隧道三维建模技术的研究-毕业论文.doc

1、装订线隧道三维建模技术的研究摘 要实际隧道开挖中，围岩的地质环境变化，围岩地质结构复杂性都将给施工带来不利影响。因此，在隧道工程施工过程中，弄清地下岩体的地质特征、地层结构、地质分布规律以及隧道开挖风险参数，对于安全、科学地规划隧道施工无疑至关重要。随着我国综合国力的不断增强，铁路行业突飞猛进地发展，这对铁路隧道设计、评审、施工、维护等方面都提出了更高的要求，传统的基于二维地图和实物模型的表现方式已难以满足对各方面的需要。随着计算机技术、计算机图形学、可视化和虚拟现实等技术的广泛应用，人们希望能通过更加直观的形式反映铁路隧道的实际情况，从而为方案审查人员和高层决策者提供更加直观的决策依据。所以

2、，铁路隧道三维建模技术日益受到重视。铁路隧道围岩的复杂地质环境、地质结构都会对施工过程产生重要影响。因此，为设计人员提供更为直观的三维可视化隧道地质模型有助于其对地下岩体的地层结构、地质特征等信息进行综合考虑，提高施工效率，将隧道开挖风险尽量降低。建立隧道三维地质模型可以更为直观的方式表达专业设计人员的设计意图，同时，也为后续施工、运营、管理及维护提供了具有指导意义的途径。本文借用VC+开发平台,利用OpenGL软件接口,实现了隧道的三维仿真。通过系统运行,展示了三维地质体模型、铁路隧道的三维模型及铁路隧道内部地质剖面,能够有效实现对地质资源的数据管理、三维自动建模、三维可视化和空间分析等操作

3、。本研究以以人为本的科学发展观的精神,对于在铁路工程建设中应用先进技术,实现科学的管理、设计,提高施工安全性等方面具有现实意义,为我们的铁路隧道工程建设进入世界先进水平做出了具有一定价值的研究。关键词：铁路隧道，三维建模，OpenGL，空间分析ABSTRACTWhile in the process of the actual tunnel excavation, the geological environment changes of the rock, the complexity geological construction of the rock will both have ne

4、gative effects on the construction. Therefore, having a clear understanding of geological characteristics of underground rock, the formation, geological distribution and risk parameters of the tunnel excavation contributes a lot to safe and scientific tunnel digging. With Chinas comprehensive nation

5、al 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 researchers complex diversity of tunne

6、l design, construction, form, construct mode, is developed based on expressions of the traditional 2D maps and mock-ups. How to achieve a 3D visual model of the geological model, tunnel model, and analysis of the geology, can not be ignored in the railway construction.In this paper, we obtain the th

7、ree-dimensional simulation of the tunnel by use of the VC+ development platform and OpenGL software interface. While the system is running, the 3D railway tunnel model, it is effective for the geological resource data management, 3D automatic modeling,3Dvisualization and spatial analysis, the buildi

8、ng of 3D visualization railway tunnel model demonstrate the design intent of the engineering staff, provide a valuable guiding significance on the subsequent construction, management, operation and have high practical value.KEY WORDS: Railway tunnel,3D modeling, OpenGL, Spatial analysis目 录 目录摘 要1第一章

9、 绪论31.1研究背景及意义31.2国内外研究现状41.2.1国外研究现状41.2.2国内研究现状51.3研究内容6第二章 隧道三维建模的理论基础72.1非均匀有理B样条方法72.2黄金分割法82.2.1单峰函数82.3三维显示技术102.3.1坐标系统112.3.2 OpenGL变换112.3.3 OpenGL光照132.3.4 OpenGL纹理贴图14第三章 隧道三维仿真建模163.1隧道三维仿真系统场景的建模原则163.2隧道建模分析173.3隧道模型结构分析17第四章 隧道三维模型设计及内部计算194.1隧道模型建构194.2隧道内部计算214.2.1隧道横断面的若干计算214.2.2

