CN115100373B 地表与地下环境三维一体化表征方法、装置、介质及设备（中南大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(65)同一申请的已公布的文献号路932号(74)专利代理机构长沙轩荣专利代理有限公司专利代理师丁耀鹏(54)发明名称地表与地下环境三维一体化表征方法、装本发明提供了一种地表与地下环境三维一获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN模型，将目标区域的地表纹理赋予TIN模型，形成地表实景模型；步骤2,对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；步骤3,对地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维一步骤1,获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角步骤1,获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云步骤2,对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；步骤3,对所述地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定所述地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维21.一种地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，包括：步骤1,获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN模型，并将目标区域的地表纹理映射至TIN模型，形成地表实景模型；步骤2,对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；步骤3,对所述地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定所述地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。2.根据权利要求1所述的地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，所述步骤通过无人机获取目标区域的地表数据，所述地表数据包括倾斜影像、布设地面控制点将获取的地表数据导入ContextCapture中，提交空间三角测量，生成高密度点云和将目标区域的地表纹理映射至TIN模型，构建地表实景模型。3.根据权利要求1所述的地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，在所述步对地表实景模型中建筑构件的变形部分进行修补重建；采集修补重建后的地表实景模型的轮廓线；根据所述轮廓线，通过纹理贴图对地表实景模型的纹理进行细化修改。4.根据权利要求1所述的地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，在所述步基于地表数据提取高程点值，将所述高程点值赋予TIN模型中进行地形剖面图绘制，得到地形剖面图；将地质信息投影至地形剖面图，绘制岩性花纹，得到目标区域的地质剖面图。5.根据权利要求4所述的地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，所述步骤基于获取的钻孔数据和地质剖面图的数据，按照钻孔名称、地表坐标、地层顶板绝对高程，底板绝对高程、岩性名称、地面标高的顺序存储在表格中，通过对该表格中的数据进行三维表征生成地层面和地质体，得到地质模型；基于获取的物探参数，筛选物探参数范围内的地质模型；高程的顺序存储在表格中，通过对污染物空间分布进行三维表征，得到土壤污染模型；基于获取的水文地质参数进行三维表征，得到地下水流场以及污染物扩散迁移模型。6.根据权利要求1所述的地表与地下环境三维一体化表征方法，其特征在于，所述步骤将所述地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型通过EVS软件进行一体化融合，得到目标区域的地表与地下环境一体化模型；3利用地形图系统数据中目标区域的面状数据层的高程面，结合目标区域的地表层的离散高程点，通过拟合算法计算三维高程面模型，构造不规则三角网生成三维地形基准面；以高程基准面为基础确定空间基准，通过格式、坐标转换，将通过EVS软件融合的所有种类的模型统一到同一高程基准下；当通过EVS软件融合的所有种类的模型与基准面的空间位置出现冲突时，对地表与地下环境一体化进行二次校准与匹配，对地表与地下环境一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。7.