本發明涉及地質模型，尤其涉及地下工程三維地質模型動態可視化方法、系統、設備及存儲介質。

背景技術：

1、隨著地下工程建設的不斷發展，如地鐵隧道挖掘、礦山開采、地下停車場及大型地下建筑物的興建等，對地下地質情況的精確了解和可視化呈現變得愈發關鍵。傳統的地質勘探與分析方法在面對復雜的地下工程需求時逐漸暴露出諸多局限性。

2、在早期，地質勘探多依賴于單一的鉆探手段。鉆探雖然能夠直接獲取地下巖芯樣本，從而確定地層的巖性、礦物成分等信息，但鉆探信息僅局限于鉆孔位置，對于鉆孔之間的區域地質情況只能進行推測，難以構建完整、連續的三維地質模型。這就導致在地下工程規劃與施工過程中，存在大量的地質信息盲區，極大地增加了工程風險，例如在隧道掘進時可能突然遭遇未預料到的斷層、軟弱地層等不良地質體，引發坍塌、涌水等工程事故。

3、為了彌補鉆探的局限性，地球物理勘探方法如地震波勘探逐漸得到應用。地震波勘探通過發射和接收地震波，根據地震波在不同地層中的傳播特性來推斷地層界面和地質構造。然而，地震波勘探數據的解釋具有一定的模糊性和多解性，單獨依靠地震波勘探數據構建的地質模型準確性有限，且難以與鉆探所獲取的精細巖性數據進行有效融合，無法充分發揮兩種數據的優勢。

4、同時，傳統的地質模型可視化多為靜態展示，即使構建了三維地質模型，也只是在特定階段呈現固定的地質信息，無法隨著地下工程施工的推進而動態更新。在實際施工過程中，地下地質體的應力狀態、水文條件等會發生變化，這些變化可能導致地層變形、地質構造活化等情況，但現有的靜態可視化模型無法及時反映這些動態變化，使得工程人員難以根據實時地質情況調整施工方案，不利于地下工程的安全高效推進。

5、此外，現有的可視化技術在交互性方面也存在不足。工程人員在查看地質模型時，往往只能進行簡單的縮放、平移操作，難以深入地對特定地質體進行詳細信息查詢，無法滿足在復雜地下工程決策過程中對地質信息全方位、多角度深入分析的需求。例如在處理大型地下綜合體工程時，涉及多種不同用途的地下空間開發，對不同區域地質條件的精細分析要求極高，傳統可視化方法難以提供有效的支持。

6、綜上所述，開發一種能夠整合多源地質數據、構建高精度且可動態更新的三維地質模型，并具備強大交互功能的地下工程三維地質模型動態可視化方法具有極為重要的現實意義，它將為地下工程的設計、施工、安全監測與管理等提供有力的技術保障，有效提高地下工程建設的質量與效率，降低工程風險與成本。因此，本技術提出地下工程三維地質模型動態可視化方法、系統、設備及存儲介質。

技術實現思路

1、本發明的目的是針對背景技術中存在沒有能夠整合多源地質數據、構建高精度且可動態更新的三維地質模型的問題，提出地下工程三維地質模型動態可視化方法、系統、設備及存儲介質。

2、第一方面，本技術提供地下工程三維地質模型動態可視化方法，包括以下步驟：

3、數據采集與整合：通過多種勘探手段獲取地質數據，并進行標準化與融合處理，得到統一的三維坐標地質數據；

4、三維地質模型初始化構建：基于整合后的數據構建地層格架，并將地質構造精準嵌入其中，形成完整的三維地質模型框架；

5、模型動態可視化渲染：對構建好的三維地質模型設置特定的光照與材質屬性，并開發可視化程序以實現模型的動態顯示與交互操作；

6、模型動態更新與優化：在地下工程施工期間，借助傳感器網絡監測地質體變化，依據監測數據對模型進行更新與優化，確保模型與實際地質情況的高度吻合。

7、可選的，所述數據采集與整合中，多源數據獲取具體為：

8、采用高精度鉆探設備，依預定勘探網格鉆探，鉆探深度間隔為0.5米，獲取巖芯樣本的巖性、礦物成分、孔隙度及深度信息；

9、運用地震波層析成像勘探，以2米×2米測點間距發射不同頻率地震波，依反射波特征構建地下地質體波速模型，推斷地層界面與地質構造；

10、開展地面地質調查，記錄地表地層巖性與地質構造特征，且與鉆探和地震波數據關聯校準。

11、可選的，所述數據采集與整合中，數據標準化與融合具體包括以下步驟：

12、把鉆探數據、地震波數據、地面地質調查數據轉換為以大地坐標系為基準的三維坐標數據格式，其中x、y坐標精確到0.01米，z坐標精確到0.1米；

13、針對地層界面數據，采用加權平均法融合，設鉆探確定的地層界面深度為dd，地震波推斷的地層界面深度為ds，其權重分別為wd＝0.6和ws＝0.4，融合后的地層界面深度df計算公式為df＝wd×dd+ws×ds。

14、可選的，所述三維地質模型初始化構建中，地層格架構建的方法包括：

15、基于融合后的地層界面數據，運用delaunay三角剖分算法構建地層三角面片模型，相鄰地層界面間以三棱柱體單元填充，檢查相鄰三棱柱體公共面不匹配誤差，超0.05平方米則局部調整優化；

