本發(fā)明涉及一種根據(jù)水電水利工程地質(zhì)野外勘測數(shù)據(jù)進行計算機地質(zhì)建模、模擬和分析的系統(tǒng)，特別涉及水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水電水利工程地質(zhì)勘察是水電水利工程在可行性研究階段、設(shè)計階段和施工階段的重要工作內(nèi)容，是工程設(shè)計、施工和運行的重要依據(jù)和保障。但由于現(xiàn)場條件所限，工程地質(zhì)勘測的手段較單一，勘測過程不便捷，其編錄成果的準(zhǔn)確性和適用性取決于地質(zhì)工作者本身的經(jīng)驗和技術(shù)水平，許多行業(yè)內(nèi)外先進的技術(shù)經(jīng)驗并未即時部署到生產(chǎn)實踐一線。主要體現(xiàn)為:

(1)野外勘測記錄多是利用表格、素描、照片，記錄手段單一，編錄繁瑣；

(2)實際編錄過程多是基于二維平面地質(zhì)圖，編錄成果也多以二維圖件方式展示，不直觀；

(3)編錄記錄和編錄圖件關(guān)聯(lián)性較弱，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；

(4)編錄的數(shù)據(jù)成果不能立即展示，所獲得的數(shù)據(jù)很難通過現(xiàn)場實時檢查以糾正潛在錯誤，不利于野外編錄作業(yè)的進一步展開；

(5)后方地質(zhì)建模分析工作與前方現(xiàn)場編錄工作相分離，不利于地質(zhì)數(shù)據(jù)的一體化處理。

隨著計算機技術(shù)的興起，水電水利工程野外地質(zhì)勘查也開啟了數(shù)字化和信息化的轉(zhuǎn)型模式。三維實景與傾斜攝影建模技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)、計算機圖形學(xué)及數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)建數(shù)字化地質(zhì)信息與三維地質(zhì)模型系統(tǒng)創(chuàng)造了條件；同時，計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)字影像技術(shù)、模型信息快速展示方法和移動設(shè)備的廣泛使用，為野外環(huán)境下的工程地質(zhì)編錄工作和三維地質(zhì)填圖設(shè)計提供了新思路和新方法。

近年來，針對地質(zhì)三維可視化和三維地質(zhì)填圖的研究絡(luò)繹不絕，也有諸多研究成果和工程應(yīng)用，但大多是面向礦山、油藏等資源勘探行業(yè)，鮮有針對工程地質(zhì)勘查的研究應(yīng)用，實用性也不足。同時，水電工程地質(zhì)其獨有的背景和特殊的需求，又為其工程地質(zhì)的編錄提出了一定的要求。因此，考慮從地質(zhì)勘查的總體需求出發(fā)，針對水電工程的特點，結(jié)合行業(yè)內(nèi)外先進的技術(shù)手段，設(shè)計開發(fā)一套水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖裝置系統(tǒng)尤為必要。胡亞東^[1]等研究了涉及一種水電工程地下洞室的地質(zhì)編錄技術(shù)；張國寶^[2]等公開了一種勘探平洞編錄的信息化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和方法，主要解決勘探平洞編錄數(shù)據(jù)采集的信息化，實現(xiàn)勘探平洞編錄的數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化、無紙化、信息化；張夏林^[3]等公開了一種基于野外編錄數(shù)據(jù)和自動制圖綜合的鉆孔柱狀圖編繪技術(shù)，主要完成的是數(shù)據(jù)的錄入與存儲；這些對于地質(zhì)信息的保存有一定的意義，但缺少對于數(shù)據(jù)的快速分析；任治軍^[4]等公開了一種基于網(wǎng)絡(luò)和安卓系統(tǒng)的地質(zhì)編錄采集系統(tǒng)及管控方法，包括模塊：工程管理模塊、項目策劃模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和后臺維護模塊，對于地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理有所提升，但同樣存在數(shù)據(jù)快速分析不足的特點；結(jié)合模型進行分析^[5]，并對已有信息進行快速推求是野外地質(zhì)作業(yè)的特點。針對這一特點，本次開發(fā)的裝置系統(tǒng)不僅可以編錄地質(zhì)信息，同時可以進行快速分析，輔助地質(zhì)勘探活動。

參考文獻：

[1]胡亞東，楊靜熙，張世殊，等.一種水電工程地下洞室的地質(zhì)編錄方法[P].發(fā)明專利ZL201610135833.8，2016

[2]張國寶，宮海靈，李進敏，等.一種勘探平洞編錄的信息化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和方法[P].發(fā)明專利ZL201510531920.0，2015

