【正文】 ............................... 28 隧道頭（尾）斜斷面的計(jì)算 ............................................................. 28 連拱隧道洞口倒 角圓弧計(jì)算 ............................................................. 29 第五章 隧道裁剪算法研究 ...................................................................................... 31 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裁剪算法 ........................................................................................................ 31 裁剪的原理 ......................................................................................... 31 二維線段的裁剪 ................................................................................. 31 多邊形的裁剪 ..................................................................................... 33 裁剪算法 ............................................................................. 33 裁剪算法的基本方法 .............................................. 33 裁剪算法的不足 ...................................................... 35 對 WeilerAtherton裁剪算法的改進(jìn) ............................................................ 35 算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ................................................................................. 35 裁剪前的預(yù)處理 ................................................................................. 35 特殊點(diǎn)處理 ......................................................................................... 37 改進(jìn)算法執(zhí)行流程 ............................................................................. 38 改進(jìn)算法的優(yōu)勢 ................................................................................. 39 結(jié)論 .............................................................................................................................. 40 致謝 .............................................................................................................................. 41 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 42 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 緒論 隨著人類文明的發(fā)展 ， 現(xiàn)代工程技術(shù)也不斷進(jìn)步 ， 位于地下的 隧道 已 廣泛 受到交通領(lǐng)域?qū)I(yè)人員重視 ， 隧道以其明顯的優(yōu)勢被應(yīng)用在山區(qū)鐵路修建過程中以克服高程障礙。它既 能使線路順直 ， 避免無謂的展延 ， 縮短線路 ； 又可使線路坡度變小 ， 改善運(yùn)營條件 ， 提高運(yùn)力 ， 節(jié)省財(cái)力。目前我國鐵路 隧道 無論在數(shù)量上 ， 還是在總長度上均已處于世界領(lǐng)先地位。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展 ， 綜合國力不斷增強(qiáng) ， 高新技術(shù)不斷發(fā)展以及國內(nèi)不斷擴(kuò)大內(nèi)需的實(shí)際需要 ， 我國鐵路隧道發(fā)展前景廣闊 ， 同時鐵路隧道發(fā)展也是我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和發(fā)展沿海經(jīng)濟(jì)的迫切需要此外 ， 近年來隨著高速鐵路在我國的興起 ， 其要求線路短、坡度小的現(xiàn)實(shí)更加大了鐵路隧道項(xiàng)目的建設(shè)力度。因此 ， 對鐵路 隧道 涉及相關(guān)技術(shù)研究的需求迫在眉睫。 隨著交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展 ， 鐵路 隧道設(shè)計(jì)形式繁多 ， 建設(shè)形式 、 構(gòu)造越發(fā)復(fù)雜多樣 ， 這使設(shè)計(jì)、審評、施工、維護(hù)等工作都受到了嚴(yán)峻考驗(yàn) ， 基于二維地圖和實(shí)物模型的傳統(tǒng)表現(xiàn)方式很難滿足日益復(fù)雜的形勢。鐵路工程地質(zhì)研究者們希望通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)一個以基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、信息可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的三維地質(zhì)建模與可視化系統(tǒng)。通過地質(zhì)信息管理、三維地質(zhì)建模和三維可視化等計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)區(qū)段的三維空間工程地質(zhì)研究分析，擬以解決鐵路工程建設(shè)中存在的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)問題和不良地質(zhì)體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測評價(jià)問題，為深入了 解鐵路工程建設(shè)區(qū)段的三維空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、決策建設(shè)工程的設(shè)計(jì)方案提供科學(xué)可靠的工程地質(zhì)依據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測評價(jià)。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) (Computer Simulation Technology)是指利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型 ， 并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對模型進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù) 。 