【正文】 ation contributes a lot to safe and scientific tunnel digging. With China39。建立隧道三維地質(zhì)模型可以更為直觀的方式表達(dá)專業(yè)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖 ， 同時(shí) ，也為后續(xù)施工、運(yùn)營(yíng)、管理及維護(hù)提供了具有指導(dǎo)意義的途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ， 人們希望能通過(guò)更加直觀的形式反映鐵路隧道的實(shí)際 情況 ， 從而為方案審查人員和高層決策者提供更加直觀的決策依據(jù)。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 1 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 實(shí)際隧道開(kāi)挖中，圍巖的地質(zhì)環(huán)境變化，圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性都將給施工帶來(lái)不利影響。所以 ， 鐵路隧道三維建模技術(shù)日益受到重視。 本文借用 VC++開(kāi)發(fā)平臺(tái) ,利用 OpenGL 軟件接口 ,實(shí)現(xiàn)了隧道的三維仿 真。s prehensive national strength increasing, the railway industry is developing rapidly. And the railway tunnel 3D geological modeling technology also got widely concern with a large number of railway construction. Railway tunnel 3D geological modeling, in order to further meet the researcher39。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展 ， 綜合國(guó)力不斷增強(qiáng) ， 高新技術(shù)不斷發(fā)展以及國(guó)內(nèi)不斷擴(kuò)大內(nèi)需的實(shí)際需要 ， 我國(guó)鐵路隧道發(fā)展前景廣闊 ， 同時(shí)鐵路隧道發(fā)展也是我國(guó)西部大開(kāi)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(lái)隨著高速鐵路在我國(guó)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。通過(guò)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(wèn)題和不良地質(zhì)體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)問(wèn)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(cè)、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(cè)評(píng)價(jià)。 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 。 基于以上分析，本文針對(duì)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(duì)長(zhǎng)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(kāi)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?cè)谶M(jìn)行工程地質(zhì)研究時(shí)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)。 1992 年國(guó)際勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)和歐洲勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)成 立了SEG/EAEG3D 建模委員會(huì)，展開(kāi)了 3D 建模工程（ SEM）。 在諸多研究中，國(guó)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(cè)、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(yè) 第 7 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 來(lái)，進(jìn)行地質(zhì)建模和可視化。 