[3]張夏林，吳沖龍，李章林，等.基于野外編錄數(shù)據(jù)和自動制圖綜合的鉆孔柱狀圖編繪方法[P].發(fā)明專利ZL201510375828.X，2015

[4]任治軍，蔡升華，任亞群，等.基于網(wǎng)絡(luò)和安卓系統(tǒng)的地質(zhì)編錄采集系統(tǒng)及管控方法[P].發(fā)明專利ZL201510224786.X，2015

[5]鐘登華，李明超，劉杰，等.水電水利工程地質(zhì)信息的三維統(tǒng)一模型構(gòu)建方法[P]，發(fā)明專利ZL200610013425.1，2006

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提出一種水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)技術(shù)中無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的方案是：

水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)包括航攝影像采集設(shè)備、圖形工作站、電腦終端和便攜式陸攝影像采集設(shè)備，軟件系統(tǒng)包括地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)、地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、三維可視化與分析子系統(tǒng)、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和交換子系統(tǒng)；

所述地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)通過航攝影像采集設(shè)備獲取欲編錄地質(zhì)區(qū)域的影像信息，利用圖形工作站處理合成數(shù)字三維地形實景，并導(dǎo)入電腦終端中，作為后續(xù)所有地質(zhì)填圖工作的底圖；

所述地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)運行于電腦終端之中，將所有編錄類型的地質(zhì)對象和地質(zhì)信息按照事先設(shè)計的地質(zhì)編錄記錄數(shù)據(jù)表記載存儲，并將關(guān)鍵幾何信息及地質(zhì)屬性展示在三維地形實景上；

所述地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)運行于電腦終端之中，協(xié)同便攜式陸攝影像采集設(shè)備，提供一系列地質(zhì)點、線、地表區(qū)域等繪制工具，將三維地形實景上的臨時標(biāo)繪類型的地質(zhì)點、地質(zhì)界線和地質(zhì)區(qū)域進行實時繪制并記錄保存；

所述三維可視化與分析子系統(tǒng)運行于電腦終端之中，負責(zé)三維地形實景的渲染和所有編錄型和繪制型地質(zhì)對象的展示、分析和處理；

所述工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和交換子系統(tǒng)運行于電腦終端之中，負責(zé)存儲在三維地形實景上記錄的所有地質(zhì)對象和所有的分析數(shù)據(jù)，并對外提供幾何模型數(shù)據(jù)接口，將分析生成的地質(zhì)模型導(dǎo)入其他地質(zhì)平臺中進行后續(xù)操作。

作為進一步優(yōu)化，所述地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)獲取欲編錄地質(zhì)區(qū)域的影像信息，具體包括：通過陸測或航攝獲取欲編錄區(qū)域的DOM和DEM，將DOM和DEM疊加合成為數(shù)字三維地形場景；

或者，通過無人機傾斜攝影獲取欲編錄區(qū)域的三維地形點云模型，將三維地形點云模型重構(gòu)網(wǎng)格表面成為數(shù)字三維地形場景。

作為進一步優(yōu)化，所述地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)所處理的地質(zhì)對象為記錄地質(zhì)屬性信息的編錄類型數(shù)據(jù)集合，采用分層數(shù)據(jù)模型作為地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，適用于處理鉆探、硐探、坑探、井探、槽探等地質(zhì)數(shù)據(jù)。

作為進一步優(yōu)化，所述分層數(shù)據(jù)模型是針對地質(zhì)對象的不同屬性以深度值作為索引的層次數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)。

作為進一步優(yōu)化，所述地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)所處理的地質(zhì)對象為記錄地質(zhì)幾何信息的繪制類型數(shù)據(jù)集合，所繪制的地質(zhì)對象的幾何信息以三維地形實景為參考底圖，適用于處理地質(zhì)點、地質(zhì)界線和地質(zhì)區(qū)域等地質(zhì)數(shù)據(jù)。

作為進一步優(yōu)化，所述三維可視化與分析子系統(tǒng)采用層次細節(jié)技術(shù)優(yōu)化三維地形實景的地形渲染效果，并提供地形場景和地質(zhì)對象的聯(lián)合展示和瀏覽功能；其還能夠?qū)鼍暗匦魏偷刭|(zhì)對象的幾何形態(tài)進行地質(zhì)分析，并生成相應(yīng)的分析模型和分析結(jié)果。

