（摄影测量与遥感专业论文）基于opengl的数字地质编录三维可视化研究.pdf

摘要 摘要 随着地理信息系统和三维显示技术的发展，使用三维显示技术表达现实空间 已经成为测绘领域研究的热点。基于影像的地质编录信息系统，以摄影测量理论 为基础，综合运用近景数字影像技术、数字图像处理和g i s 空间数据管理等各 种技术，实现了水电工程地质编录数据的采集、处理、管理、分析和成果输出一 体化，提高了专业信息化和生产力水平。在此条件下，工程地质编录三维可视化 成为了现实的需求。 本文以大型水电工程的地质开挖体为研究对象，在应用摄影地质编录技术获 取目标编录成果的基础上，研究摄影地质编录三维可视化技术。具体内容如下： ( 1 ) 研究并实现水电工程中地质开挖体的三维建模。根据摄影地质编录的 对象特点和数据管理内容，结合可视化语言o p e n g l ，实现各类地质编录对象， 包括边坡、基坑和洞室的空间建模。 ( 2 ) 针对数字地质编录系统的展示影像数据量大的特点，在传统m i pm 印 金字塔模型纹理映射的基础上，探讨建立分块多分辨率模型进行纹理映射。研究 表明利用分块多分辨率模型，可以克服m i pm 印金字塔模型对影像大小限制的不 足，满足高分辨率展示影像映射的要求，具有更高的适用性。分块多分辨率模型 纹理映射，通过视点的变化动态调节纹理的分辨率，提高了纹理映射效率，有助 于对开挖表面影像空问信息的判读，并改善编录场景的三维显示效果和漫游速 度。 ( 3 ) 根据摄影地质编录矢量成果信息的存储结构，利用a d o 数据库访问技 术，实现矢量信息在编录对象表面的映射，探讨了洞室模型线性矢量映射中，离 散点间的加密算法。 ( 4 ) 在人机交互的情况下，利用o p e n g l 提供的选择与反馈功能，研究并实 现地质编录对象的三维查询和空间量算，以及对编录矢量成果信息的属性查询。 ( 5 ) 利用三维模型的特点，结合数字地质编录成果数据，在工程开挖表面 模型上利用线性迹象建立模拟结构面，同时利用坡面立体影像，辅助确定岩层的 空问产状。实际应用证明，在只有线性迹象或小露头层而的条件下，该方法是一 种可行的结构面产状辅助量算方法。 关键词：数字地质编录、三维可视化、三维查询、空间分析、o p e n g l a b s 仃a c t a b s t r a c t w i mt 1 1 ed w d o p m e mo fg g r a i 衄ch l f 0 锄a t i o ns y s t e m ( g i s ) a n d3 dd i s p l a y t e d l n j q u c s ，e x p r e s s i n gt l l er e a j i s t i cw o d db y3 dm o d dh a sb e c o m eah o ts p o ti nm e 矗e l do fs u e y i i l 昏 1 1 1 ed i 百t a li m a g eb 髂e dg e o l o 西c a ll o g g i n gi n 向m a t i o ns y s t 鼬， 讲1 1 i c hi sb a s e do np h o t o g r a m m e h y ，i sa 咖b i n 撕o no fc l o s e _ r a n g ep h o t o 掣猢曲y ， d i 百t a li m a g ep m c e s s i n 岛a n dg i ss p a c ed a t am a n a g 咖钿tt e c t l l l i q u e s a i l dh a s a c i l i e v e dt o 。【仃a c t g e o l o 西c a ll o g g ：i n g d a t ao fh y 出o e l e c 缸cp r o j e c t ，i n t c g r a t e p r o c c s s i n 吕m a n a g i i l g ，a i l d i y z i i l ga n dr e s u l t - o u t p u t t i n g ，w 1 1 i c hh a su p 孕a d e d 即e c i d 时 i n f o r n l a t i z a t i o na n dp m d u c t i v i 姆l e v e l b e c a u s eo ft i l i s ，3 dv i s u a l i z a t i o no f e n 西n e e i i n gg e o l o 百c a l1 0 9 咖gh a sb e c o m ep r a c t i c a ld 锄a i l d s b a s e do nm e 蛳t s o b t a i n e db yp h o t o f 锄m m cg e o l o 西c a ll o g g i n gt e c i l l l i q u e ，t l l i sp 印e rr c s e a r c h c so n 3 dv i s u a l i z a t i o nt 枷q u eo fp h o t o 群咖e 缸cg e o l o 百c a ll o 韶= i n gs y s t e mf o ra n e x c a v a t e ds u r f h c eo f a i a 理f eh y d l 0 d e c t f i cp f o j e c t ，w h i c ：ha r c 鹊f o u o w s ： ( 1 ) 3 dm o d e l i n g f o re x c a v a t c d 刚h c eo fh y d m e l e c 砸c 脚e c th a sb e c n r e s e 疵h c d 柚dr e a l i z e d b a s e do nt h co b j e c tf c a n i r c so fp b o t o 孕姗m 嘶cg e o l o 百c a l