GISMapInfo 公司也不示弱，投入巨資開(kāi)發(fā) MapX，其發(fā)展前景良好。在地質(zhì)應(yīng)用軟件方面 ， 國(guó)內(nèi)不單吸收國(guó)外技術(shù) ， 還致力于可視化技術(shù)軟件開(kāi)發(fā)。 然后把隧道分為隧道內(nèi)部和隧道頭 (尾 )兩部分 ， 來(lái)詳細(xì)介紹 隧道 模型設(shè)計(jì)時(shí)一些主要的計(jì)算 。 這些理論的應(yīng)用 ， 確保了隧道三維仿真模型創(chuàng)建的可行性和準(zhǔn)確性 。 ( 0, , )id i n? ??? 稱為控制頂點(diǎn) ， 順序連成曲線的控制多邊形 。 因此 ， 有曲線定義域 ? ?1,kn? ? ? ?? = ? ?0,1 。NURBS 曲線的幾何性質(zhì) ： （ 1）局部性； （ 2）變差減少性（ VD 性質(zhì)）； （ 3）凸包性； （ 4）在仿射與透視變換下的不變性； （ 5） 在曲線定義域內(nèi)有與 有理基 函數(shù)同樣的可微性 ， 也可稱為參數(shù)連續(xù)性 ； （ 6） 若某個(gè)權(quán)因子 i? 等于零 ， 則相應(yīng)那個(gè)控制頂點(diǎn) id 對(duì)曲線沒(méi) 有影響 ； （ 7）若 i??? ，則 id ，當(dāng) ? ?1,i i k? ? ? ??? ()p?? ()p? ，其他 （ 8） 非有理與 有理 貝齊爾曲線和非有理 B 樣條曲線是 NURBS 曲線的特殊情況 。 定理：設(shè) ()fx是區(qū)間 ? ?,ab 上的一元函數(shù)， x 是 ()fx在 ? ?,ab 上的極小點(diǎn)。 設(shè) ()fx 在區(qū)間 ? ?11,ab 上單峰，極小點(diǎn) ? ?11,x a b? 。 通過(guò)確定 ? 的值 ， 使上一次迭代剩余的迭代點(diǎn)恰與下一次迭代的一個(gè)迭代點(diǎn)重合 ， 從而減少算法的計(jì)算量 。 黃金分割算法步驟： 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 12 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 1） 給定初始區(qū)間 ? ?11,ab ，精度要求 0?? 。 （ 3） 令 1kka ?? ? ， 1kkbb? ? ， 1kk??? ? ， 1 1 1 8 ( )k k k ka b a? ? ? ? ?? ? ?，計(jì)算1()kf ?? ，令 k=k+1，轉(zhuǎn)（ 2）。 對(duì)函數(shù)要求 “ 單峰 ” 外不作其他要求 ， 甚至可以不連續(xù) 。第二類和第三類軟件 ， 都不需要編程。由于部分可編 程軟件的編程是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程 ， 對(duì)程序員的編程能力要求較高 ，綜合考慮各方面 ， 我們選擇 OpenGL 作為鐵路隧道三維地質(zhì)建模工具 ， 很大程度上減輕了三維模型重現(xiàn)的難度。它是左手坐標(biāo)系 ， 物體可以圍繞局部坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等操作。類似于用照相機(jī)拍照一樣 ， 相機(jī)要將美好景物定格在照片上 ， 首先必須對(duì)準(zhǔn)景物 ， 然后調(diào)整景物到適當(dāng)位置 ， 接下來(lái)調(diào)整鏡頭選好焦距 ， 最后沖洗底片 ， 決定照片大小。值得注意的是 ， 在 OpenGL 編程中 ， 指令發(fā)出的次序和實(shí)際的變換次序正好相反?？梢?jiàn) ， 為了避免物體模型和相機(jī)重疊 ， 進(jìn)行視點(diǎn)變換是必須的。進(jìn)行變換時(shí) ， 我們必須將兩者綜合考慮。初始狀態(tài)下 ，物體模型的中心選取在坐標(biāo)系 的 中心處。透視投影視景體如一個(gè)被切掉上下底 的棱錐 (即棱臺(tái) )， 類似于在現(xiàn)實(shí)生活中觀察事物 ， 越遠(yuǎn)的物體顯得越小 ， 即物體近大遠(yuǎn)小。 圖 2. 2 OpenGL 的透視投影模型 正射投影 ， 其作用就是創(chuàng)建一個(gè)平行視景體 ， 即長(zhǎng)方體空間區(qū)域 ， 生成一個(gè)正射投影矩陣并與當(dāng)前矩陣相乘。通常情況下 ， 高的逼真度是以復(fù)雜的光照模型和大批的計(jì)算為代價(jià)的。鏡面光是從一定方向發(fā)出并朝另一方向反射出去。在OpenGL 中 ， 反射光能夠增加物體的亮度。物體相對(duì)光源的指向是由法線確定的。 OpenGL 中要求必須明確指出光照有效與否。 OpenGL紋理貼圖 真實(shí)世界中，物體的表面都有各種紋理 ， 想要真實(shí)地繪制三維物體 ， 在光照處理基礎(chǔ)上 ， 還應(yīng)顯示其紋理 ， 使物體表現(xiàn)得更加真實(shí)。