作為進一步優(yōu)化，所述工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和交換子系統(tǒng)是系統(tǒng)內(nèi)所有地質(zhì)對象的數(shù)據(jù)倉庫，其中存有編錄類型地質(zhì)對象的地質(zhì)屬性信息和繪制類型地質(zhì)對象的幾何模型信息，同時還能存儲地質(zhì)分析結(jié)果及其分析模型信息；其通過幾何數(shù)據(jù)接口與系統(tǒng)外的地質(zhì)平臺進行數(shù)據(jù)交換和處理。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明充分利用工程地質(zhì)編錄現(xiàn)場的信息資料，將三維地形實景和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)充分融合，針對工程地質(zhì)野外編錄需求提供了快速分析、快速建模的功能，為工程地質(zhì)野外編錄作業(yè)提供數(shù)字化、智能化、三維可視化的解決方案。

附圖說明

圖1為水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)構(gòu)架圖；

圖2為基于本發(fā)明的野外編錄填圖系統(tǒng)的操作流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)，用以根據(jù)野外地質(zhì)勘測獲得的地質(zhì)編錄信息在數(shù)字三維場景中進行標(biāo)記、繪制、處理和分析的工程地質(zhì)野外輔助系統(tǒng)。

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的方案作進一步的描述：

參照圖1和圖2，本發(fā)明中的水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)包括航攝影像采集設(shè)備、圖形工作站、電腦終端和便攜式陸攝影像采集設(shè)備，軟件系統(tǒng)包括地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)、地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、三維可視化與分析子系統(tǒng)、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和交換子系統(tǒng)。

在具體實施上，通過WinForm和WPF編制的用戶界面，將地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)、地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和三維可視化與分析子系統(tǒng)四個大的子系統(tǒng)集成在一起，便于用戶操作。

地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基石；地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)是功能核心，兩者定義了系統(tǒng)中的兩種主要地質(zhì)數(shù)據(jù)類型的創(chuàng)建、存儲、分析、管理等核心功能；三維可視化與分析子系統(tǒng)將前三個子系統(tǒng)整合成為一個有機的整體，并在前三者所提供的強大的圖形平臺和完善的地質(zhì)數(shù)據(jù)的支持下，提供一系列建模、分析和預(yù)測等功能。系統(tǒng)底層由自主開發(fā)的數(shù)據(jù)管理平臺作為數(shù)據(jù)支持，主要由實景地形數(shù)據(jù)庫、編錄記錄數(shù)據(jù)庫、測繪繪制記錄數(shù)據(jù)庫和模型部件數(shù)據(jù)庫。其中，針對模型部件數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)特別為其開發(fā)了幾何模型數(shù)據(jù)的通用交換接口，該接口可將數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的幾何模型部件以明碼格式和后續(xù)相關(guān)地質(zhì)平臺進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)從野外現(xiàn)場采集、到地質(zhì)精細建模乃至地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)通路。

地形場景創(chuàng)建是整個系統(tǒng)三維可視化與分析的基石與平臺，其中承載著系統(tǒng)底層圖形平臺的基本功能和三維實景地形的渲染和分析。地形場景創(chuàng)建又可分為大尺度地形場景和編錄區(qū)域局部場景。其中，前者利用無人機、航拍飛機等空天設(shè)備通過傾斜攝影技術(shù)，使用圖形工作站生成大尺度地形場景，為后續(xù)的野外地質(zhì)編錄工作提供三維場景支持。后者利用三維實景技術(shù)，對欲編錄地質(zhì)區(qū)域的地形和貼圖進行精細化處理，使局部區(qū)域的三維地圖能最大程度還原真實地形。

地質(zhì)信息采集是整個系統(tǒng)的功能核心，其承擔(dān)著編錄類型地質(zhì)數(shù)據(jù)的記錄、提取、擬合等功能和繪制類型地質(zhì)數(shù)據(jù)的記錄、定位、升維解譯等功能。編錄類型數(shù)據(jù)主要采用結(jié)構(gòu)化存儲模式，以分層屬性數(shù)據(jù)模型來保存和管理。該數(shù)據(jù)模型的底層架構(gòu)由多維哈希表實現(xiàn)，以層類和層序作為索引鍵，完整有序地保存編錄類型數(shù)據(jù)的各個屬性信息，同時還能在常數(shù)時間內(nèi)實現(xiàn)信息的查找與提取。繪制類型數(shù)據(jù)的存儲主要采用數(shù)據(jù)記錄和幾何模型雙向關(guān)聯(lián)綁定的模式，在記錄數(shù)據(jù)的同時一并保存相應(yīng)的幾何模型，極大方便后期的地質(zhì)模型重建和分析工作。

