利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法

1.本发明涉及水利工程地质勘查、gis、三维可视化领域，具体涉及一种利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法。


背景技术：

2.地质勘查是水利水电工程设计、施工、运维等各个阶段的基础性工作，其任务量极其繁重。目前的水利水电地质勘查工作主要依赖于人工记录和绘制，数字化程度低，分析效率低且数据不易管理，因此近年来国内外多家单位开始致力于研发数字化的野外地质信息采集系统，如河海大学研发的egoinfo摄影地质编录系统以及黄河水利委员会勘测规划设计研究院的工程勘察数字采集信息系统。不过，目前这些相对成熟的数字化编录系统主要采用的是二维模式，在照片或cad底图上进行地质对象的绘制和记录。二维层面的数据底图难以反映地质对象的空间分布情况，在外业采集和内业分析过程中均存在着较大程度的局限性。成都勘测设计研究院基于skyline平台研发了三维实景地质填图系统，通过dem与dom叠加的形式还原地表的地质现象。该系统在很大程度上提升了野外采集编录系统的实用价值，然而，其主要的不足在于其精度仍还难以完全满足实际勘察的需求。
3.在还原三维世界的真实形态方面，通过无人机航拍制作的倾斜摄影模型有着巨大的优势。各大水利水电勘察设计院纷纷将建立倾斜摄影模型作为地质分析过程的重要环节之一。在倾斜摄影模型上进行点、线、面等地质对象的绘制可以有效地解决野外数字编录过程中精度不高的问题。然而，倾斜摄影模型的数据结构复杂，国内外的各大gis平台均难以利用倾斜摄影模型实现较为复杂的空间计算。目前，利用倾斜摄影模型编录过程的一个最重要的问题是地质界线编录问题。通过鼠标在倾斜摄影模型上点选，可以计算出模型上各个点的三维坐标，通过依次连接三维坐标，即可呈现出空间三维地质界线。三维地质界线的形态有“绝对高程”和“贴地表”两种模式，其中由于地表形态是起伏的，绝对高程模型下的地质界线会被地表断断续续地遮挡，可视化效果不好，因此“贴地表”模型通常更能满足编录需求。但是，“贴地表”模式本质是空间三维多段线沿z轴垂直向下投影到倾斜摄影模型上的结果，因此当所编录的地质对象为坡度很大的悬崖峭壁时，投影出来的线会直接形成“糊”在模型上的面——这一过程采集到的坐标点数据是正确的，但可视化效果却极差，并会在很大程度上野外现场分析。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法，针对水利水电工程地质模型的特点，利用计算机图形学原理与空间几何计算，对基于倾斜摄影模型的地质界线编录的可视化过程进行优化，以提高外业地质勘察的质量与效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法，包括以下步骤：
6.a.通过点选绘制多段线的方式，在倾斜摄影模型上对地质对象的出露线进行勾绘，并通过倾斜摄影模型获取点的三维坐标序列；
7.b.计算出步骤a中三维坐标序列对应的屏幕二维坐标；
8.c.对屏幕二维坐标以及倾斜摄影模型对应位置的三维多段线进行加密；
9.d.对加密生成的三维坐标点进行微小偏移，使之高出地表一段微小的距离；
10.e.连接所有偏移后的三维坐标点，并赋以颜色和线型信息，形成地质界线。
11.步骤a中的绘制多段线采用绝对高程模式。
12.步骤a中的地质对象包括地层界线、岩性界线、断裂出露线、褶皱轴线、物理地质现象范围线、阶地界线、料场范围线以及裂隙。
13.步骤c中的加密是在绘制过程中每点选一个坐标就进行一次加密，具体步骤包括：
14.c1.获取当前点的屏幕二维坐标，进而获得该屏幕坐标对应的三维模型上的空间坐标；
15.c2.获取上一点的空间坐标，并反算出其所对应的屏幕二维坐标；
16.c3.将两个空间坐标点组成的空间线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的n个三维坐标点(p1,p2,
…
,p
n
)；
17.c4.连接两个屏幕二维坐标形成线段，将线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的一系列二维坐标点；
18.c5.求出上一步中所对应的二维坐标点序列所对应的三维空间坐标序列(q1,q2,
…
,q
n
)。
19.步骤c3和c4中的加密程度根据所绘制地质界线的延展规模、计算机的计算能力以及研究人员的具体需求确定。
20.步骤d包括：
