【正文】 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(shì)被應(yīng)用在山區(qū)鐵路修建過(guò)程中以克服高程障礙。因此 ， 對(duì)鐵路 隧道 涉及相關(guān)技術(shù)研究的需求迫在眉睫。 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(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù) 。 三維仿真系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) ， 通過(guò)模擬施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、環(huán)境等關(guān)鍵要素 ， 創(chuàng)建仿真場(chǎng)景 ， 并以此為平臺(tái) ， 直觀的進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(wèn)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(gè)逼真的模擬現(xiàn)場(chǎng) ， 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(yè) 第 6 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的技術(shù)交底、班前會(huì)的召開(kāi) ， 能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供一個(gè)三維的仿真現(xiàn)場(chǎng) ， 使其身臨其境 ， 是現(xiàn)場(chǎng)工作的較好的應(yīng)用軟件 。 三維地質(zhì)建模 ， 就是將地質(zhì) ， 測(cè)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。 19961999 年在英國(guó) Leeds、新西蘭 Otago、英國(guó) Bristot、美國(guó)弗吉尼亞州Fredericsburg 分別舉行了地質(zhì)計(jì)算機(jī)會(huì)議，其內(nèi)容包括地質(zhì)建模、地形模擬和地形可視化。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(shū)中充分反映了他的研究成果。 國(guó)內(nèi)在地質(zhì)建模和地形可視化方面并不如發(fā)達(dá)國(guó)家研究的那么早，國(guó)內(nèi)應(yīng)用普及率尚還不高。由中國(guó)科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)及勝利油田聯(lián)合研制了復(fù)雜地質(zhì)體 深度成像軟件(Complex Geologic object Depth Imaging Software， CGOD)， 它提出了一種有效的方法使利用 AVS (Advanced Visual Systems)軟件實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序的集成成為可能 ； 天津大學(xué)鐘登華教授開(kāi)發(fā)研制了 VisualGeo， 即水利水電工程地質(zhì)建模與分析系統(tǒng) ， 其思想是建立在 NURBS 曲面構(gòu)模技術(shù)上 ， 用它擬合具有復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)曲面 ， 該系統(tǒng)在 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 8 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 溪洛渡、龍灘、白鶴灘等大型水利水電工程中得以應(yīng)用 ： 華北油田的 KDSYS 系統(tǒng)具有使用界面友好靈活 ， 適應(yīng)我國(guó)獨(dú) 特的地質(zhì)情況。接著分析隧道 橫通道的數(shù)學(xué)模型 ， 利用 OpenGL 繪圖函數(shù) ，繪出 隧道的通道門及其橫通道 。 B樣條方法 非均勻有理 B 樣條 (NonUniform Rational BSpline)方法 ， 簡(jiǎn)稱 NURBS 方法 ， 采用分子分母分別是分段參數(shù)多項(xiàng)式與分段多項(xiàng)式函數(shù)的分式表示 ， 是有理的 。 , ()ikN ? 是由節(jié)點(diǎn)矢量 ? ?01, , ,i n kU ? ? ? ??? ??? ???