專利名稱：一種三角網格構建方法及其在巖土工程建模的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算機二維、三維模型建模領域，特別是涉及巖土工程三維地 層模型構建，及其在三維地層層面模型構造的應用。
背景技術：
目前已經存在一些根據離散點構建三角網格的方法，但是這些方法算法復 雜，而且網格構建完成后需要再尋找網格邊界，不能實現網格的構造和優(yōu)化的 同步進行。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速、簡單、具有同步優(yōu)化功能的根據離散點 構建三角網格方法，以彌補現有算法在速度、簡便性以及優(yōu)化功能方面的不足。 本發(fā)明的另一 目的在于提供該三角網格構建方法在巖土工程建模中的應用。
為了實現第一個發(fā)明目的，采用的技術方案如下 一種三角網格構建方法，通過如下步驟實現
(1) 根據所有離散構造點計算形心點Pe，計算所有構造點到形心點的距 離，并根據距離對構造點進行排序；
(2) 使用離形心點Pc最近的三個構造點構造中心三角形tp把中心三角 形h設為初始網格M，并根據三角形邊界的逆時針方向構造初始邊界環(huán)R;
(3) 按照距離由小到大插入構造點P，建立構造點P到中心點Pc的線段L， 遍歷邊界環(huán)R，尋找線段L和邊界有交點的邊界線Lb;(4) 使用構造點P和邊界線U構造新的三角形Tn，并使用Delaunay三角 優(yōu)化規(guī)則來優(yōu)化三角形Tn和Tn的鄰接三角形Tnl;
(5) 通過判斷三角形Tn的新邊和鄰接邊的夾角e是否小于一個預設值來 構造新的邊界三角形tn，并使用Delaimay三角優(yōu)化規(guī)則來優(yōu)化三角形tn和tn的 鄰接三角形；
(6) 重復步驟(3) (5)，直到插入所有構造點。 上述技術方案中，所述步驟(4)構造新的三角形Tn具體過程為將構造點
P和邊界線Lb的起始點和結束點按逆時針形成三角形Tn。 步驟(4)的Delaunay三角優(yōu)化規(guī)則具體如下
輸入兩個共邊的三角形Tn和Tm，它們的共邊為e，判斷T^里不在e上的 頂點v是否在T。的外接圓里面，如果在里面，則刪除e， Tn和Tm，并把Tn和 Tm不在e上的點連成新邊en，將e的原起始點和結束點與en形成新的三角形 1 和tnl，如果頂點v在Tn的外接圓外面則不做任何操作。
步驟(4)還包括擴充邊界環(huán)R的步驟，具體操作過程為將三角形Tn除邊 界線Lb外的另外兩條邊作為邊界邊，并添加到邊界環(huán)中，形成新的邊界環(huán)。
所述步驟(1)具體包括建立構造點集合V，計算V的幾何中心ve，再計 算集合V里每個點到Ve的距離，形成點到中心距離集(V， D)，并根據從小到大 排序后得出點距離集合(V， D,)。
本發(fā)明所述三角網格構建完畢后，還包括三角網格優(yōu)化步驟，具體操作如 下步驟
(71) 設定一個邊長值h;
(72) 遍歷三角網格的每一個三角形T，如果T的外接圓半徑大于h，則
刪除與該圓有交點的所有三角形，并插入外接圓心點Pd到構造點集合V中；(73)使用被刪除的三角形的頂點和插入的圓心點Pd構建新的局部三角 形網格；
(4)重復步驟(72)， (73)，直到三角網格中不存在外接圓半徑大于h的 三角網格。
為了實現第二個發(fā)明目的，采用的技術方案如下
一種三角網格構建在巖土工程建模的應用，根據工程單位提供的鉆孔數 據，建立鉆孔信息數據庫；提取工程所在區(qū)域的鉆孔坐標數據，獲取地層鉆孔 的層對應點，確定節(jié)點的x、 y、 z坐標，形成初始點集合，運用三角網格構建 方法構建地層層面的模型。
上述應用過程還包括采用三角網格優(yōu)化步驟對地層層面模型進行優(yōu)化的 過程。
本發(fā)明的優(yōu)點是能簡單，快速的構造符合Delaunay三角網格規(guī)則的三角網 格，并能同步進行網格優(yōu)化，適用于根據二維或三維空間離散點集來構造符合 Delamiay三角規(guī)則的三角網格，能很好的應用到不規(guī)整三維模型的構造，如三 維地層層面模型的構造。


圖1為本發(fā)明的前處理示例圖； 圖2為本發(fā)明的尋找邊過程示例圖； 圖3為本發(fā)明的建三角形過程示例圖； 圖4為本發(fā)明的擴充環(huán)過程示例圖； 圖5為本發(fā)明的邊建三角形過程示例圖； 圖6為本發(fā)明的局部優(yōu)化過程示例圖； 圖7為本發(fā)明的網格優(yōu)化過程示例圖；圖8為本發(fā)明的具體處理示例圖； 圖9為本發(fā)明的處理流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
本發(fā)明的三角網格構建方法主要通過計算機軟件實現，通過如下步驟實