21.d1.按顺序匹配p
i
和q
i
点，形成点对序列；
22.d2.设置限值δ；
23.d3.判断每一对(p
i
,q
i
)，如果q
i
的高程高于p
i
的点的总个数大于总点数的5％，或者存在q
i
与p
i
之间的距离大于限值δ，则需要进行下一步的偏移，否则不需要进行偏移；
24.d4.设置微小偏移量ε；
25.d5.将每一个高于p
i
的q
i
沿空间直线p
i
q
i
的方向移动ε；
26.d6.重复d2
‑
d4，直至不需要再进行点偏移；
27.d7.按顺序连接偏移后的(q1,q2,
…
,q
n
)，则形成了优化的空间地质界线。
28.步骤e构造形成的地质界线在数据库中存储时同时将偏移前和偏移后的空间坐标序列同时入库，以保证地线坐标信息的精准性和可视化展示的合理性。
29.本发明的有益效果是：考虑了水利水电工程地质特点及当前gis平台对倾斜摄影模型可视化效果的局限性，为高陡边坡上地线标绘过程提供了一种可视化优化方法，避免了地表高于地线的情况下对地线造成遮蔽的现象，使地线的三维呈现效果更清晰，从而能够更有效地辅助地质分析。
附图说明
30.图1是本发明利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法原理示意
图；
31.图2a是算法调整前的地质界线编录效果图；
32.图2b是算法调整后的地质界线编录效果图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，本发明的利用点偏移技术的陡边坡倾斜摄影模型地质界线优化方法，包括以下步骤：
35.a.通过点选绘制多段线的方式，在倾斜摄影模型上对地质对象的出露线进行勾绘，并通过倾斜摄影模型获取点的三维坐标序列；
36.b.计算出步骤a中三维坐标序列对应的屏幕二维坐标；
37.c.对屏幕二维坐标以及倾斜摄影模型对应位置的三维多段线进行加密；
38.d.对加密生成的三维坐标点进行微小偏移，使之高出地表一段微小的距离；
39.e.连接所有偏移后的三维坐标点，并赋以颜色和线型信息，形成地质界线。
40.步骤a中的绘制多段线采用绝对高程模式。
41.步骤a中的地质对象包括地层界线、岩性界线、断裂出露线、褶皱轴线、物理地质现象范围线、阶地界线、料场范围线以及裂隙。
42.步骤c中的加密是在绘制过程中每点选一个坐标就进行一次加密，具体步骤包括：
43.c1.获取当前点的屏幕二维坐标，进而获得该屏幕坐标对应的三维模型上的空间坐标；
44.c2.获取上一点的空间坐标，并反算出其所对应的屏幕二维坐标；
45.c3.将两个空间坐标点组成的空间线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的n个三维坐标点(p1,p2,
…
,p
n
)；
46.c4.连接两个屏幕二维坐标形成线段，将线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的一系列二维坐标点；
47.c5.求出上一步中所对应的二维坐标点序列所对应的三维空间坐标序列(q1,q2,
…
,q
n
)。
48.步骤c3和c4中的加密程度根据所绘制地质界线的延展规模、计算机的计算能力以及研究人员的具体需求确定。
49.步骤d包括：
50.d1.按顺序匹配p
i
和q
i
点，形成点对序列；
51.d2.设置限值δ；
52.d3.判断每一对(p
i
,q
i
)，如果q
i
的高程高于p
i
的点的总个数大于总点数的5％，或者存在q
i
与p
i
之间的距离大于限值δ，则需要进行下一步的偏移，否则不需要进行偏移；
53.d4.设置微小偏移量ε；
54.d5.将每一个高于p
i
的q
i
沿空间直线p
i
q
i
的方向移动ε；
55.d6.重复d2
‑
d4，直至不需要再进行点偏移；
56.d7.按顺序连接偏移后的(q1,q2,
…
,q
n
)，则形成了优化的空间地质界线。
57.步骤e构造形成的地质界线在数据库中存储时同时将偏移前和偏移后的空间坐标序列同时入库，以保证地线坐标信息的精准性和可视化展示的合理性。
58.步骤c中的加密过程是在绘制过程中逐步进行的，即每点选一个坐标就进行一次加密，而非绘制完整个多段线后统一加密，以消除动态旋转、移动或缩放模型导致的坐标系统不一致的问题。
59.步骤e构造形成的空间多段线是为了更好的视觉呈现，以辅助空间分析，在数据库中存储是需要同时将偏移前和偏移后的空间坐标序列同时入库，以保证地线坐标信息的精准性和可视化展示的合理性。