按如下遞推公式?jīng)Q定的 k 次規(guī)范 B 樣條基函數(shù) 。 特殊地 ， 當(dāng) n=k 時(shí)， k 次 NURBS 曲線就稱為 k 次有理貝齊爾曲線 。 定義：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)，且對(duì)任意的 1x ， 2x ? ? ?,ab ， 12xx? ，有 （ a） 當(dāng) 2xx? 時(shí)， 12( ) ( )f x f x? ； （ b） 當(dāng) 1xx? 時(shí)， 12( ) ( )f x f x? 。任取點(diǎn)? ?,c d a b?? ，則有 （ a） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x cb? ； 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 11 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ b） 如果 ( ) ( )f c f d? ，則 ? ?,x ad? 。假設(shè)進(jìn)行第 k 次迭代前? ?,kkx a b? ，取 ? ?,kkab??? ，規(guī)定 kk??? 。 （ a） 設(shè)在第 k 次迭代時(shí)有 ( ) ( )kkff??? ，則有 ? ? ? ?11,k k k ka b a ??? ? 。令 1 1 1 2( )a b a? ? ? ?， 1 1 1 8 ( )a b a? ? ? ? 計(jì)算 1()f? 與 1()f ? ，并令 k=1。 （ 4） 令 1kkaa? ? ， 1kkb ?? ? ， 1kk??? ? ， 1 1 1 2( )k k k ka b a? ? ? ? ?? ? ?，計(jì)算1()kf ?? ，令 k=k+1，轉(zhuǎn)（ 2）。 因此 ， 這種方法的適應(yīng)面相當(dāng)廣 。但第二類由于其對(duì)特殊領(lǐng)域的專用性使其靈活性低 ； 第三類是通用性較好的基于數(shù)據(jù)流的開(kāi)放性軟件 ， 但模塊的限制使其難以應(yīng)用于眾多領(lǐng)域 ， 如 AVS 和 IRIS Explorer 等。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 13 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 坐標(biāo)系統(tǒng)是將三維物體和二維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)的唯一紐帶 ， 在物體所在空間中定義一個(gè)世界坐標(biāo)系以數(shù)字化三維物體 ， 其也稱為全局坐標(biāo)系。另 外 ， 計(jì)算機(jī)要需要將一個(gè)二維直角坐標(biāo)系定義在顯示屏上 ， 把處理后的模型體現(xiàn)于顯示器 ， 稱這個(gè)二維直角坐標(biāo)系為屏幕坐標(biāo)系 ， 取平行于屏幕邊緣的方向?yàn)槠渥鴺?biāo)軸方向 ， 取左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)。同理 ， 將三維物體顯示在二 維屏幕上也同樣需要經(jīng)過(guò)視點(diǎn)變換 (Viewing Transformation)、模型變換(Modeling Transformation)、投影變換 (Projection Transformation)及視口變換 (Viewport Transformation)等步驟。 下面詳細(xì)介紹圖 中的各類變換功能。執(zhí)行視點(diǎn)變換的命令和執(zhí)行物體模型 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 14 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 變換的命令是相同。視點(diǎn)的變換除了用模型轉(zhuǎn)換命令執(zhí)行外 ， OpenGL 圖形庫(kù)中的 實(shí)用庫(kù) 也提供了 gluLookAt ()函數(shù)來(lái)定義視點(diǎn)矩陣 ， 并用它乘以當(dāng)前矩陣。三種模型變換函數(shù)分別為 ： 旋轉(zhuǎn)變換 ， 平移變換 ， 縮放、反射變換 。如觀察一條筆直的馬路 ,， 邊界在很遠(yuǎn)處近似于交匯于一點(diǎn)。正射投影與透視投影最大的區(qū)別就是物體距離視點(diǎn)的遠(yuǎn) 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 15 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 近不影響投影后物體的大小 ， 如圖 所示。