产状和位置信息进行求交，能快速推求地质结构出露线；简化了点云计算的过程，提高了运算速度，并且能保证一定精度，适应于外业现场快速分析地质出露线的需求。

附图说明

图1为本发明优选实施例的流程图；

图2为本发明优选实施例中倾斜摄影示意图；

图3为本发明优选实施例中局部点云与产状平面投影后示意图；

图4为本发明优选实施例中四叉树结构图；

图5为本发明优选实施例中提取地质结构出露线示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

地质露头在地质勘探和建模中具有极其重要的地位，利用倾斜摄影三维模型上观察到的地质露头可对该研究区进行剖面量测、岩层岩性分析、岩层走向等分析。已有的地质综合数字工具中，很难通过空间矢量面与倾斜摄影模型求交线的方式提取地质结构出露线的几何形状。因此本发明结合水利工程地质勘探、地质结构推求，利用四叉树方式将倾斜摄影的点云模型进行划分网，求到矢量平面距离，从而利用散点拟合出地质结构出露线。简化了点云计算的过程，能保证一定精度，适应于外业现场快速分析地质出露线的需求。

下面结合附图1至图5对本发明的结构作详细的描述。

一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法，包括：

S1，根据需提取出露线场景的倾斜摄影，提取相应的点云，并预处理；进一步包括：

S101：获取工区的倾斜摄影模型，并通过倾斜摄影软件将倾斜摄影转化为点云(.ply)；

S102：去除离群点；

S103：去除非地表点，将竖直状的地物、地表下的噪点等去除，以便后续步骤将将空间点云投影到水平面上。

S2，根据所求地质结构出露线的信息，在点云空间中作出产状平面；进一步包括：

S201：读取出出露线的位置信息和产状信息；

S202：根据出露线的信息求出相对于点云空间的坐标系下的平面方程，并且根据结构延伸距离限制平面范围；

平面方程如下：

sinθ·sinα(x-x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S203：将产状的有限平面加载到点云的同一空间。

S3，对点云和矢量平面的空间进行网格划分，找出点云和矢量平面共同占据的细小网格；进一步包括：

S301：将点云、空间平面按垂直方向投影到水平面(XOY)平面；空间平面投影到水平面后形成一个平行四边形面域Ω；由于地质勘测现场实景点云与其他三维点云相比有着良好的水平投影性，用于求解地质出露线的点云在一个水平(x,y)坐标下只对应唯一地表高程(z)，可将传统空间点云使用的八叉树遍历转化为二维的四叉树遍历，提高计算效率；投影后的平面点云数据集记为D；

S302：最外域的确定，设平面点云数据集为D，遍历D中所有点得到X、Y方向的最大值x

S303：连接上一级矩形网格各对边的中点，将此矩形网格平均划分为4个小网格。网格的编码采用线性四叉树编码，任意页节点的编码使一个n位数的编码(n为四叉树的层数)，对于一个规则划分的四叉树空间，引入四进制的编码序号；在本例网格划分中一个不再往下划分的网格视为四叉树中的一个叶节点；四叉树中节点都唯一对应一个四进制数M：

M＝q

其中，q

S304：划分完网格后，判断点云数据集D、平行四边形面域Ω与每一个小网格的边缘的交集情况；在每个节点上记录网格的情况：如果该网格内存在任意一个点云里的点，则标记为对于点云为满节点；如果该网格与面域Ω有交集，则标记为对于面域为满节点；若满足上述两点，则该节点标记为满节点，其余的节点为空节点；

例如对于某一层的0号网格(节点)，

若有：

则标记该网格(节点)为满节点。

S305：取出每一个同时包含点云和矢量平面的小网格(上述满节点)，其他的空节点网格不可能出现出露线，舍弃不考虑；

S306：设定网格长宽阈值，将上一步每一个小网格作为最初的矩形网格，重复S303至C5，直至所有小网格的尺寸小于阈值；记录下所有的小网格内包含的网格，平面和点云的交线将在这一部分点云附近产生。

S307：将循环结束所选中的这一部分点云(即所有满的叶节点)离散化，变为散点。

S4，在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点；进一步包括：

S401：将S3输出的散点按原来的高度映射回三维空间，记为数据集D’；

S402：根据实际需求，设定散点与平面相距的阈值δ；

S403：在数据集D’中，按广度遍历每一个网格中的每一个点，用平面方程计算每一个点到平面的距离d：

d＝sinθ·sinα(x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S404：提取出计算距离d小于相距阈值δ的一系列散点，记为数据集D”。