l o g g i n g 孤dd a l am a n a g e m e n tc o n t e i i t s ，v a r i o l l sg e o l o 垂c a ll o g g i n go b j c c t s ，i n d u d i n g s l o p e ，f 0 删1 d a h o nd i t c ha n dc a v e a r er e a l i z e dt h r o u g ho p e n g l ( 2 ) b a s e do n 仃a d m o n a lm i pm 印p y r a i i l i dt e x 衄陀m a p p i n 岛t h i sp 印e rd i s c l l s s e s t ob l l i l dap a n i t i o nm u l t i _ r e s o l u t i o nm o d e lf o rt e x n 】r em a p p i n gt om e e t l en e e do f 1 a r g ed a t as i z eo fd i 百t a lg e o l o 西c a ll o g g i n gs y s t e i n se x p l o d e di m a g e s r e s e a r c h c s p r o v et h a tm ep a n i t i o nm u l t i r e s o l 埘o nm o d e lc a l lo v m e t h es h o r t c o m i n g so f m i p m a pp y r 疵dm o d e lw 1 1 i c hr e s 砸c t 硫a g es i z ea i l di sm o r ep m c t i c a lb e c a u s ei t c a n m e e tt h en e e df o r e x p l o d i n gi m a g em a p p i n gi nl l i g h r e s o l u t i o n p a r t i t i o n m u l t i r e s o l u t i o nt e x t i l r em 印p i n gh e l p st od e t e m i n et h ei m a g es p a c ei n f o r m a t i o no f l h ee x c a v a t c df a c ca n dr e n n em e3 dd i s p l a ya 1 1 d p d ns p e e do ft h el o g 百n gs c e n e t 1 1 r o u g ha 川u s t i n gt h em a p r e s o l u t i o nw i t hv i e w p o i n td y n a m i c a l l y ( 3 ) m a p p i n go fv e c t o ri n f b m a t i o no nt h es u r f h c eo fl o g g i n go b j e c ti sr e a l i z e d 幽u 曲a d ( ) ，w h i c hi sad a t 曲a s ea c c e s st e c h n i q u e ，a c c o r d i n gt ot l l es t o r a g es t r u c t u r e o ft h ev e c t o ri n f o 蚰a t i o no fp h o t o 掣a m m c t r i cg e o l o 百c a l1 0 9 垂n gs y s t e m m o r e o v e r ， t h ei n t e r p o l a t i o na l g o t h mf o rd i s c r e t ep o i n t so nd i f 琵r e n ts u r f a c e si nt h el i n e a rv e c t o r m a p p i n g o fc a v em o d e li sd i s c u s s e d 1 i 河海大学硕士学位论文 ( 4 ) u n d e rt h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ec o n d i t i o n ，3 d ( 1 u e r ya n ds p a c em e a s u r e o ft l l el o 咖go b j 阜c t s 姐da t 缸b u t i o nq u e r yo ft h ei o g 舀n gv e c t o r 蛳t sa r e 曲u d i 。d u 的u 曲t l l es d e c t i v e 姐df b o d b a c k 劬c t i o n so f o p g l t ( 5 ) b a s e do nm ef e a t u r e so f3 dm o d e la r l dm ed a t ao fd i 西t a lg e o l o 垂c a ll o g 孚n g ， a i la i l a l o g u cp l a i l ei sb l l i l to nt h ee x c a v a t e ds 曲c em o d da c c o r d i n gt oal i i l e a r 舰c e a i l d 也es p a c e 删t t l d eo f b c di sd e t e r m i n e da u 虹m 町b yt h es t e r e oi m a g e so f m e s l o p e ， r e s u l t so f e x p e r i m e n t s1 1 s i i l gr e a ld a 诅p r o