10、隧道横断面的曲线逼近234.3隧道头（尾）计算264.3.1隧道头（尾）斜断面的计算264.3.2连拱隧道洞口倒角圆弧计算27第五章 隧道裁剪算法研究295.1裁剪算法295.1.1裁剪的原理295.1.2二维线段的裁剪295.1.3多边形的裁剪315.2Weiler-Atherton 裁剪算法315.2.1Weiler-Atherton 裁剪算法的基本方法315.2.2Weiler-Atherton 裁剪算法的不足335.3对Weiler-Atherton裁剪算法的改进335.3.1算法的数据结构335.3.2裁剪前的预处理335.3.3特殊点处理355.3.4改进算法执行流程365.3.5

11、改进算法的优势37结论38致谢39参考文献39第一章 绪论1.1研究背景及意义随着人类文明的发展，现代工程技术也不断进步，位于地下的隧道已广泛受到交通领域专业人员重视，隧道以其明显的优势被应用在山区铁路修建过程中以克服高程障碍。它既能使线路顺直，避免无谓的展延，缩短线路；又可使线路坡度变小，改善运营条件，提高运力，节省财力。目前我国铁路隧道无论在数量上，还是在总长度上均已处于世界领先地位。随着我国经济的持续发展，综合国力不断增强，高新技术不断发展以及国内不断扩大内需的实际需要，我国铁路隧道发展前景广阔，同时铁路隧道发展也是我国西部大开发战略和发展沿海经济的迫切需要此外，近年来随着高速铁路在我国

12、的兴起，其要求线路短、坡度小的现实更加大了铁路隧道项目的建设力度。因此，对铁路隧道涉及相关技术研究的需求迫在眉睫。随着交通建设事业的发展，铁路隧道设计形式繁多，建设形式、构造越发复杂多样，这使设计、审评、施工、维护等工作都受到了严峻考验，基于二维地图和实物模型的传统表现方式很难满足日益复杂的形势。铁路工程地质研究者们希望通过计算机技术，开发一个以基础地质数据信息为基础，应用计算机与网络技术、数据库管理技术、信息可视化技术和虚拟现实技术等的三维地质建模与可视化系统。通过地质信息管理、三维地质建模和三维可视化等计算机技术实现铁路工程建设区段的三维空间工程地质研究分析，拟以解决铁路工程建设中存在的复

13、杂地质结构问题和不良地质体的风险预测评价问题，为深入了解铁路工程建设区段的三维空间地质结构、不良地质体的风险预测、决策建设工程的设计方案提供科学可靠的工程地质依据和风险预测评价。计算机仿真技术(Computer Simulation Technology)是指利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统(尤其是复杂系统)的重要工具。近年来，随着系统科学研究的深入以及控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展，已使计算机仿真技术成为一门

14、新兴的学科。信息处理技术的突飞猛进，更使得计算机仿真技术得到迅猛发展。三维仿真系统使用计算机仿真技术，通过模拟施工作业现场的设备、环境等关键要素，创建仿真场景，并以此为平台，直观的进行作业现场的危险点分析和控制措施布置，解决了以往平面显示对复杂的环境进行安全措施及危险点的分析情况等反应不全面的问题，为检修方案的制定，安全措施的布置，人员的分工安排等提供一个逼真的模拟现场，方便施工管理人员和技术人员进行施工前的技术交底、班前会的召开，能够为工作人员提供一个三维的仿真现场，使其身临其境，是现场工作的较好的应用软件。随着国民经济的发展，特别是社会主义市场经济的发展，对交通运输的需求明显增长，高速公路

15、的建设越来越多，隧道是高速公路不可缺少的重要组成部分。数字公路的兴起，研究开发一种快速三维可视化仿真方法实现公路及其隧道的可视化具有相当重要的意义。 基于以上分析，本文针对铁路工程建设的需要，以三维地质建模项目为依托，对长大铁路地质隧道的三维地质建模与可视化系统中的隧道虚拟开挖和风险预警进行了研究，使得铁路工程地质研究者们在进行工程地质研究时能够直观地了解到施工地段地下围岩的地质构造和存在的自然风险，为工程设计施工提供了地质依据。1.2国内外研究现状三维地质建模，就是将地质，测井，地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起，应用计算机技术，在三维环境下将空间信息、地质信息等结合图形可视化软件等工具，生成三维定量模型。1.2.1国外研究现状二十世纪六十年代以后，伴随着地理信息系统的出现，逐步形成了地质建模和地形可视化的概念。长期以来，地质建模和可视化一直受到各国科学家的重视，并且从九十年代起有了迅速的发展。1992 年国际勘探地球物理