S5，将S4中提取出的一系列点拟合成线，得到整体空间范围的地质结构出露线，进一步包括：

S501：选择数据集D”中最靠近边缘的一个点P

S502：在当前点P

S503：重复S502，直至有点被重复连到，停止连线，此时得到的多段线即为倾斜摄影模型上的地质出露线。

实施例

实验中用到的倾斜摄影是我国某西部水利工程某工区的倾斜摄影模型、其中的地质出露和产状信息均由实地测得，如图2所示。总的来说，现场地形较复杂，地质出露点较多；倾斜摄影质量较好。

一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法，整体路程图如1所示，包括以下步骤：

S1，根据需提取出露线场景的倾斜摄影，提取相应的点云，并预处理，其中进一步包括：

S101：获取工区的倾斜摄影模型，并通过倾斜摄影软件将倾斜摄影转化为点云(.ply)，总的来说该工区点云较密集，该区块约有150万点云；

S102：去除离群点，以减小算法中最外域的范围；

S103：去除非地表点，将竖直状的地物、地表下的噪点等去除，以便后续步骤将将空间点云投影到水平面上。去除了工区平原中大部分的房子、树木和汽车的点云；去除了全部的地表下的噪点。

S2，根据所求地质结构出露线的信息，在点云空间中作出产状平面；其中进一步包括：

S201：读取出出露线的位置信息和产状信息；

S202：根据出露线的信息求出相对于点云空间的坐标系下的平面方程，并且根据结构延伸距离限制平面范围；

平面方程如下：

sinθ·sinα(x-x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S203：将产状的有限平面加载到点云的同一空间。

S3，对点云和矢量平面的空间进行网格划分，找出点云和矢量平面共同占据的细小网格，其中进一步包括：

S301：将点云、空间平面按垂直方向投影到水平面(XOY)平面；空间平面投影到水平面后形成一个平行四边形面域Ω；由于地质勘测现场实景点云与其他三维点云相比有着良好的水平投影性，用于求解地质出露线的点云在一个水平(x,y)坐标下只对应唯一地表高程(z)，可将传统空间点云使用的八叉树遍历转化为二维的四叉树遍历，提高计算效率；投影后的平面点云数据集记为D；

S302：最外域的确定，设平面点云数据集为D，遍历D中所有点得到X、Y方向的最大值x

(x

S303：连接上一级矩形网格各对边的中点，将此矩形网格平均划分为4个小网格。网格的编码采用线性四叉树编码，任意页节点的编码使一个n位数的编码(n为四叉树的层数)，对于一个规则划分的四叉树空间，引入四进制的编码序号；如图4所示，在本例网格划分中一个不再往下划分的网格视为四叉树中的一个叶节点；四叉树中节点都唯一对应一个四进制数M：

M＝q

其中，q

S304：划分完网格后，判断点云数据集D、平行四边形面域Ω与每一个小网格的边缘的交集情况；在每个节点上记录网格的情况：如果该网格内存在任意一个点云里的点，则标记为对于点云为满节点；如果该网格与面域Ω有交集，则标记为对于面域为满节点；若满足上述两点，则该节点标记为满节点，其余的节点为空节点；

例如对于某一层的0号网格(节点)，

若有：

则标记该网格(节点)为满节点。如图4所示，03，10，11，12，30，31，32，33节点为最下一层的满节点。

S305：取出每一个同时包含点云和矢量平面的小网格(上述满节点)，其他的空节点网格不可能出现出露线，舍弃不考虑；如图3所示，左上、右上、左下、右下四个网格分别记为0，1，2，3；那么，1，2，3网格同时包含点云和矢量平面，需要进一步进行操作；0网格只包含点云却不包含矢量平面，则直接舍弃其上的点不考虑；

S306：设定网格长宽阈值，将上一步每一个小网格作为最初的矩形网格，重复S303至C5，直至所有小网格的尺寸小于阈值；记录下所有的小网格内包含的网格，平面和点云的交线将在这一部分点云附近产生。

S307：将循环结束所选中的这一部分点云(即所有满的叶节点)离散化，变为散点。

S4，在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点，其中进一步包括：

S401：将S3输出的散点按原来的高度映射回三维空间，记为数据集D’；

S402：根据实际需求，设定散点与平面相距的阈值δ；

S403：在数据集D’中，按广度遍历每一个网格中的每一个点，用平面方程计算每一个点到平面的距离d：

d＝sinθ·sinα(x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S404：提取出计算距离d小于相距阈值δ的一系列散点，记为数据集D”。