因此 ， 設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)精度和代價(jià)充分考慮。環(huán)境光是由光源發(fā)出并通過(guò)環(huán)境散射的不特定方向的光。 漫射光 ， 來(lái)自特 定方向 ， 亮度與視點(diǎn)位置無(wú)關(guān)。 （ 2） 創(chuàng)建所有的光源并對(duì)其進(jìn)行選擇、定位。無(wú)效的情況下 ,OpenGL 只對(duì) 當(dāng)前頂點(diǎn)映射當(dāng)前的顏色 ,省去光源、法向等復(fù)雜計(jì)算 ,圖形缺乏真實(shí)感。 OpenGL 中紋理是顏色、亮度等數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單矩陣陣列。概括地說(shuō) ， 紋理貼圖操作包括 (如圖 ):對(duì)紋理的定義、控制、說(shuō)明方式、定義坐標(biāo)等。 OpenGL 紋理過(guò)濾函數(shù) ： Void glTexParameter{if}[v](GLenum target， GLenum pname, TYPE param)； 進(jìn)行紋理貼圖時(shí) ， 可以直接將紋理圖像貼到物體上替代原色 ， 也可與原色融合。 三維建模的目的在于利用各種不同的信息源 ， 構(gòu)造出滿足系統(tǒng)目標(biāo)的模型 ， 它與已知現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的信息集合相對(duì)應(yīng) 。 沒(méi)有行為的物體或是對(duì)用戶交 互沒(méi)有任何反映的對(duì)象 ， 在虛擬環(huán)境中是沒(méi)有意義的 ， 因此我們要建立的是兩種建模技術(shù)有機(jī)結(jié)合的虛擬環(huán)境 。 在建立模型時(shí) ， 我們期望的所有模型都是精確的 ， 但從系統(tǒng)和顯示角度來(lái)看 ， 這種完全的精確是不可能或是沒(méi)有必要的 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁(yè) 第 19 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3） 易用性 。 隧道 可分為如下三種類型 ： 獨(dú)立單洞 ： 獨(dú)立一個(gè)洞的 隧道 設(shè)置形式 ； 獨(dú)立雙洞 ： 并行雙洞 之間 的距離較大 ， 在隧道設(shè)計(jì)施工中不必考慮雙洞相互影響的隧道設(shè)置形式 ； 連拱 隧道： 并行雙洞 之間 無(wú)中夾 巖柱 ， 拱部襯砌結(jié)構(gòu)通過(guò)中柱相連接的 隧道 設(shè)置形式 。 上部圓弧曲線是由三段不同半徑的圓弧組合而成 ， 在組合點(diǎn)處圓弧兩兩連續(xù) 。隧 道洞口 為端墻 式時(shí) ， 需計(jì)算洞口擋墻 （ 與隧道洞口位于同一平面的一個(gè)多邊形 ），獨(dú)立單洞和獨(dú)立雙洞的端墻相同 ， 是只包含一個(gè)隧道洞口的斜斷面 ， 而連拱雙洞的端墻則是包含左右兩個(gè)隧道洞口以及兩隧道之間倒角圓弧的斜斷面 。 （ 4） 考慮到整個(gè)隧道仿真系統(tǒng)的顯示速度 ， 減少當(dāng)前視野段內(nèi)模型的數(shù)據(jù)計(jì)算量 ， 需對(duì)隧道進(jìn)行分段顯示 。 如果在施工前 ,可實(shí)現(xiàn)公路隧道的三維虛擬展示以及反饋等功能 ,將大大提高交通運(yùn)輸?shù)墓芾硇?。 公路隧道橫斷面一般為半圓形或半橢圓形 ,是由三個(gè)不同半徑的圓弧 0R 、 1R 、 2R拼接而成 （ 當(dāng)為半圓形時(shí) 01RR? )。 其中編號(hào)字段中 1 代表半橢圓形 ,2 代表半圓形 ,\表示該字段為空 。39。LR??? （ ） 二維平面坐標(biāo)到三維空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化 設(shè)平面圓弧的圓心坐標(biāo)為 P： ,它的空間三維坐標(biāo)為 CP ,沿垂直于二維平面方向上的切線方位角為 ? ， 則二維坐標(biāo)系中圓弧上任一點(diǎn) ( , )Pxy 的三維坐標(biāo) 3P 為 3 3 3 3( , , ) ( c o s ( ) , s in ( ) , )22CP x y z P x y y????? ? ? ? ? ? （ 3） 隧道內(nèi)加寬點(diǎn)斷面的添加 由（ 1）知， 隧道初始所分樁號(hào)數(shù)組為 0 1 1, , , Nzh zh zh ???? 設(shè)加寬點(diǎn)樁號(hào)數(shù)組為