[发明专利]复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法

权利要求书

1.复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，包括以下步骤：溶洞内部三维点云坐标信息获取与点云模型封装、点云溶洞模型降噪后处理、确定溶洞点云最优化采样间距、采用统一采样方法进行点云降噪自动处理、实体溶洞的建模、利用耦合接口实现复杂几何形态溶洞数据的定向传递；

所述的溶洞内部三维点云坐标信息获取与点云模型封装是通过激光探测系统C-ALS软件来完成；

所述的点云溶洞模型降噪后处理是基于Geomagic Studio点云处理平台来实现；

所述的确定溶洞点云最优化采样间距首先将溶洞三维尺度平均值作为溶洞直径；

所述的点云降噪自动处理统一采样方法需根据采样倍径和模型畸变程度相关关系获得；

所述的实体溶洞的建模需要通过Geomagic进行封装处理形成封闭曲面，并转化成stl格式文件，才能完成实体溶洞的建模；

所述的耦合接口需要根据实际计算需求选定的数值计算软件来设计。

2.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，C-ALS系统获取的初始点云模型基本可还原真实溶洞的复杂形态，但实际获取的点云经常附带噪点等畸变点。

3.如权利要求1所述的复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，可通过设置体外孤点敏感度或手动删除溶洞点云模型中较为明显的噪点，尤其是孤立的点云噪点群及附属噪点群，从而得到处理后的精度较高的点云溶洞模型。

4.如权利要求1所述的复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，已知点云间平均间距与溶洞平均半径、递进旋转角度成正比，之后求取竖直和水平方向点云间距平均值，即可得到溶洞点云平均间距表达式

5.如权利要求1所述的复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，所述的采样倍径和模型畸变程度相关关系由以下统计数据获取，当采样倍径小于1倍平均间距时，噪点降低比率较低，极容易出现溶洞模型的畸变，导致溶洞模型自交面及孤点畸变点的产生；当取样倍径大于2倍平均间距时，溶洞模型和真实形态相差过大，不足以反应真实的溶洞模型；因此，当取样倍径为1至2倍平均间距之间时，溶洞模型很少或基本不会出现几何畸变。

6.如权利要求1所述的复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，所述的数值计算耦合接口在本案例中需要基于Geomagic和Comsol数值计算软件。

7.利用权利要求1-6任一所述的如权利要求1所述的复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1采用可通过狭小钻孔通道进入溶洞内部的激光探测系统C-ALS，进行整个溶洞内部壁面的三维点云坐标测量，采用点云处理软件将点云模型封装形成真实形态溶洞模型；

步骤2溶洞点云模型理论上应为连续、光滑的点云曲面，但实际获取的点云经常附带噪点等畸变点，在Geomagic Studio点云处理平台中，可通过设置体外孤点敏感度或手动删除溶洞点云模型中较为明显的噪点，尤其是孤立的点云噪点群及附属噪点群，可降低溶洞点云钉状物及附属几何体的产生概率，得到处理后的精度较高的点云溶洞模型；

步骤3确定溶洞点云最优化采样间距，首先将溶洞三维尺度平均值作为溶洞直径，而且已知溶洞单一维度投影面积为S_x，等效为同面积半径为R_x的圆，则等效半径R_x：

即不规则溶洞平均半径为：

竖直方向点云间平均距离为：

水平方向点云间平均距离为：

点云间平均间距与溶洞平均半径、递进旋转角度成正比，求取竖直和水平方向点云间距平均值，即溶洞点云平均间距为：

步骤4根据溶洞的不规则度，采用统一采样方法来进行点云降噪自动处理，统计发现，当采样倍径小于1倍平均间距时，噪点降低比率较低，极容易出现溶洞模型的畸变，导致溶洞模型自交面及孤点畸变点的产生；当取样倍径大于2倍平均间距时，溶洞模型和真实形态相差过大，不足以反应真实的溶洞模型；因此，当取样倍径为1至2倍平均间距之间时，溶洞模型很少或基本不会出现几何畸变；

步骤5通过Geomagic进行封装处理形成封闭曲面，并转化成stl格式文件，完成实体溶洞的建模过程；

步骤6利用Geomagic和根据实际计算需求选定的数值计算软件之间的耦合接口，实现复杂几何形态溶洞数据的定向传递，在数值计算软件中对复杂模型进行高精度的网格划分，开展数值计算研究。