【導(dǎo)讀】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。已難以滿足對各方面的需要。隨著計算機技術(shù)、計算機圖形學(xué)、可視化和虛擬現(xiàn)實等。方案審查人員和高層決策者提供更加直觀的決策依據(jù)。鐵路隧道圍巖的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)都會對施工過程產(chǎn)生重要影。建立隧道三維地質(zhì)模型可以更為直觀的方式表達專業(yè)設(shè)計人員的設(shè)計意圖，同時，也為后續(xù)施工、運營、管理及維護提供了具有指導(dǎo)意義的途徑。本文借用VC++開發(fā)平臺,利用OpenGL軟件接口,實現(xiàn)了隧道的三維仿真。系統(tǒng)運行,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。進入世界先進水平做出了具有一定價值的研究。

　　

【正文】 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)實世界對象的信息集合相對應(yīng) 。 人腦中的物體形貌在真實空間再現(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 。 幾何建模處理物體的幾何和形狀表示 ， 及研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問題 ， 不考慮物體的運動情況 。 而行為建模又稱為運動控制 ， 用來描述物體的運動行為特征 。 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)有機結(jié)合的虛擬環(huán)境 。 對于隧道三維場景的建模 ， 行駛于路線上的車輛屬于行為建模 。 三維建模的一般評價標(biāo)準(zhǔn) ： （ 1） 精確度 。 是指模型表示現(xiàn)實物體的精確程度 。 在建立模型時 ， 我們期望的所有模型都是精確的 ， 但從系統(tǒng)和顯示角度來看 ， 這種完全的精確是不可能或是沒有必要的 。 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 ， 越不利于實時的速度顯示 。 （ 2）顯示速度 。 在應(yīng)用開發(fā)的過程中 ， 我們往往希望行為建模的模型實時顯示的速度越快越好 。 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 。 在實際應(yīng)用中 ， 所需要創(chuàng)建的模型往往是比較復(fù)雜的 ， 建模過程中 ： 應(yīng)在 盡 可能精確表現(xiàn)模型的前提下 ， 創(chuàng)建一個比較容易的好的模型 ， 以利于我們的建模計算 。 （ 4） 廣泛性 。 是指要盡可能的擴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 。 隧道 可分為如下三種類型 ： 獨立單洞 ： 獨立一個洞的 隧道 設(shè)置形式 ； 獨立雙洞 ： 并行雙洞 之間 的距離較大 ， 在隧道設(shè)計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 無中夾 巖柱 ， 拱部襯砌結(jié)構(gòu)通過中柱相連接的 隧道 設(shè)置形式 。 在建模設(shè)計時 ， 獨立雙洞 和 連拱雙洞都可看做是兩個單洞 ， 分別繪制 。 對 隧道 洞設(shè)計分析如下 ： （ 1） 為提高圖形顯示的速度 ， 對隧道采用分段顯示 （ 即按某一特定步長每次只繪制視野范圍內(nèi)可見部分 ）； （ 2） 隧道劃分為隧道頭、隧道尾、普通隧道段和通道段 ， 分別進行繪制 ； （ 3）隧道 在繪制時以隧道頂部為界 ， 分左右兩側(cè)繪制 ； （ 4） 基于隧道內(nèi)部有不同圖案的因素 ， 對左右兩側(cè)隧道按比例分三部分繪制 ，每部分分別使用不同的 紋理， 使 隧道 仿真效果更加逼真 。 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)臺階上部為界 ， 可分為上部圓弧曲線和下部曲線 。 上部圓弧曲線是由三段不同半徑的圓弧組合而成 ， 在組合點處圓弧兩兩連續(xù) 。 下部曲線由直線段和該斷面處路面的豎曲線組成 。 （ 2） 隧道洞口 ： 隧道洞口設(shè)計主要分為洞口斜斷面、洞口端墻、洞口護墻以及連拱 隧道 洞口的倒角圓弧四部分 。 洞口斜斷面是過一個直斷面底部和另一個直斷面頂部的半橢圓形曲線 ， 無法通過數(shù)據(jù)庫的提供的基本數(shù)據(jù)直接得到 ， 需要 進行 求交計算 。隧 道洞口 為端墻 式時 ， 需計算洞口擋墻 （ 與隧道洞口位于同一平面的一個多邊形 ），獨立單洞和獨立雙洞的端墻相同 ， 是只包含一個隧道洞口的斜斷面 ， 而連拱雙洞的端墻則是包含左右兩個隧道洞口以及兩隧道之間倒角圓弧的斜斷面 。 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 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 護墻是以隊道的一個斜斷面向上延伸的一個平面 ， 而端墻式洞口的護墻平面是以端墻為基礎(chǔ)向上延伸的一個平面 。 （ 3）隧道 橫通道 ： 獨立雙洞 和 連拱雙洞中都不可避免的會出現(xiàn)橫通道 。 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 — 直線的一個組合曲線 。 （ 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)計算量 ， 需對隧道進行分段顯示 。 我們將詳細分析三維 隧道 模型的各部分構(gòu)造 ， 有機布置結(jié)合 ， 實現(xiàn)隧道的三維仿真 。 具體實現(xiàn)流程如下 ： 圖 3. 2 隧道仿真系統(tǒng)實現(xiàn)流程 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第四章 隧道三維模型設(shè)計及內(nèi)部計算 隨著經(jīng)濟的發(fā)展 ,高速公路的建設(shè)日新月異 。 