复杂地质体模型切割方法的可靠性研究

复杂地质体模型切割方法的可靠性研究左泽均信息工程学院

根据本人参与地调信息类项目多年的经验（牵头单

位是中国地质调查局发展研究中心），感觉地学信息化水平仍很低，虽持续立项，经历长足发展（折腾），充其量只被看作一个好的“仓库管理员”，并未通过有亮点（闪耀）的工作来真正赢得地调专家的“心”，即无法通过既有信息，获得超越专家想象的知识或信息。

从信息化的角度来看，费力积累的海量信息，面临威胁：人没了，数据还在，有等于没有，直接原因是多数据版本+软件多版本。另一方面，按照信息化的要求，准备足了各种数据，被冠上了大数据的帽子，但是大数据时代的热切期望是挖掘出新知识（邬荃贺），信息人员把任务揽在自己身上，把主要目光转到寻找合适的挖掘方法上，但是有没法交差，目前仍难从大数据中获益。目前可行的实践就是在完善好数据建库的工作后，把一些常用的成熟方法做成软件工具集（赵鹏大）。地学信息技术（主要作用于地下）与地理信息技术（主要作用于地表）相比，存在显著不同：数据获取手段的主次；（地/物/化/遥/。。。。。。。）获得的数据时间跨度较长，即时变性小，既是优点也是缺点1.地质体建模产品简介3.软件可靠性2.模型切割方法简介4.切割方法的可靠性启示5.相关研究介绍6.总结与展望内容提纲地质体模型的建模☆产品体系☆建模工具☆产品应用建模工具所建的模型是目前被切割的主要数据源和被操作对象，为了更好地掌握其成因机理，需对建模的前后进行较全面的调研作为模型切割技术的研究背景地质建模工具产品体系开发平台产品技术产品功能MapGISIGSS3D平台数据库、GIS、三维地质建模、三维可视化数据获取、处理、标准化、辅助成图、地质建模、分析信息网络发布面向行业城市地质、地质灾害三维地质填图、数字矿山以3DGIS思想为主导三维地质建模工具产品工程地质建模水文地质建模矿山地质建模属性建模基岩地质建模第四系地质建模

具有标准分层的“多源数据耦合层状地质体建模”：对层状地质体，在区域内具有标准层序，可将钻孔、剖面、等值线图等多源数据同时约束进来，结合地质学的规律，根据层间的叠覆关系，自动构建各个地层面，进而建立整个区域的地层实体模型。钻孔数据高程点数据基岩埋深等值线基岩出露区工程地质剖面基岩出露区等高线遥感影像贴图1工程地质三维建模

提供面向过程的地质体建模与动态模拟分析工具：可构建水文地质三维模型，并进行某地区地下水位变化与地质结构融合的动态演变模拟。2水文地质三维建模

提供面向过程的地质体建模与动态模拟分析工具：可构建水文地质三维模型，并进行某地区地下水位变化与地质结构融合的动态演变模拟。2水文地质三维建模

约束地层分布范围的地质体自动建模：包含一系列的分区图构建、数据源检查、地质面构建、地质体构建、模型效果调整工具，按照自上而下、由粗到精，先建大层，再建小层的思想进行模型构建。3第四系地质三维建模

约束地层分布范围的地质体自动建模：包含一系列的分区图构建、数据源检查、地质面构建、地质体构建、模型效果调整工具，按照自上而下、由粗到精，先建大层，再建小层的思想进行模型构建。3第四系地质三维建模特点：交互捕捉撤销重做机制快速搜索自动添加辅助线透镜体构建规则

基于交叉剖面“单元格划分”复杂地质体交互建模：将封闭单元格列出后，利用单个单元格内一系列闭合轮廓线建立起曲面片，进而确定该单元格内所有地质体的空间几何形态。研究区三维剖面结构空间交叉剖面单元格划分单元格块体组合构建层面某单元格内块体拼接成体整体三维地质模型4基岩地质三维建模提供从三维模型切割生成三维中断面和三维剖面，并转换为二维格式的工具，丰富了地质工作手段。三维中断面二维图形4基岩地质三维建模