一种地表地下环境三维一体化表征装置，其特征在于，包括：地表模型构建模块，用于获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密处理模块，用于对地表实景模型中建筑构件的变形部分进行修补重建并采集轮廓线，通过纹理贴图对修补重建后的地表实景模型的纹理进行细化修改；绘图模块，用于绘制目标区域的地质剖面图；地下模型构建模块，用于根据在目标区域获取的钻孔数据、地质剖面图数据、土壤样品数据和水文地质参数对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；融合模块，用于将所述目标区域的地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到目标区域的地表与地下环境一体化模型，确定所述地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。8.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其特征在于，通过执行所述计算机程序，用于实现上述权利要求1-6中任意一项所述地表与地下环境三维一体化表征方法。9.一种地表与地下环境三维一体化表征设备，用于实现上述权利要求1-6任意一项所所述存储器用于储存计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序。4地表与地下环境三维一体化表征方法、装置、介质及设备技术背景[0001]本发明涉及地质三维建模技术领域，特别涉及一种地表与地下环境三维一体化表[0002]背景技术[0003]目前复杂地质环境最常用的三维表征方法为基于钻孔信息的方法、基于地质剖面图的方法以及传统的基于多源数据融合的建模方法。这些方法均存在一定的缺陷：[0004](1)基于钻孔信息的建模方法没有考虑断层、褶皱等复杂地质构造的加入对三维地层模型的影响，适用范围有限；通常在研究范围内获得的钻孔数目十分有限，该方法又不能将建模者掌握的除钻孔资料之外的其它信息以及专家知识经验融入建模的工作流程，导致建模结果与实际差别较大且难以修正。[0005](2)基于地质剖面图的建模方法的关键在于在相邻的轮廓线之间找到合理的匹配对应关系，来表达真实的地质体形状，但是实际的地质构造往往十分复杂，获取的多幅剖面图轮廓线之间很难有几何上完美的对应关系，建模过程比较繁琐，而且由于数据单一且受限于模型尺度，难以反映实际地质情况。[0006](3)传统基于多源数据融合的方法虽然可以弥补单一数据的不足，但由于资料的获取途径、数据标准的不同而不可避免地会产生一定的信息冲突，数据之间的融合难度大，目前没有形成较为完整的方法体系。[0007]在过去地质学者主要研究地下地质模型的构建，GIS领域学者主要研究地表实景建模，没有人将地表实景模型与地下地质模型、地下水流场模型、土壤污染物分布模型等一体化融合起来。发明内容[0008]本发明提供了一种地表与地下环境三维一体化表征方法、装置、介质及设备，其目的是为了实现最大精度化的地表与地下环境三维一体化模型数据融合。[0009]为了达到上述目的，本发明提供了一种地表与地下环境三维一体化表征方法，包[0010]步骤1,获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN[0011]步骤2,对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；[0012]步骤3,对地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。[0014]通过无人机获取目标区域的地表数据，地表数据包括倾斜影像、布设地面控制点、5POS数据，将获取的地表数据导入Con和TIN模型，将目标区域的地表纹理映射至TI[0016]对地表实景模型中建筑构件的变形部分进行修补重建；[0017]采集修补重建后的地表实景模型的轮廓线；[0018]根据轮廓线，通过纹理贴图对修补重建后的地表实景模型的纹理进行细化修改。[0020]基于地表数据提取高程点值，将所述高程点值赋予TIN模型中进行地形剖面图绘[0021]将地质信息投影至地形剖面图，绘制岩性花纹，得到目标区域的地质剖面图。[0023]基于获取的钻孔数据和地质剖面图的数据，按照钻孔名称、地表坐标、地层顶板绝对高程，底板绝对高程、岩性名称、地面标高的顺序存储在表格中，通过对该表格中的数据进行三维表征生成地层面和地质体，得到地质模型；[0024]基于获取的物探参数，筛选物探参数范围内的地质模型；地表高程的顺序存储在表格中，通过对污染物空间分布进行三维表征，得到土壤污染模型；[0026]基于获取的水文地质参数进行三维表征，得到地下水流场以及污染物扩散迁移模[0028]将地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型通过EVS软件进行一体化融合，得到目标区域的地表与地下环境一体化模型；[0029]利用地形图系统数据中目标区域的面状数据层的高程面，结合目标区域的地表层的离散高程点，通过拟合算法计算三维高程面模型，构造不规则三角网生成三维地形基准[0030]以高程基准面为基础确定空间基准，通过格式、坐标转换，将通过EVS软件融合的所有种类的模型统一到同一高程基准下；[0031]当通过EVS软件融合的所有种类的模型与基准面的空间位置出现冲突时，对地表与地下环境一体化进行二次校准与匹配，对地表与地下环境一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。