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 。 如果在施工前 ,可實現(xiàn)公路隧道的三維虛擬展示以及反饋等功能 ,將大大提高交通運輸?shù)墓芾硇?。 隧道 三維模型的建立對于 隧道 施工具有重要的指導(dǎo)意義 ,可以 使決策人得到更直觀、更有效的決策信息。 工程上 ,為了利于施工 ,在相應(yīng)區(qū)域做的位置標(biāo)志稱為樁號 。 隧道的繪制是按照施工圖紙給定的樁號進行的 。 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? )。 隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面如下圖 ： 圖 4. 1 隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面 公路隧道橫斷面的類型 ,是指隧道起拱線以上圓弧段的形狀 。 為減少建模的復(fù)雜程度以及計算的重復(fù)度 ,我們把公路隧道斷面都看作是半橢圓形 ,而半圓形只是半橢圓形的一種特殊情況 。 隧道數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)如下 ： 首先存儲隧道的起始樁號 beginzh 和終止樁號 endzh ,隧道數(shù)據(jù)表中存儲結(jié)構(gòu)如下表。 其中編號字段中 1 代表半橢圓形 ,2 代表半圓形 ,\表示該字段為空 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 22 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 表 4. 1 隧道數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu) 編號 起始樁 號 終止樁 號 上部圓弧半 徑 中間圓弧半 徑 下部圓弧半 徑 夾角 1 beginzh endzh 0R 1R 2R ? 2 beginzh endzh \ 1R 2R \ 隧道的三維仿真設(shè)計 ， 是基于 VC++， 運用 OpenGL 中的繪圖函數(shù) ， 將離散樁號處的隧道橫斷面上的點依次相連繪制而成 ， 效果如圖 ， 所示： 圖 4. 2 隧道段 圖 4. 3 隧道內(nèi)部三維模型 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 23 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 1） 任一樁號隧道 斷面基本數(shù)據(jù)的獲得 在隧道的計算過程中 ， 已知隧道的起始樁號 beginzh 和終止樁號 endzh ， 考慮到數(shù)據(jù)量因素 ， 我們往往選取符合應(yīng)用的合適步長 Step， 則所分樁號個數(shù)為 1end beginzh zhN Ste p????????? 所得樁號數(shù)組為 0 1 1, , , Nzh zh zh ???? 通過 隧道 數(shù)據(jù)表可直接得到 beginzh 和 endzh 處的斷面基本數(shù)據(jù) 。 設(shè) 隧道 斷面的基本信息數(shù)據(jù)個數(shù)為 m， beginzh 和 endzh 的斷面基本數(shù)據(jù)分別為,beginjU 和 ,endjU ， 其中 j= 0,， 1， 2， ???， m1， 令參數(shù) i beginend beginzh zht zh zh???? ????? 則樁號 ( 0,1, , 1)izh i N? ??? ?處斷面基本數(shù)據(jù)為 ,(1 )i j e n d jbe gin jU t U t U? ? ? ? 0,1, 2, , 1jm? ??? ? （ 2）圓弧曲線的基本計算 （ ） 指定 弧長 處坐標(biāo)的求取 設(shè)圓弧的圓心坐標(biāo)為 CP ， 半徑為 R， 圓弧起始點到所求點 P 的弧長為 L， 圓弧起始點與水平線的夾角為 ? ， 圖 4. 4 圓弧示意 圖 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 24 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 則圓弧 L 對應(yīng)的圓心角為 39。 LR?? 所求點 P 為 39。39。( c o s( ) , sin ( ) )CP P R ? ? ? ?? ? ? ? ? （ ） 指定高度處弧長和坐標(biāo)的求取 設(shè)圓弧的圓心坐標(biāo)為半徑為 R， 所求點 P 與圓心 CP 的縱向差為 h， 圓弧起始點和圓心的縱向差為 H ， 圓弧起始點與水平線的夾角為 ? ， 則有 39。si n( ) si n( )R R h H? ? ?? ? ? ? ? ? 可得圓弧起始點與點 P 的夾角為 39。 a r c s in ( s in ( ) )hHR? ? ??? ? ? 則圓弧起始點到點 P 的弧長為 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 ( , )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)加寬點斷面的添加 由（ 1）知， 隧道初始所分樁號數(shù)組為 0 1 1, , , Nzh zh zh ???? 設(shè)加寬點樁號數(shù)組為 39。 39。 39。01, , , Mzh zh zh??? 通道門個數(shù)為 l,每個通道門有左右兩側(cè)兩個控制樁 (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樁號 (當(dāng)加寬點位于 隧道 外、某個通道門的控制樁內(nèi)或與初始所分樁號重合 ， 則視為無效 )， 其個數(shù)設(shè)為 n， 通過如下步驟實現(xiàn) ： 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 25 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