基于实际材料图、野外PRB、少量剖面，可快速自动构建区域三维初始结构模型，使地质填图“由二维走向三维”。随着工作程度的加深，建模数据源的增加，地质模型的精确度不断提高。1.“实际材料图+产状”构建初始三维模型2.“实际材料图+产状+剖面”完善初始三维模型5三维地质填图建模

采用地质图结合产状信息，下推生成产状面，进而建立基岩地质三维结构模型。平面地质图将平面地质图转为2.5D地质图通过测点的产状信息，并结合地质读图得到的构造信息，向下推断，得到地层模型地质模型爆炸，分析各地层的形态，若不满足要求，则进行调整5三维地质填图建模提供矿区地形、勘探工程、矿体、采空区等一系列建模工具。地形、地理底图、勘探工程6三维矿山建模三维采空区储量模型地质属性参数建模与可视化分析

带约束条件的三维距离反比插值建模三维空间统计学的Kriging插值建模基于神经网络的多维地质非线性插值建模提供基于面绘制与直接体绘制等可视化方法提供三维剖切、等值面提取、等值线套合等分析功能属性体模型等值面追踪等值体追踪属性模型剖切7属性建模在网络上实现多源、多尺度、多模式、异构的地理空间信息共享，海量空间数据的分布式分析等三维空间信息共享，为用户提供更完善的海量三维GIS的动态分析和服务。8三维模型共享与发布为城市规划与工程建设选址服务三、产品应用三、产品应用为地下空间开发适宜性评价服务

地下空间环境岩土工程评价：从岩土的工程性质、开发条件和环境影响等方面综合评估，确定未来城市发展适宜地下空间开发的地段和高风险区，为地下空间可利用规划编制与修编提供必要的信息。为地面沉降监测与防治研究服务三、产品应用结合水文地质结构模型、地下水采灌及地下水位动态，进一步研究地面沉降规律和机理，有针对性制定控制措施。地铁安全运营管道损毁为城市地下水资源可持续开发与保护规划研究服务三、产品应用

战略应急水源地评价：评价战略应急水源地的分布格局、水量、开采时限及优化配置的技术方案；在三维水文地质结构的基础上，建立地表水-地下水耦合模型，为地下水资源可持续开发与保护规划研究提供依据。复杂地质体建模问题侵入体模型火山沉积模型200条断层，800平方公里，建模时间30小时1500条断层，2000平方公里，建模时间45小时辅助自动化建模模型分析应用模型切割技术在建模中的作用“三维模型有意义分割技术现状及应用”三维模型分割是三维模型网格造型、重构和可视化分析的关键技术之一1.实践需求强烈、迫切，基本上都是边做边研究边改进，基本上都是当成工程问题来被重复地做和改进，并未上升到理论研究的层次2.参照地理角度：2d地图-》3d地图（景观）。稳步推进，逐步的基本地满足地图可视化分析的需求，属于锦上添花。但是地下空间应用对3D的需求不可同日而语，理所应当地基本功能需求。所以应该有跨越式发展的举措，必须选择从理论层面进行规范和提升实践或研究的层次从定性到定量分析，然后进行可靠性评价：其过程与软件工程类似，先有软件工程，然后才有软件质量与可靠性问题的研究，计算机本身存在的可靠性隐患，必须进行可靠性设计模型切割技术发展现状分析。模型切割技术发展阶段预测可靠性分析与设计

可靠性也称容错性，一般分为容错性分析和容错性设计两方面，有时容错性设计也称容错性综合．容错性研究指的是假设实施路径上的节点和连线以独立且相等概率失效情形下的可靠性分析,可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。

旨在对过程进行质量控制，侧重于可靠性模型的设计，如数据库技术比较成功，空间（物理）隔离性大数据时代的空间方法学1.软件的方法 虚拟、可视化模拟的方法，满足可视化分析的要求2.空间分区（化）的方法 度量、相似性感知与推理3.移动的方法、路径化与网络化 均衡化/群众化的方法4.对倒的方法