它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優(yōu)點(diǎn) ， 已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng) (尤其是復(fù)雜系統(tǒng) )的重要工具 。 近年來 ， 隨著系統(tǒng)科學(xué)研究的深入以及控制理論、計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與 技術(shù)的發(fā)展 ， 已使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)成為一門新興的學(xué)科 。 信息處理技術(shù)的突飛猛進(jìn) ， 更使得計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到迅猛發(fā)展 。 三維仿真系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) ， 通過模擬施工作業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備、環(huán)境等關(guān)鍵要素 ， 創(chuàng)建仿真場景 ， 并以此為平臺 ， 直觀的進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場的危險(xiǎn)點(diǎn)分析和控制措施布置 ， 解決了以往平面顯示對復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行安全措施及危險(xiǎn)點(diǎn)的分析情況等反應(yīng)不全面的問題 ， 為檢修方案的制定 ， 安全措施的布置 ， 人員的分工安排等提供一個逼真的模擬現(xiàn)場 ， 方便施工管理人員和技術(shù)人員進(jìn)行施工前 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的技術(shù)交底、班前會的召開 ， 能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供一個三維的仿真現(xiàn)場 ， 使其身臨其境 ， 是現(xiàn)場工作的較好的應(yīng)用軟件 。 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ， 特別是社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ， 對交通運(yùn)輸?shù)男枨竺黠@增長 ，高速 公路的建設(shè)越來越多 ，隧道 是高速公路不可缺少的重要組成部分 。 數(shù)字公路的興起 ， 研究開發(fā)一種快速三維可視化仿真方法實(shí)現(xiàn)公路及其隧道的可視化具有相當(dāng)重要的意義 。 基于以上分析，本文針對鐵路工程建設(shè)的需要，以三維地質(zhì)建模項(xiàng)目為依托，對長大鐵路地質(zhì)隧道的三維地質(zhì)建模與可視化系統(tǒng)中的隧道虛擬開挖和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行了研究，使得鐵路工程地質(zhì)研究者們在進(jìn)行工程地質(zhì)研究時能夠直觀地了解到施工地段地下圍巖的地質(zhì)構(gòu) 造和存在的自然風(fēng)險(xiǎn)，為工程設(shè)計(jì)施工提供了地質(zhì)依據(jù)。 三維地質(zhì)建模 ， 就是將地質(zhì) ， 測井 ， 地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起 ， 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù) ， 在三維環(huán)境下將空間信息、地質(zhì)信息等結(jié)合圖形可視化軟件等工具 ， 生成三維定量模型。 二十世紀(jì)六十年代以后，伴隨著地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)，逐步形成了地質(zhì)建模和地形可視化的概念。長期以來，地質(zhì)建模和可視化一直受到各國科學(xué)家的重視，并且從九十年代起有了迅速的發(fā)展。 1992 年國際勘探地球物理學(xué)家協(xié)會和歐洲勘探地球物理學(xué)家協(xié)會成 立了SEG/EAEG3D 建模委員會，展開了 3D 建模工程（ SEM）。 19961999 年在英國 Leeds、新西蘭 Otago、英國 Bristot、美國弗吉尼亞州Fredericsburg 分別舉行了地質(zhì)計(jì)算機(jī)會議，其內(nèi)容包括地質(zhì)建模、地形模擬和地形可視化。 1997 年國際數(shù)學(xué)地質(zhì)會議在巴塞羅那召開。會議上， Graeme BonhamCarter 等強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)材質(zhì) 3D 重建、地質(zhì)建模及地形可視化的重要性。 在諸多研究中，國外學(xué)者在三維地質(zhì)體建模和可視化研究方面已取得一些重要的成果： （ 1） Bak（ 1989）， Smith（ 1989）提出了地學(xué)信息的三維表示方法； （ 2） Raper .（ 1989）提出了一些地學(xué)三維模型； （ 3） Pugandliarbaugh（ 1992）、 Hamiltonand Jones（ 1992）、 Turner（ 1992） 和 Houlding（ 1994）提供了一系列 2D 和 3D 的地質(zhì)建模方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將空間信息數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、圖形可視化等工具結(jié)合起 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 7 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 來，進(jìn)行地質(zhì)建模和可視化。以 Simon W． Houlding 為代表，《三維地學(xué)建模：地質(zhì)特征描 述的計(jì)算機(jī)技術(shù)》一書中充分反映了他的研究成果。 近年來，國外在面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)的影響下，基于組件式三維地質(zhì)模型 （ Com3DsGMS）軟件系統(tǒng)的研究發(fā)展迅速，如 Intergraph 稱該公司已經(jīng)進(jìn)入組件式 GIS 的時代，在 Jupite 計(jì)劃中，正在移植和開發(fā)多種組件式的 GIS。 ESRI 在組件式GIS 方面也作了新的探索。 GISMapInfo 公司也不示弱，投入巨資開發(fā) MapX，其發(fā)展前景良好。 國內(nèi)在地質(zhì)建模和地形可視化方面并不如發(fā)達(dá)國家研究的那么早，國內(nèi)應(yīng)用普及率尚還不高。但我國地理 形勢復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造多樣，很多工作才剛剛起步，數(shù)據(jù)模型尚處于探索和嘗試階段。從 1992 年開始，北京大學(xué)開展三維地質(zhì)空間信息系統(tǒng)研究計(jì)劃 (Geological Spatial Information System， GSIS) 建立了供地質(zhì)信息分享、數(shù)據(jù)處理分析處理、輔助科學(xué)研究和教學(xué)的信息系統(tǒng) ； 唐中實(shí)等分析了當(dāng)前實(shí)現(xiàn)三維地形可視化的主要方法 ； 李青元、曹代勇等提出了五種可視化地質(zhì)模型來顯示地層模型，包括三維景觀方式、切面方式、透視三維景觀方式、掀蓋三維景觀方式和等高線方式 ； 黃地龍等將人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技 術(shù)及工程地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫管理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)引入進(jìn)來