16、計算地層模型體積與質心，地層體積vt由三棱柱體體積求和得出，三棱柱體體積用向量叉積法計算，設三棱柱體頂點a(xa,ya,za)、b(xb,yb,zb)、c(xc,yc,zc)，高為h，則其體積：

17、

18、其中,[a-c,b-c]表示向量a-c與b-c的叉積，地層質心坐標(xg,yg,zg)根據各三棱柱體的體積加權平均計算，公式為：

19、

20、n為地層中三棱柱體的數量。

21、可選的，所述三維地質模型初始化構建步驟中，地質構造嵌入的方式為：

22、對于斷層建模，依據斷層走向角α、傾向角β、傾角γ和斷距δh，在對應地層位置用參數方程構建斷層面，設斷層面上點p(x,y,z)，以已知點p0(x0,y0,z0)為基，則x＝x0+t×cosα×cosγ，y＝y0+t×sinα×cosγ，z＝z0+t×sinγ，t為參數，依斷距錯動斷層面兩側地層；

23、針對褶皺構造，依褶皺軸線方程l:ax+by+cz+d＝0和褶皺幅度af，用曲面變形算法使地層模型變形，設地層模型上點q(xq,yq,zq)到褶皺軸線的距離為dq，變形后坐標q′(x’q,y’q,z’q)經垂直軸線位移計算得，位移量t為褶皺波長,根據地質調查確定。

24、可選的，所述模型動態可視化渲染中，光照與材質設置的特征是：

25、為三維地質模型設環境光、平行光和點光源，環境光強度ia為0.3，平行光方向向量依地下工程觀察方向定，平行光強度ip為0.6，點光源于模型中心上方5米處，強度is為0.8，點光源衰減系數ka＝0.05、kb＝0.002、kc＝0.0001；

26、為不同巖性地層與地質構造定材質屬性，堅硬巖石地層漫反射顏色為(0.5,0.5,0.5)，鏡面反射顏色為(0.2,0.2,0.2)，光澤度30；軟巖地層漫反射顏色為(0.7,0.7,0.3)，鏡面反射顏色為(0.1,0.1,0.1)，光澤度10；斷層漫反射顏色(1,0,0)，鏡面反射顏色為(0.5,0,0)，光澤度5，且斷層透明度0.3。

27、可選的，所述動態顯示與交互的表現為：

28、基于圖形編程接口開發可視化程序，幀率設60幀/秒實現模型實時渲染與動態顯示；

29、設用戶交互功能，鼠標左鍵拖使模型繞y軸轉，旋轉角度步長0.5度；右鍵拖使模型平移，步長0.05米；滾輪滾使模型縮放，比例因子1.1倍/刻度，且設快捷鍵，“f1”鍵控地層模型顯隱，“f2”鍵控地質構造模型顯隱，“f3”鍵切換光照模式。

30、第二方面，本技術提供一種地下工程三維地質模型動態可視化系統，用于實現第一方面所述的地下工程三維地質模型動態可視化方法，包括：

31、數據采集與整合模塊：通過多種勘探手段獲取地質數據，并進行標準化與融合處理，得到統一的三維坐標地質數據；

32、三維地質模型初始化構建模塊：基于整合后的數據構建地層格架，并將地質構造精準嵌入其中，形成完整的三維地質模型框架；

33、模型動態可視化渲染模塊：對構建好的三維地質模型設置特定的光照與材質屬性，并開發可視化程序以實現模型的動態顯示與交互操作；

34、模型動態更新與優化模塊：在地下工程施工期間，借助傳感器網絡監測地質體變化，依據監測數據對模型進行更新與優化，確保模型與實際地質情況的高度吻合。

35、第三方面，本技術提供一種地下工程三維地質模型動態可視化設備，包括：

36、處理器；

37、存儲器，其中存儲有所述處理器的可執行指令；

38、其中，所述處理器配置為經由執行所述可執行指令來執行第一方面所述地下工程三維地質模型動態可視化方法的步驟。

39、第四方面，本技術提供一種計算機可讀存儲介質，用于存儲程序，所述程序被處理器執行時實現第一方面所述地下工程三維地質模型動態可視化方法的步驟。

40、與現有技術相比，本技術包括以下至少一種有益技術效果：

41、整合多源地質數據并精準融合，構建出高精度的三維地質模型，能精確刻畫地層與地質構造細節，減少地質信息不確定性，為工程規劃提供可靠依據。

42、通過獨特的光照與材質設置，使不同地質體在模型中直觀可辨，增強對地下地質環境的認知與理解，助力決策準確性提升。

43、通過高幀率可視化程序結合便捷的鼠標鍵盤交互及快捷鍵功能，方便從多角度、多細節程度觀察模型，高效獲取地質信息，提高工作效率與分析全面性。

44、在施工中傳感器網絡實時監測地質體變化，超閾值觸發模型更新，提供安全預警，保障施工人員安全與工程順利推進。

45、基于監測數據反演優化模型參數，保持模型與實際地質情況高度吻合，為施工決策持續提供可靠支撐，提升施工質量與經濟效益。

46、本發明通過多源數據融合構建高精度模型、優化可視化效果與交互性、實現實時監測與模型持續優化，為地下工程提供精準地質依據、增強決策準確性、保障安全、提升施工質量與經濟效益。