現
輸入在一平面上不全共線的點集V，以及邊長預設值/ ;
輸出符合Delaunay三角網格條件的線集合￡和三角形集合r;
前處理如附圖1所示，計算點集V的幾何中心Vc，如圖l-(l)所示，再計 算點集里每個點到Vc的距離，形成點到中心距離集(K D)，把點距離集進行排
序后得出己排序點距離集合(K A)，把點距離集中前三個點(Vh V2， V3)構造初時 三角形tp如圖l-(2)所示。如果中心點Ve不在t!內，設置^的形心為中心點 Vc。把的三條邊按逆時針形成邊界閉環(huán)W， (/ 由邊界邊按逆時針組成)，如圖
l-(3)所示。
實現本發(fā)明所需要使用的子過程如下
尋找邊輸入一個點V，把該點與中心點Ve形成直線U，遍歷邊界環(huán)，找
出與W相交的邊界線e，如圖2所示。在計算機軟件中通過函數表示 SearchEdge(v, / )->e。
建三角形輸入一個點v與一條邊界邊e，把v與e的起始點和結束點按 逆時針形成三角形t，如圖3所示。通過函數表示BuildTriangle(v， e)->t。
擴充環(huán)輸入一條邊界邊，把邊界邊添加到邊界環(huán)中，形成新的邊界環(huán)。 如圖4所示，分別把^和e2添加到環(huán)R中。函數表示ExtendRing(e,
邊建三角輸入兩個連續(xù)的邊界邊ei、 e2，當它們的夾角^滿足要求時(一般夾角^要求小于2W3)，把e卜e2不相連的兩個頂點連接成新的邊en，形成新 的三角形tn，如圖5所示。函數表示EdgeBuildTriangle(eh e2)->t。
局部優(yōu)化輸入兩個共邊三角形h， t2，他們的共邊為e，判斷t2里不在e 上的頂點v是否在h的外接圓里面，如果在里面，則刪除e， ti， t2，把^和t2 不在e上的點連成新邊en，形成新的三角形tm， t2n。如果在外面則不做任何操 作，如圖6所示。函數表示LocalOptimize(tht2)。
網格優(yōu)化:輸入一個外接圓半徑r大于預設值h的三角形t，刪除該三角形、 以及與該外接圓有交點的所有三角形，添加該外接圓心v到點集合中，按步驟 繼續(xù)構建網格。如圖7所示，函數表示MeshOptimize(t)。
本發(fā)明的處理過程如附圖9所示
(1) 、前處理步驟；
(2) 、在已排序點距離集合(K化)中按順序獲取點p，調用子過程 SearchEdge(p， 7 )->lr。如圖8-(1)~(3)所示；
(3) 、找到相交邊界邊L后，調用子過程BuildTriangle(pA)》、，建立新的 三角形1 。如圖8-(4)所示；
(4) 、把^和tn的鄰接的三角形W進行局部優(yōu)化，調用LocalOptimize(tn,
U)。如圖8-(5)所示，如果點V皿在tn的外接圓之內，就形成新的兩個三角形，
否則繼續(xù)算法；
(5) 、把新建的三角形tn的邊界邊h、 12加入到邊界環(huán)中，調用子過程
ExtendRing(h，ExtendRing(l2,如圖8-(6)所示；
(6) 、判斷新建的三角形tn的邊界邊li、 12分別和它們的鄰接邊界邊lm、 l2n的夾角是否小于一個預定的夾角e，如果是則新建三角形，調用子過程
EdgeBuildTriangle(lblm)-〉td， EdgeBuildTriangle(l2， l加)-〉tn2。(夾角^按照實驗所得一般為2;r/3得出的網格比較理想)。如圖8-(7)所示，本實施例的夾角&夾角& 都大于2W3，所以不需要進行新三角形建立；
(7)、如果上一步得出的新三角形tm、 ^分別和他們的鄰接三角形進行局 部優(yōu)化，LocalOptimize(tnl， tnl—J, LocalOptimize(tnl， tn)， LocalOptimize(tn2， tn2—n)， LocalOptimize(t", tn)，如圖8-(8)所示；
(8 )、對步驟(3)， (6)中新建的各個三角形t進行網格優(yōu)化，MeshOptimize(t);
(9)重復步驟2 8，直到已排序點距離集合(V，化)里面的點為空。 最后做邊界凸包檢查，遍歷邊界閉環(huán)W里面的邊，如果邊之間的夾角小于 7，則新建三角形，并進行局部優(yōu)化。。
本發(fā)明應用在東改工程地下環(huán)境信息系統(tǒng)(UEEIS)和高速公路空間地理信 息可視化管理系統(tǒng)(HSIVS)的研制中。應用過程如下
1、 根據工程單位提供的鉆孔數據，建立鉆孔信息數據庫；
2、 提取工程所在區(qū)域的鉆孔坐標數據，并對各鉆孔的對應的地層層面信息 進行預處理；
3、 在上述鉆孔信息預處理的基礎上，運用基于中心三角形擴展的三角網格 構建及優(yōu)化方法構建地層層面
3a、首先獲取地層鉆孔的層對應點，確定節(jié)點的x、 y、 z坐標，形成初始 點集合；