通俗地說(shuō) ， 紋理就是圖片 ， 紋理貼圖技術(shù)就是把紋理圖片貼到物體對(duì)應(yīng)的表面上 ， 展現(xiàn)出希望的圖案、顏色和凹凸感等。紋理映射的過(guò)程實(shí)際上是從紋理圖像空間 映射到幀 緩沖圖像空間的過(guò)程 ， 必然需要重構(gòu)紋理圖像 ， 此時(shí)紋理圖像單元和屏幕像素單元的大小往往不能夠一對(duì)一匹配 ， 會(huì)造成圖像的失真此時(shí)就需要紋理過(guò)濾。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 18 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 隧道三維仿真建模 三維 場(chǎng)景 建模是虛擬環(huán)境的重要環(huán)節(jié) ， 是虛擬環(huán)境軟 件開(kāi)發(fā)不可缺少的組成部分 。 而行為建模又稱為運(yùn)動(dòng)控制 ， 用來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)行為特征 。 是指模型表示現(xiàn)實(shí)物體的精確程度 。 在應(yīng)用開(kāi)發(fā)的過(guò)程中 ， 我們往往希望行為建模的模型實(shí)時(shí)顯示的速度越快越好 。 是指要盡可能的擴(kuò)大它所能表示的物體的范圍 ， 相似類型的模型 ，盡可能用數(shù)量少的模型創(chuàng)建來(lái) 。 根據(jù)參數(shù)化 建模技術(shù) ， 將隧道分為隧道內(nèi)部、隧道洞門和隧道橫通道三部分 ， 對(duì)隧道建模具體分析如下 ： （ 1）隧道 內(nèi)部橫斷面曲線 ： 隧道橫斷面曲線以隧道內(nèi)臺(tái)階上部為界 ， 可分為上部圓弧曲線和下部曲線 。 洞口斜斷面是過(guò)一個(gè)直斷面底部和另一個(gè)直斷面頂部的半橢圓形曲線 ， 無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的提供的基本數(shù)據(jù)直接得到 ， 需要 進(jìn)行 求交計(jì)算 。 橫通道按功能可分為人行橫通道和車行橫通道 ，橫通道洞口是直線 — 圓弧 — 直線的一個(gè)組合曲線 。 隧道作為高速公路不可缺少的一部分 ,也一直備受的關(guān)注 。 隧道的繪制是按照施工圖紙給定的樁號(hào)進(jìn)行的 。 隧道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下 ： 首先存儲(chǔ)隧道的起始樁號(hào) beginzh 和終止樁號(hào) endzh ,隧道數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下表。 LR?? 所求點(diǎn) P 為 39。 a r c s in ( s in ( ) )hHR? ? ??? ? ? 則圓弧起始點(diǎn)到點(diǎn) P 的弧長(zhǎng)為 39。01, , , Mzh zh zh??? 通道門個(gè)數(shù)為 l,每個(gè)通道門有左右兩側(cè)兩個(gè)控制樁 (通道門位于它左右兩側(cè)的控制樁內(nèi) ),通道門口控制樁號(hào)數(shù)組為 ? ? ? ? ? ? ? ?0 1 0 10 , 0 , , 1 , 1zh zh zh l zh l??? ? ? 首先確定有效的加寬點(diǎn)樁號(hào) (當(dāng)加寬點(diǎn)位于 隧道 外、某個(gè)通道門的控制樁內(nèi)或與初始所分樁號(hào)重合 ， 則視為無(wú)效 )， 其個(gè)數(shù)設(shè)為 n， 通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn) ： 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 25 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊。 39。( c o s( ) , sin ( ) )CP P R ? ? ? ?? ? ? ? ? （ ） 指定高度處弧長(zhǎng)和坐標(biāo)的求取 設(shè)圓弧的圓心坐標(biāo)為半徑為 R， 所求點(diǎn) P 與圓心 CP 的縱向差為 h， 圓弧起始點(diǎn)和圓心的縱向差為 H ， 圓弧起始點(diǎn)與水平線的夾角為 ? ， 則有 39。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 22 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 表 4. 1 隧道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 編號(hào) 起始樁 號(hào) 終止樁 號(hào)