[0033]地表模型构建模块，用于获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN模型，将目标区域的地表纹理赋予TIN模型，形成地表实景模型；[0034]处理模块，用于对地表实景模型中建筑构件的变形部分进行修补重建并采集轮廓线，通过纹理贴图对修补重建后的地表实景模型的纹理进行细化修改；[0036]地下模型构建模块，用于对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；[0037]融合模块，用于对地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染6物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。[0038]一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，通过执行所述实现上述的地表与地下环境三维一体化表征方法。[0039]一种地表与地下环境三维一体化表征的设备，用于实现上述的地表与地下环境三[0040]存储器用于储存计算机程序；[0041]处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序。[0042]本发明的上述方案有如下的有益效果：[0043]本发明实现最大精度化的地表与地下环境三维一体化模型数据融合，可服务于城[0044]采用EVS软件进行三维地质建模真实反映地质构造形态、构造关系及地质体内部溶洞也有很好的处理能力；[0045]基于多源数据，利用地表实景模型与地下各类模型融合的方法进行复杂地质环境三维表征可以清晰反映地上地下的交互过程。[0046]本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明[0047]图1为本发明实施例的流程示意图；[0048]图2为本发明实施例利用ContextCapture和DP-Modeler软件构建地表实景模型的流程示意图；[0049]图3为本发明实施例利用EVS软件构建地下三维模型的流程示意图。具体实施方式[0050]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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。便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本7发明中的具体含义。[0053]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0054]本发明针对现有的问题，提供了一种地表与地下环境三维一体化表征的方法。[0055]如图1所示，本发明的实施例提供了一种地表与地下环境三维一体化表征方法，包[0056]步骤1,获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN[0057]具体来说，本实施例中地表实景模型构建流程如图2所示，通过采用无人机进行外业工作获取目标区域的倾斜影像2万张照片、布设100个地面控制点、POS(定位定姿系统)数据等，然后将获取的各种数据导入ContextCapture中，提交空间三角测量，生成高密度点云和TIN模型，将目标区域的地表纹理赋予TIN模型，最终形成地表实景模型。[0059]对地表实景模型中的建筑构件的变形部分进行修补重建；[0060]具体来说，利用DP-Modeler软件对ContextCapture形成的地表实景模型中的建筑构件。[0061]采集修补重建后的地表实景模型的轮廓线；[0062]根据轮廓线，通过纹理贴图对修补重建后的地表实景模型的纹理进行细化修改。等图像处理工具，进行轮廓线的采集；[0064]采用自动贴图，进行修补重建后的地表实景模型的纹理的自动映射，若存在遮挡部分则使用影像切换功能或者借助photoshop软件进行纹理贴图，进行修补重建后的地表实景模型的纹理的细化修改。[0065]在步骤1之后，还包括绘制目标区域的地质剖面图；软件绘制目标区域的地质剖面图；[0067]首先从等高线中提取高程点值，将等高线高程数据转换成离散点高程数据；[0068]然后以等高线为数据源，将等高线赋予TIN模型中，绘制目标区域的地形剖面图，在地形剖面图中投影地质信息，绘制岩性花纹，从而得到目标区域的地质剖面图。[0069]步骤2,对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型，具体如图3所示；[0070]基于获取的钻孔数据和地质剖面图数据，按照钻孔名称、地表坐标、地层顶板绝对文件转换功能将EXCEL文件转换为PGF文件，通过划分层序的方法来表达钻井揭露的地层，生成GEO和GMF文件，然后利用krig_3d_geology模块对该表格中的数据进行三维表征生成地层面，利用plume模块生成地质体，最终生成目标区域的地质模型；件的筛选功能，筛选出需要的物探参数范围内的地质模型；8[0072]基于在目标区域获取的土壤样品数据，按照X、Y、顶板高程、底板高程、污染物浓度、钻孔名称、地表高程的顺序存储在EXCEL表格中，然后利用EVS软件自带的文件转换功能将EXCEL文件转换为AIDV文件，通过krig_3d模块对污染空间分布进行三维表征生成目标区域的土壤污染模型；[0073]基于在目标区域获取的地下水渗透系数、贮水系数、抽水井流量流速、弥散系数等(模块化三维溶质运移模型)建立目标区域的地下水流场以及污染物扩散迁移模型。