S5，将S4中提取出的一系列点拟合成线，得到整体空间范围的地质结构出露线。进一步包括：

S501：选择数据集D”中最靠近边缘的一个点P

S502：在当前点P

S503：重复S502，直至有点被重复连到，停止连线，此时得到的多段线即为倾斜摄影模型上的地质出露线。

最后经过E步骤进行拟合后，形成地质结构出露线；加载到院倾斜摄影场景后如图5所示。可以看出，根据离散点云和四叉树网格划分的方法进行地质结构出露线推求，结果和显示较接近，具有一定的准确性；计算过程较短，具有一定的高效性。

一种基于外业三维实景的地质结构出露线推求系统，包括：

预处理模块：根据需提取出露线场景的倾斜摄影，提取相应的点云，并进行预处理；进一步包括：

S101：获取工区的倾斜摄影模型，并通过倾斜摄影软件将倾斜摄影转化为点云(.ply)；

S102：去除离群点；

S103：去除非地表点，将竖直状的地物、地表下的噪点等去除，以便后续步骤将将空间点云投影到水平面上。

产状平面生成模块：根据所求地质结构出露线的信息，在点云空间中作出产状平面；进一步包括：

S201：读取出出露线的位置信息和产状信息；

S202：根据出露线的信息求出相对于点云空间的坐标系下的平面方程，并且根据结构延伸距离限制平面范围；

平面方程如下：

sinθ·sinα(x-x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S203：将产状的有限平面加载到点云的同一空间。

细小网格查找模块：对点云和矢量平面的空间进行网格划分，找出点云和矢量平面共同占据的细小网格；进一步包括：

S301：将点云、空间平面按垂直方向投影到水平面(XOY)平面；空间平面投影到水平面后形成一个平行四边形面域Ω；由于地质勘测现场实景点云与其他三维点云相比有着良好的水平投影性，用于求解地质出露线的点云在一个水平(x,y)坐标下只对应唯一地表高程(z)，可将传统空间点云使用的八叉树遍历转化为二维的四叉树遍历，提高计算效率；投影后的平面点云数据集记为D；

S302：最外域的确定，设平面点云数据集为D，遍历D中所有点得到X、Y方向的最大值x

(x

S303：连接上一级矩形网格各对边的中点，将此矩形网格平均划分为4个小网格。网格的编码采用线性四叉树编码，任意页节点的编码使一个n位数的编码(n为四叉树的层数)，对于一个规则划分的四叉树空间，引入四进制的编码序号；在本例网格划分中一个不再往下划分的网格视为四叉树中的一个叶节点；四叉树中节点都唯一对应一个四进制数M：

M＝q

其中，q

S304：划分完网格后，判断点云数据集D、平行四边形面域Ω与每一个小网格的边缘的交集情况；在每个节点上记录网格的情况：如果该网格内存在任意一个点云里的点，则标记为对于点云为满节点；如果该网格与面域Ω有交集，则标记为对于面域为满节点；若满足上述两点，则该节点标记为满节点，其余的节点为空节点；

例如对于某一层的0号网格(节点)，

若有：

则标记该网格(节点)为满节点。

S305：取出每一个同时包含点云和矢量平面的小网格(上述满节点)，其他的空节点网格不可能出现出露线，舍弃不考虑；

S306：设定网格长宽阈值，将上一步每一个小网格作为最初的矩形网格，重复S303至C5，直至所有小网格的尺寸小于阈值；记录下所有的小网格内包含的网格，平面和点云的交线将在这一部分点云附近产生。

S307：将循环结束所选中的这一部分点云(即所有满的叶节点)离散化，变为散点。

系列点查找模块：在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点；

S4，在所有细小网格空间的精简点云内，寻找与矢量平面距离最近的一系列点；进一步包括：

S401：将S3输出的散点按原来的高度映射回三维空间，记为数据集D’；

S402：根据实际需求，设定散点与平面相距的阈值δ；

S403：在数据集D’中，按广度遍历每一个网格中的每一个点，用平面方程计算每一个点到平面的距离d：

d＝sinθ·sinα(x

式中，θ为倾向(0°-360°)，α为倾角(0°-90°)，(x

S404：提取出计算距离d小于相距阈值δ的一系列散点，记为数据集D”。

拟合模块：将系列点查找模块中提取出的一系列点拟合成线，得到整体空间范围的地质结构出露线。进一步包括：

S501：选择数据集D”中最靠近边缘的一个点P

S502：在当前点P

S503：重复S502，直至有点被重复连到，停止连线，此时得到的多段线即为倾斜摄影模型上的地质出露线。

一种实现上述基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的计算机程序。

一种实现上述基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的信息数据处理终端。

一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法。

一种实现上述优选实施例中基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的计算机程序。

一种实现上述优选实施例中基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法的信息数据处理终端。

一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述优选实施例中的基于外业三维实景的地质结构出露线推求方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。