在完成地形場景創(chuàng)建和地質(zhì)信息采集后，該系統(tǒng)采用GIS技術(shù)和模型記錄定位技術(shù)將地形場景和地質(zhì)信息耦合呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)野外地形地貌和地質(zhì)模型的實時展示與快速分析，為野外地質(zhì)勘測提供實時指引，也為后續(xù)的精細化地質(zhì)建模與分析提供草圖和依據(jù)。

本發(fā)明的一個實施例如下：

某水電水利工程處于設(shè)計施工階段，需要對庫區(qū)及其周邊地區(qū)的地質(zhì)情況作詳細測繪，以準(zhǔn)確評價工程地質(zhì)條件，為工程設(shè)計施工提供依據(jù)。利用本發(fā)明所述的水電水利工程地質(zhì)三維實景野外編錄填圖系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))，對該工程地質(zhì)區(qū)域提供三維實景數(shù)字編錄支持，準(zhǔn)備如下設(shè)備：

(1)航攝影像采集設(shè)備：大疆經(jīng)緯M600 Pro(搭載航拍攝像機)；

(2)移動圖形工作站：戴爾Precision 3510(搭載地形場景構(gòu)建子系統(tǒng))；

(3)支持觸控操作的Windows平板電腦：臺電X2 Pro(搭載地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、地質(zhì)繪制數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、三維可視化與分析子系統(tǒng)和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和交換子系統(tǒng))

(4)GPS、電子羅盤：Gisble三維電子羅盤；

(5)便攜式陸攝影像采集設(shè)備：佳能EOS 70D套機。

借助本系統(tǒng)，按照如下方式開展工程地質(zhì)野外編錄作業(yè)：

1、通過航攝影像采集設(shè)備，獲取庫區(qū)及周邊地區(qū)的大量航攝影像，并通過設(shè)備自動記錄影像的位置信息和外方位元素信息。

2、將航攝影像和對應(yīng)的航攝信息導(dǎo)入圖形工作站中的地形場景構(gòu)建子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)將自動解算生成庫區(qū)及周邊地區(qū)的三維地形實景。

3、將解算生成的三維地形實景，從圖形工作站中傳輸至支持觸控操作的Windows平板電腦(以下簡稱平板電腦)，并導(dǎo)入至系統(tǒng)中。

4、連接后臺數(shù)據(jù)庫，載入對應(yīng)的工程信息，若數(shù)據(jù)庫中已有地質(zhì)數(shù)據(jù)，可選擇導(dǎo)入系統(tǒng)中。

5、連接GPS、電子羅盤，獲取野外現(xiàn)場當(dāng)前所處實時位置，標(biāo)示在系統(tǒng)中。

6、編錄地質(zhì)數(shù)據(jù)：在三維地形實景上標(biāo)定欲編錄地質(zhì)對象的空間位置，系統(tǒng)自動獲取其大地坐標(biāo)，并根據(jù)地質(zhì)對象類型呼出對應(yīng)的地質(zhì)對象編錄界面；用戶根據(jù)野外實際勘探情況填寫信息條目，完成地質(zhì)信息編錄。

7、繪制地質(zhì)模型：根據(jù)野外實際勘探情況，針對地質(zhì)對象的地表出露情況，用戶在系統(tǒng)三維地形實景中依靠坐標(biāo)定位，實時錄入地質(zhì)點，繪制地質(zhì)界線、地質(zhì)區(qū)域等。

8、系統(tǒng)根據(jù)三維實景地形內(nèi)的地質(zhì)信息，為用戶提供野外實時地質(zhì)信息總覽和地質(zhì)成果綜合視圖。

9、系統(tǒng)根據(jù)三維地形實景中的地質(zhì)對象，為用戶提供野外現(xiàn)場快速建模功能和實時分析功能，包括：地質(zhì)影像標(biāo)記快速解譯建模、地質(zhì)堆積體快速擬合建模、多點快速擬合地質(zhì)元素、多點產(chǎn)狀數(shù)據(jù)快速擬合地質(zhì)曲面、地質(zhì)塊體快速評價分析等。