【正文】 工具有重要的指導(dǎo)意義 ,可以 使決策人得到更直觀、更有效的決策信息。 削竹式隧道洞口的 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 護(hù)墻是以隊(duì)道的一個斜斷面向上延伸的一個平面 ， 而端墻式洞口的護(hù)墻平面是以端墻為基礎(chǔ)向上延伸的一個平面 。 在建模設(shè)計(jì)時 ， 獨(dú)立雙洞 和 連拱雙洞都可看做是兩個單洞 ， 分別繪制 。 一般情況下 ： 我們所需要的精確度取決于模型應(yīng)用本身 ， 模型的精確度越高 ，數(shù)據(jù)量就越大 ， 越不利于實(shí)時的速度顯示 。 人腦中的物體形貌在真實(shí)空間再現(xiàn)出來的過程 ， 就是三維建模的過程 .三維模型的信息源描述如下圖所示 ： 圖 3. 1 建模信息描述圖 建模技術(shù)大致可以分為兩類 ： 幾何建模和行為建模 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 17 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 2. 5 OpenGL 紋理貼圖步驟 定義紋理有兩種方法 ： 連續(xù)法和離散法 ， 離散法 較常用 ， 用函數(shù) glTexImage2D ()來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)先調(diào)用函數(shù)glEnable(GL— LIGHTING)來啟動光照使其有效 。當(dāng)漫射光垂直于物體時 ， 比傾斜狀態(tài)下更明亮。 OpenGL 模擬光源是通過假定分解發(fā)射出的光為 (LR， LG， LB)三個分量 ， 當(dāng)光照射到某個表面時 ， 材質(zhì)顏色為 (MR， MG， MB)， 則此表面反射光的紅、綠、藍(lán)分量是 (LR*MR， LG * MG， LB * MB)。 OpenGL 有兩個透視投影函數(shù) ： glFrustum ()與 glPerspective ()， 雖然兩個函數(shù)參數(shù)有所不同 ， 但其作用都是 創(chuàng)建一個透視視景體 ， 生成透視投影矩陣 ， 并與當(dāng)前矩陣相乘。一般 ， 視點(diǎn)變換在模型變換之前進(jìn)行 ， 便于模型轉(zhuǎn)換率先對物體發(fā)生作用 ， 模型變換和視點(diǎn)變換一起構(gòu)成模型視景矩陣。 圖 2. 1 OpenGL 中的三維物體在屏幕上顯示過程 （ 1） 視點(diǎn)變換， VT VT 變換確定了場景中三維物體的視點(diǎn)位置和方向 ， 在視點(diǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行。 OpenGL變換 我們知道 ， 在真實(shí)世界中 ， 物體都是以 三維形式 呈現(xiàn)的。第一類是需要進(jìn)行編程的面向開發(fā)的可視化工具 ， 具有良好的靈活性 ， 如 OpenGL(Open Graphics Library， 開放式圖形庫 )、Direct3D、 AVS/Express 開發(fā)版等。 黃金分割法的迭代效果 ： 經(jīng)過第 k 次迭代后所得區(qū)間長度為初始區(qū)間長度的51()2 k? 。 在第 k+1 次迭代時選取 11,kk????， 則由 ()式有 21 1 1 1( ) ( )k k k k k k ka b a a b a? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? 如果令 2 1???? ，則 1kk??? ? ，因此 1k?? 不必重新計(jì)算。 黃金分割法 思想 ： 通過選取試探點(diǎn)使包含極小點(diǎn)的區(qū)間不斷 縮短， 直到區(qū)間長度小到一定程度 ， 此時區(qū)間上各點(diǎn)的函數(shù)值均接近極小值 。 k 次 NURBS 曲線的節(jié)點(diǎn)矢量中兩端節(jié)點(diǎn)重復(fù)度取成 k+ 1 就使得曲 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線具有同次有理貝齊爾曲線的端點(diǎn)幾何性 質(zhì) 。 一條 k 次 NURBS 曲線可表示為一分段有理多項(xiàng)式矢函數(shù) ,1,1()()()ni i i kkni i kkdNpN?????????? 其中 ( 0, , )i in? ? ??? 稱為權(quán)或權(quán)因子 (weights)， 分別與控制頂點(diǎn) ( 0, , )id i n? ??? 相聯(lián)系 。但國內(nèi)軟件缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和統(tǒng)一管理 ， 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化低 ， 普適性低。 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。 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。 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、培訓(xùn)系統(tǒng) (尤其是復(fù)雜系統(tǒng) )的重要工具 。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。因此 ， 為設(shè)計(jì)人員提供更為直觀的三維可視化隧道地質(zhì)模型有助于其對地下巖體的地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征等信息進(jìn)行綜合考慮 ， 提高施工效率 ， 將隧道開挖風(fēng)險盡量降低。因此，在隧道工程施工過程中，弄清地下巖體的地質(zhì)特征、地 層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)分布規(guī)律以及隧道開挖風(fēng)險參數(shù)，對于安全、 科學(xué)地規(guī)劃隧道施工無疑至關(guān)重要。 通過系統(tǒng)運(yùn)行 ,展示了三維地質(zhì)體模型、鐵路隧道的三維模型及鐵路隧道內(nèi)部地質(zhì)剖面 ,能夠有效實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)資源的數(shù)據(jù)管理、三維自動建模、三維可視化和空間分析等操作。因此 ， 對鐵路 隧道 涉及相關(guān)技術(shù)研究的需求迫在眉睫。 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 。 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。 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。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 。 , ()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) 。 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)，且對任意的 1x ， 2x ? ? ?,ab ， 12xx? ，有 （ a） 當(dāng) 2xx? 時， 12( ) ( )f x f x? ； （ b） 當(dāng) 1xx? 時， 12( ) ( )f x f x? 。假設(shè)進(jìn)行第 k 次迭代前? ?,kkx a b? ，取 ? ?,kkab??? ，規(guī)定 kk??? 。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。 因此 ， 這種方法的適應(yīng)面相當(dāng)廣 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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)起來的唯一紐帶 ， 在物體所在空間中定義一個世界坐標(biāo)系以數(shù)字化三維物體 ， 其也稱為全局坐標(biāo)系。同理 ， 將三維物體顯示在二 維屏幕上也同樣需要經(jīng)過視點(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。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 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 變換的命令是相同。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 。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 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 近不影響投影后物體的大小 ， 如圖 所示。環(huán)境光是由光源發(fā)出并通過環(huán)境散射的不特定方向的光。 （ 2） 創(chuàng)建所有的光源并對其進(jìn)行選擇、定位。 OpenGL 中紋理是顏色、亮度等數(shù)據(jù)的簡單矩陣陣列。 OpenGL 紋理過濾函數(shù) ： Void glTexParameter{if}[v](GLenum target， GLenum pname, TYPE param)； 進(jìn)行紋理貼圖時 ， 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。 沒有行為的物體或是對用戶交 互沒有任何反映的對象 ， 在虛擬環(huán)境中是沒有意義的 ， 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 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3） 易用性 。 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) 。 （ 4） 考慮到整個隧道仿真系統(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 ， 需對隧道進(jìn)行分段顯示 。 公路隧道橫斷面一般為半圓形或半橢圓形 ,是由三個不同半徑的圓弧 0R 、 1R 、 2R拼接而成 （ 當(dāng)為半圓形時 01RR? )