互易原理5.模型化的方法

从理论上寻求完备的方法一种软件可靠性定量评估的方法利用Nelson模型精确测定系统软件各模块的可靠性替代硬软件复合系统结构模型中的经验数据,解决了由于经验不足而无法应用硬软件复合系统结构模型的问题采用推理方法提高多面体Boolean运算的可靠性基于贝叶斯网络的多阶段系统可靠性分析模型异构分布式系统DAG（有向无环图）可靠性模型与容错算法提高线切割机可靠性方法初探有人关注：1.不是针对地质建模问题2.理论研究深度不够基于马尔科夫随机场的三维网格模型分割算法研究可靠性验证试验方法研究——利用调试数据进行综合分析与评价可靠性指标的规定(1)可靠性下限值可靠性下限值是产品满足使用要求时所必须具有可靠性最低水平。(2)可靠性目标值可靠性目标值是产品达到成熟状态的可靠性水平。(3)可靠性指标应分阶段规定和验收根据可靠性增长理论和实际应用结果，在开发研制过程中，在不同阶段，所能达到的可靠性水平不同。（4）可靠性指标的规定不是一成不变的，是将理论分析结果和实际应用情况进行分析综合所得，因而在开发研制逐步成熟的过程中，可不断地补充和完善。可靠性特征量(1)平均故障间隔时间MTBF(2)可靠度R(t)故障判据(1)相关故障(2)非相关故障试验方法1.可靠性试验前的处理2.根据调试数据进行分析评定的试验方法基于失效数据的软件可靠性评估及分析工具的实现

人脑式电脑具学习能力模拟神经系统懂随机应变

人脑与电脑最大区别之一，在于电脑遇到错误时不会随机应变，但这死症有望借一项新技术解决。据国外媒体报道，一种懂得“随机应变”的电脑预定明年首次推出市场，为电脑运算和设计揭开新的一页。遇到程序出错时，会懂得“转弯”，不致死机。报道称，以往电脑运算相当死板，像单程路，若遇上障碍便会死机（达不到目的）。美国加州理工学院物理学家米德1980年代提出新概念，增多电脑的运算途径，若其中一条途径受阻，便可改用另一条完成运算。谷歌研究员去年运用这种运算理念，让一部电脑在无人监管的条件下，通过扫描1000万张图片“自己学懂”如何辨认一只猫。加州通讯与资讯科技研究所总监斯马表示，这项新技术的出现将有助于安全地步行或驾驶的机械人的研发非线性模型，多通道可达系统、技术千差万别-->实际问题分类求解常量系统有很好的可扩展性，而增量系统只有在特定的情况下才是可扩展的！现有容错方法会引起“可靠性墙”必须研究故障影响系统的规律，探索新的方法规则模型表示的切割不规则模型表示的平面切割不规则模型表示的曲面切割

搜索关键词：MeshCut模型切割技术的分类关键在面面切割模型切割技术的一般过程分析Lindenbeck三角网切割算法TRICUT步骤：1.三角形对碰撞检测获得相交的三角形对。以切割面三角网与被切割面三角网为输入，分别建立各自的OBB树，通过三维碰撞检测计算获得两个网格中所有的相交三角形对。2.基于相交三角形对，计算获得曲面交割形成的交线：对每一对相交三角形计算交点（并去除重复点）。两个相交三角形的交点计算方法有多种。一般可将三角形对求交分解为线段与三角形求交。理论上每个非共面的三角形对最多有6个交点，但去除重复点后，最多只有2个交点。计算交点时，凡是少于两个交点的情形，都不参与三角形的剖分重构过程。对计算出的交点进行排序，得到2个三角形网格之间的交线。交点的排序方法如下：在计算三角形对的交点时，对每个三角形对中计算交点对时，顺带记录下2个交点所形成的新边。按交点边首尾相邻的关系，逐段串接，就可以构成两个三角网之间的交线，从而获得有序的交点序列。对被交割的三角形进行重构三角网，相对于被裁切曲面整体来讲，为局部三角网重构)：重新三角化每个相交三角形。根据约束Delaunay三角化算法进行三角化，同时利用相交三角形重新三角化后的结果三角形（一般为2个或以上）替换原相交三角形。（即相交三角形的剖分重构）重新确定每个三角形的邻接关系。每个三角形都有3个邻接边，其中边界上和交线上的三角形的邻接三角形赋空（因为只可能保留交线一侧的三角形网格），其它的边上需要准确地确定其邻接三角形。确定方法就是根据原始的网格数据和三角化后的网格的相互拓扑关系来共同确定。根据切割面与被切割面三角网之间的边拓扑邻接关系，进行三角形追踪，获得沿着交线划分出两个不同的网格。图邻接边追踪网格示意图上述步骤所描述的TRICUT算法为基于非规则体数据的地质结构模型的剖切处理奠定了基础。在对三维地质结构模型中的每一个地质界面都进行切割处理之后，还需要将切割后所生产的每个地质块体内相邻的地质界面进行聚类与缝合（即根据相邻地质界面外边界轮廓线构造环状网格曲面），从而形成各个地质块体外边界面网格，即可生产剖切后的完整的三维地质结构模型多人协同分区建模分区建模、无缝连接