60.本发明提高在倾斜摄影模型上进行地质界线编录时的三维可视化效果。
61.下面结合一实例进行详细的说明：
62.本实施例采用的gis平台为surpermapiobject 10i。具体包括以下步骤：
63.步骤a.通过点选绘制多段线的方式，在倾斜摄影模型上对地质对象的出露线进行勾勒描绘。通常gis平台对点、线、面等空间几何对象提供“贴模型”和“绝对高程”量模式，其中“贴模型”是指将空间几何对象沿z轴垂直向下投影到倾斜摄影模型上，而“绝对高程”是指直接在空间顺次连接各个坐标点形成空间多段线。这里需要采用绝对高程模式。
64.线类型的地质对象包括地层界线、岩性界线、断裂出露线、褶皱轴线、物理地质现象范围线、阶地界线、料场范围线以及裂隙。
65.步骤b.在绘制过程中，利用gis平台提供的“由屏幕点计算空间坐标点”的函数，在倾斜摄影模型获取点的屏幕坐标及对应的三维坐标序列。
66.步骤c.对屏幕坐标以及倾斜摄影模型对应位置的三维多段线进行加密，该加密过程是在绘制过程中逐步进行的，而非绘制完多段线后统一加密，也就是说每点选完一个坐标点即进行依次加密，具体步骤进一步包括：
67.步骤c1.获取当前点的屏幕坐标，利用“由屏幕点计算空间坐标点”函数获得该屏幕坐标对应的三维模型上的空间坐标；
68.步骤c2.获取上一点的空间坐标，并利用“有空间坐标点计算屏幕点”函数反算出其所对应的屏幕坐标；
69.步骤c3.将两个空间坐标点组成的空间线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的n个三维坐标点(p1,p2,
…
,p
n
)；
70.步骤c4.连接两个屏幕坐标形成线段，将线段平均分成n
‑
1份，并提取出所对应的一系列二维坐标点；
71.步骤c3和c4中的加密规则要按照如下规则：
72.(1)确定两个空间坐标点之间的距离，及相应两个屏幕坐标点之间的像素距离；
73.(2)如果两个距离的比值在100:1以内，则以2米为间距进行加密；
74.(3)如果两个距离的比值在100:1到200:1之间，则以4米为间距进行加密；
75.(4)如果两个距离的比值在200:1到500:1之间，则以10米为间距进行加密；
76.(5)如果两个距离的比值在500:1到1000:1之间，则以20米为间距进行加密；
77.(6)如果两个距离的比值在1000:1到2000:1之间，则以40米为间距进行加密；
78.(7)如果两个距离的比值在2000:1到5000:1之间，则以100米为间距进行加密；
79.(8)如果两个距离的比值在5000:1到10000:1之间，则以200米为间距进行加密；
80.(9)如果两个距离的比值在10000:1到25000:1之间，则以500米为间距进行加密；
81.(10)如果两个距离的比值在25000:1到50000:1之间，则以1000米为间距进行加密；
82.(11)如果两个距离的比值在50000:1到100000:1之间，则以2000米为间距进行加密；
83.(12)如果两个距离的比值在100000:1到200000:1之间，则以4000米为间距进行加密；
84.(13)如果两个距离的比值在200000:1到250000:1之间，则以5000米为间距进行加密；
85.步骤c5.求出步骤c4中所对应的二维坐标点序列所对应的三维空间坐标序列(q1,q2,
…
,q
n
)。
86.步骤d.对三维坐标点进行选择性的微小偏移，具体步骤包括：
87.d1.按顺序匹配p
i
和q
i
点，形成点对序列；
88.d2.设置限值δ；
89.d3.判断每一对(p
i
,q
i
)，如果q
i
的高程高于p
i
的点的总个数大于总点数的5％，或者存在q
i
与p
i
之间的距离大于限值δ，则需要进行下一步的偏移，否则不需要进行偏移；
90.d4.设置微小偏移量ε；
91.d5.将每一个高于p
i
的q
i
沿空间直线p
i
q
i
的方向移动ε；
92.d6.重复d2
‑
d4，直至不需要再进行点偏移；
93.d7.按顺序连接偏移后的(q1,q2,
…
,q
n
)，则形成了视觉效果较为理想的空间地质界线。
94.上述的调整过程的原理如图1所示。
95.步骤e.连接所有偏移后的三维坐标点，并赋以颜色和线型信息，形成地质界线，如图2a、2b所示。
96.最后，将偏移前和偏移后的空间坐标序列同时导入数据库，以保证地线坐标信息的精准性和可视化展示的合理性。
97.以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。