3b、運用基于中心三角形擴展的三角網格構建及優(yōu)化方法對點結合進行三 角網格的構建；
3c、對地層層面進行光滑插值后構建三維地層；
權利要求
1. 一種三角網格構建方法，其特征在于通過如下步驟實現(1)根據所有離散構造點計算形心點Pc，計算所有構造點到形心點的距離，并根據距離對構造點進行排序；(2)使用離形心點Pc最近的三個構造點構造中心三角形t1，把中心三角形t1設為初始網格M，并根據三角形邊界的逆時針方向構造初始邊界環(huán)R；(3)按照距離由小到大插入構造點P，建立構造點P到中心點Pc的線段L，遍歷邊界環(huán)R，尋找線段L和邊界有交點的邊界線Lb；(4)使用構造點P和邊界線Lb構造新的三角形Tn，并使用Delaunay三角優(yōu)化規(guī)則來優(yōu)化三角形Tn和Tn的鄰接三角形Tn1；(5)通過判斷三角形Tn的新邊和鄰接邊的夾角θ是否小于一個預設值來構造新的邊界三角形tn，并使用Delaunay三角優(yōu)化規(guī)則來優(yōu)化三角形tn和tn的鄰接三角形；(6)重復步驟(3)～(5)，直到插入所有構造點。
2、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特征在于步驟(4)構造 新的三角形Tn具體過程為將構造點P和邊界線U的起始點和結束點按逆時針 形成三角形Tn。
3、 根據權利要求1所述的三角網格構建方法，其特征在于步驟(4)的 Delaunay三角優(yōu)化規(guī)則具體如下輸入兩個共邊的三角形Tn和T^，它們的共邊為e，判斷T^里不在e上的 頂點v是否在Tn的外接圓里面，如果在里面，則刪除e， Tn和Tm，并把Tn和 Tm不在e上的點連成新邊 ，將e的原起始點和結束點與en形成新的三角形 tn和tnl，如果頂點v在Tn的外接圓外面則不做任何操作。
4、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特征在于步驟(4)還包 括擴充邊界環(huán)R的步驟，具體操作過程為將三角形Tn除邊界線U外的另外兩 條邊作為邊界邊，并添加到邊界環(huán)中，形成新的邊界環(huán)。
5、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特征在于所述步驟(1)具體包括建立構造點集合V，計算V的幾何中心Ve，再計算集合V里每個點到 Vc的距離，形成點到中心距離集(V， D)，并根據從小到大排序后得出點距離集合(v， A)。
6、 根據權利要求1或5所述的三角網格構建方法，其特征在于所述步驟 (2)構造中心三角形時，如果中心點Vc不在^內，則設置h的形心為中心點Vc。
7、 根據權利要求l所述的三角網格構建方法，其特征在于所述步驟(5) 的夾角^預設值為2;r/3，所述構造新的邊界三角形T皿為當Tn的兩個連續(xù)的邊 界邊A、 e2的夾角^小于預設值時，把^、 e2不相連的兩個頂點連接成新的邊 en，形成新的三角形tn。
8、 根據權利要求1所述的三角網格構建方法，其特征在于所述三角網格 構建完畢后，還包括三角網格優(yōu)化步驟，具體操作如下步驟(71) 設定一個邊長值h;(72) 遍歷三角網格的每一個三角形T，如果T的外接圓半徑大于h，則刪除與該圓有交點的所有三角形，并插入外接圓心點Pel到構造點集合V中；(73) 使用被刪除的三角形的頂點和插入的圓心點Pd構建新的局部三角形網格；(74) 重復步驟(72)， (73)，直到三角網格中不存在外接圓半徑大于h 的三角網格。
9、 一種三角網格構建在巖土工程建模的應用，其特征在于根據工程單位 提供的鉆孔數據，建立鉆孔信息數據庫；提取工程所在區(qū)域的鉆孔坐標數據， 獲取地層鉆孔的層對應點，確定節(jié)點的x、 y、 z坐標，形成初始點集合，運用 三角網格構建方法構建地層層面的模型。
10、 根據權利要求9所述三角網格構建在巖土工程建模的應用，其特征在 于還包括采用三角網格優(yōu)化步驟對地層層面模型進行優(yōu)化的過程。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三角網格構建方法及其在巖土工程建模的應用，本發(fā)明的優(yōu)點是能簡單，快速的構造符合Delaunay三角網格規(guī)則的三角網格，并能同步進行網格優(yōu)化，適用于根據二維或三維空間離散點集來構造符合Delaunay三角規(guī)則的三角網格，能很好的應用到不規(guī)整三維模型的構造，如三維地層層面模型的構造。
文檔編號G06T17/05GK101303770SQ20081002835
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權日2008年5月28日
發(fā)明者周翠英, 趙宏堅 申請人:中山大學