实际上，两个三角形边的平行、共面、相交于某一个点、某一条边的几何奇异现象在“随机”产生的测试例子中常常不会被碰到，因此，检测出现遗漏。而在应用中，对一个几何奇异的处理错误往往导致系统的崩溃。

考虑两个空间三角形位置的几何奇异情况，将几何奇异的现象归结为平面上少数几种简单情况：相交、相离、相叠、碰撞，便于从理论上解决几何奇异对稳定性的影响。“空间两三角形的相交问题”关键问题：交线异常分类与处理枚举边-三角形相交情况两个曲面交线有两条两个曲面重叠部分边三个曲面共享边随机断裂的网络模型

重复点分为有意义和无意义两种，有意义重复点为保持拓扑单纯性而存在，即此点去除不妥，可能会出现关联两个以上三角形的边，退化三角形产生于两个独立的三角化过程，不便处理，但采用整体处理方法，可基于静态结构局部微调重构一新三角形替换该退化三角形，然后重整拓扑，来保持拓扑的连续性。

面向构体问题：切割获得的结果面可能存在漏洞。若采用该面构成的体，后续的体分析相关操作会存在问题（洪水淹没会漏水）。总之，去除重复顶点的操作不能成为三角形退化的来源，而导致三角形变少，从而造成曲面不密封（带洞）。关于错误传播。非法三角形数目变多，处理缓冲区目前采取的是静态结构，不能采用动态调整的结构，那样会难以控制。退化三角形的两种情形：顶点重合与三点共线从“点”开始重复顶点(容差去除法)重复三角形(顶点去重前后都可能有)退化三角形(显示退化与隐式两种),显示退化可以直接去除，但是隐式不能简单去除,需慎重，妥善处理，可能造成曲面的拓扑不连续性。三角形的问题整理完后，再检测未被任何三角形引用的顶点(无用点)，理应去除，因为此类无用顶点的去除，对曲面的数据量减少有助（如可用于简化大规模的网格数据化简）；检查曲面网格中三角形边的引用计数，分类处理：