[0074]本发明实施例需要说明的是，上述用于建模的数据均来源于目标区域的实地测[0075]其中，MODFLOW是一款三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化系统。这个软件包由Modflow(水流评价)、Modpath(平面和剖面流线示踪分析)、MT3D(溶质运移评价)三大部分组成，并且具有的图形可视界面功能，实现了概念模型和数值模型的转化，具备的(模块化三维溶质运移模型),而MS表示可插入多种污染物祖坟生化反应模块的程序结构，其功能全面，既可以模拟常规水文地质条件下地下水流系统中污染物的对流、弥散、扩散过程，也可以模型污染物在迁移过程中的生物和化学反应。[0077]步骤3,对地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到地表与地下环境一体化模型，确定地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境三维一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。[0078]具体来说，将地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型通过EVS软件进行一体化融合，得到目标区域的地表与地下环境一体化模型；[0079]充分利用原始数据数据具有来源广、类型多、格式多等特点，要对这些数据进行整合，必须先对数据的坐标系和比例尺进行统一，建立原始资料数据库。统一坐标系和比例尺的另一个目的是便于模型之间的融合，可以将已构建的模型合并到一个数据库中，并将数据格式整合为EVS软件可以导入的apdv、dwg、o和约束数据。[0080]以目标区域的空间坐标、地层岩性、地下水流场、沉积环境分布等地质属性为约有的1:500地形图系统数据中目标区域的面状数据层的高程面，结合目标区域的地表层的离散高程点，通过拟合算法计算三维高程面模型，将其导入到EVS软件中并据此构造不规则三角网进而生成三维地形的基准面，从而确定地表与地下环境一体化融合的基准面。[0081]确定通过EVS软件融合的所有种类的模型的时空基准，时空基准是指时间和地理空间维度上的基本参考依据和度量的起算数据。时间基准中日期应采用公历纪元，时间应采用统一的北京时间。[0082]以高程基准面为基础确定空间基准，通过EVS软件融合的所有种类的模型等通过家大地坐标系，高程基准统一到1985国家高程系统，具体参照GB22021《国家大地测量基本9[0083]当通过EVS软件融合的所有种类的模型与基准面的空间位置出现冲突时，对地表与地下环境一体化进行二次校准与匹配，依托现有的技术及经验对地表与地下环境一体化进行空间校正与布尔运算，对地表与地下环境一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型，实现最大精度化的地表地下三维一体化模型数据融合。[0084]本发明实施例提供了一种地表地下环境三维一体化表征装置，包括：[0085]地表模型构建模块，用于获取目标区域的各类地表数据，提交空间三角测量生成高密度点云和TIN模型，将目标区域的地表纹理赋予TIN模型，形成地表实[0086]处理模块，用于对地表实景模型中建筑构件的变形部分进行修补重建并采集轮廓线，通过纹理贴图对修补重建后的地表实景模型的纹理进行细化修改；[0088]地下模型构建模块，用于根据在目标区域获取的钻孔数据、地质剖面图数据、土壤样品数据、水文地质参数和物探参数对地层空间、地下空间进行三维表征生成目标区域的地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型；[0089]融合模块，用于将地表实景模型、地质模型、土壤污染模型、地下水流场以及污染物扩散迁移模型进行一体化融合，得到目标区域的地表与地下环境一体化模型，确定所述地表与地下环境一体化的基准面和空间基准，对地表与地下环境一体化模型进行数据融合，得到目标区域的地表与地下环境三维一体化模型。[0090]本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，通过执行所述计算机程序，用于实现上述的地表与地下环境三维一体化表征方法。[0091]本发明实施例还提供了一种地表与地下环境三维一体化表征的设备，用于实现上述的地表与地下环境三维一体化表征的方法，其特征在于，包括：存储器和处理器；存储器用于储存计算机程序；处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序。面图、土壤样品数据、水文地质数据、物理探测数据等多源数据融合技术，利用MAPGIS、污染物分布模型、地下水流场模型等复杂地质环境模型以空间坐标、地层岩性、地下水流场、沉积环境分布等地质属性为约束，实现最大精度化的地上地下三维一体化模型数据融合。[0093]本实施例采