引用计数为1边为轮廓边界，

引用计数为2表示该边为相邻三角形的共享边，

引用计数大于等于3为分叉边（对涉及此情形边的三角形任选一个剔除，破坏这种分叉结构）。增强预处理把好入口、出口关

曲面内的三角形网格的重叠、自相交（求交点，交线，曲面重构、分裂与重组）、曲面分支(叉)（需要分裂重构、重组）及漏洞等复杂情形，最难处理。因为从空间形态上讲，这种曲面是允许存在的，且MapGIS的几何对象模型(CAnySurface)在存储层也没有问题，但是在后续分析操作中，极易造成混乱，须从数据要素的模型层面进行界定和约束，才可能降低空间分析操作的复杂性难点问题假定被切面为A，切割面为B：Step1.A，B相交碰撞检测：将A的所有三角面，按与B相交与否，分为2类，形成两个子面片：A1（不相交的），A2（相交的）Step2.将A1根据三角形拓扑邻接的原则，进一步细分为A1（1），A1（2），。。。。。。，A1（n）子面片；Step3.A2与B进行切割操作；切割获得结果为m个子面片：A2（1），A2（2），。。。。。。，A2（m）Step4.首先统一B面中所有三角形方向，为“分边”计算A2中的各三角形落在B的哪侧作准备；任取面片中某三角形的重心为待测点，计算出面片落在B的哪侧；计算A1系列面片落在B的哪侧；对A1，A2所有子面片（n+m），按内，外两侧分为两个CMultiSurface：MA1，MA2Step5.对MA1，MA2分别调用Merge函数整理；剖分重构后，使用不同层次的逻辑信息（未切割的三角形即与红线相离、对新三角形使用点在切割面哪侧进行精确判定：（1）将被切割面中的未切割过的源三角形，归为第0类；此类三角形与红线相离（几何空间上不存在任何接触）；（2）将切割生成的新三角形，调用点（取三角形的重心点用于判断）在曲面的内侧还是外侧的判断函数，判断新三角形是落在切割面的内侧还是外侧（该函数需要优化），归为第1类或第2类。（3）判定新三角形是否有边正好与“红线”贴合(边正好与某段交线段重合/边与连续的几段共线的交线重合)，在分边追踪过程中则可使用上述信息，依据如下规则进行子面片的邻接三角形追踪聚类：当前三角形与搜到的邻边三角形，若都属于第0类，该邻边三角形可作为新的搜索种子（其三边均可作为搜索方向），则直接加入下一轮搜索列表；否则，判定当前三角形与其搜到的邻边三角形，是位于切割面的同侧还是异侧。异侧直接抛弃，同侧则可加入搜索表，并进一步判定其哪些边可作为新

搜索方向拓扑与空间方法结合，提高切割算法的稳健性。拓扑判定保证计算效率，空间方法摆脱拓扑异常可能带来切割异常

交线虽是切割算法产生的结果数据之一，但交线计算的正确性与切割相互依存，且算法不可过于依赖于它用于分边。

重点在分析确认被切割面交割三角形获得子面片的彻底性与完备性，尽一切可能解决因几何奇异性造成的错切、漏切、部分切问题（即切割结果无法覆盖源三角形区域）。

不能依靠单一计算精度保障可靠性，因为可靠性本质上属于一类复杂问题，造成不可靠的来源很多，并不能指望单一的空间计算来充分保证。实际工作中也证明很多时候，可靠性是依靠故障后的持续改进来增强的，所以依靠事后的必要信息进行逆反馈来自动化地增强可靠性也是合情合理的。“通过视觉认知心理学对三维模型分割”有意义的分割（语义分割）

交线段计算不得遗漏，需要提供必要的计算后侦测手段，侦测哪段交线可能遗漏，以主动侦测计算弥补被动计算的不足，即可在可靠性中增加智能性诊断的策略具体来说，可增加趋势、形态及轮廓等全局特征指标，以满足视觉连续性、完整性要求，事后处理主导的方式（被动），转变为主动的预判。把人类视觉对结构、群组、骨架等典型空间分布形态的全局掌控或识别能力转化为机器智能，另外，目前对三维空间几何奇异性分析与判断，根本上除了数学分析方法外，还依赖人类视觉的空间感知技能的局部细节分辨力，全局与局部相结合也是一般技术理论的逻辑基础。相关研究的综述性介绍重点项目：863计划“地理空间的三维建模和分析软件及其应用示范”（1）三维GIS软件系统总体框架与数据模型研究建立可扩展的、高可用性的三维GIS软件体系结构；发展地上下空间实体且顾及空间关系与语义关系的数据模型、符合地质体空间特性的三维地质模型与地下设施的多模式表达模型、综合表达空间与专题语义的多层次三维建筑模型；提出和制定多源、多尺度三维空间信息的集成表示研究及其技术规范与标准。（2）三维空间分析组件研发包括空间数据切割、地质过程模拟分析、地质体的布尔运算和多种矢量剪切分析等。（3）三维空间建模与可视化研究制定满足多源数据集成需要和可视化分析应用的建模技术标准与规范；研究地面物体、复杂地质结构和地下设施的高效精确建模方法与质量控制；多源数据三维集成建模工具与顾及感知和语义的三维复杂模型自动简化工具。真三维空间索引支持下的复杂地学模型剪切技术研究