v et h a tt i l i sm e m o di sp m c t i c a lf o rs t m c t l l m l p l a n e 枷t u d em e a s u r e m e n tw h e nm c r ea r eo n l y1 i 1 1 e a r 缸a c e so ro i l l ys m a l lb c d d i n g d 1 a n c s 1 ( e yw o r d s ：d i 百t a lg e o l o 百c a ll o g g i i l g 、3 d 、，i s u a l i z a t i o n 、3 dq u e 叭 s p a l i a la f l a l y s i s 、o p e l l g l i 儿 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同学习的同学对本研究所 做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者。签名，：垂堕垂跏年钿f ；日 学位论文使用授权及说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊网( 光 。 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者。签孙亟丕益劲柝加；日 第一章绪论 第一章绪论 1 1地理信息可视化的发展和研究现状 地理信息系统( g e o g m p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m s ，简称g i s ) 是一门介于地球科 学与信息科学之间的交叉学科，它也是一门地学空间数据与计算机技术相结合的 新型空间信息技术。它以地理空问数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对 空间数据进行采集、存储、管理、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法， 适时提出多种空间和动态地理信息的计算机技术系统。它是在地理学科与数据库 管理系统、计算机图形学、计算机辅助设计等与计算机相关学科结合的基础上发 展起来的。 在地理信息系统领域中，基于二维平面地图的研究和应用已经十分成熟，最 初是对传统地图学以及制图学可视化方法的数字化实现，其应用范围涉及土地管 理、电力、电信、城市网管、水利、消防、交通等多个领域。但由于数据模型的 限制，二维系统存在着自身难以克服的缺陷。首先，二维系统采用点、线、面等 平面图形对实际事物进行描述，而客观世界是三维、立体的，这导致了其描述的 不完全性和大量的多维空间信息无法利用。同时，由于二维系统是基于符号的， 描述的虚拟现实景观十分抽象，或不具备景观概念。特别实在地质、矿产、环境 保护等方面，用户关注的对象往往具有三维的空间属性。随着三维图形硬件芯片 的出现和o p e n g l 、d i r e c t 3 d 的三维软件标准的建立，以及计算机性能的不断提 高，数据采集及处理能力不断提高，空问分析能力更加强大，三维图形功能也日 趋完善，建立三维地理信息系统已经是地理信息系统一个重要的研究方向。相对 与二维地理信息系统而言，三维地理信息系统能更真实、直观地反应客观世界， 并且具有更加丰富的数据类型。尽管三维地理信息系统具有巨大的应用价值，但 目前没有得到广泛应用。由于三维地理信息系统在实际应用中的复杂性远远超过 二维地理信息系统，当前尚不具备建立通用三维地理信息系统平台的条件。目前 三维地理信息系统研究存在的主要难点集中存： ( 1 ) 建立三维模型。目前还无法从己获得的各种格式的数据中完全自动重 建三维地理信息系统数据结构，许多工作必须手工完成。而且由于缺乏标准的三 维地理信息系统数据模型，针对不同的应用，需要进行大量的重复建模工作，没 有现成的数据可供利用； ( 2 ) 存储三维模型。三维地理信息系统中海量数据和复杂的空间关系，要 求数据库的管理，空间数据库是三维地理信息系统的核心。三维空问数据库要求 能够表示复杂的数据类型和空问关系，支持高效率的数据存取，从而成为实现各 河海大学硕士学位论文 种三维地理信息系统功能( 包括空间查询、三维可视化等) 的基础，提高三维地 理信息系统的整体性能； ( 3 ) 显示三维模型。三维地理信息系统中的三维可视化需要在空间数据库 的支持下实现，从而能够支持海量数据应用。基于空间数据库的可视化技术要求 在保持图像真实感的基础上快速实现三维场景的加载和绘制。对于显示的三维场 景应该快速反馈用户的请求，使用户在三维场景上方便地进行各种查询、移动、 更新、漫游等操作。 本文以大型水电工程的工程开挖体为研究对象，在应用摄影地质编录技术获 取目标编录成果的基础上，研究摄影地质编录三维可视化技术，着重探讨建立三 维模型和显示三维模型上的研究难点，对水电工程地质编录对象的三维建模和影 像映射技术进行深入分析。 1 2 论文的研究背景 1 2 1摄影地质编录技术和系统 在水电工程建设设计中，旌工地质编录是极其重要的一环，其成果主要为工 程施工设计、岩体稳定性分析、工程加固措旖等多方面服务。传统的地质编录都 是以地质素描为主，依靠人工野外现场勘测，画出地质构造线，量测其产状。这 种作业方式工作量大、工作强度高、受施工干扰大，且编录的几何精度低、信息 反馈慢，同时编录结果不易于统计分析和查询。此外，在高边坡、洞室、竖井等 处进行地质编录有一定危险。传统的手工作业方法已极不适应现实生产力的发展 和信息化施工对施工现场地质信息快速响应的需要。因此，探讨快速、高效、准 确并便于成果管理、查询的地质编录方法，就成为该领域亟待研究解决的重要课 题。 目前趋于采用基于近景摄影测量原理的数字摄影测量方法。为此，许多学者 和专家在这方面也做出了努力，提出了基于影像的各种编录方案或设想，但都没 有在编录精度方面克服普通影像量测性能差的缺点上有较大突破，特别是尚未能 较好的结合g i s 技术，形成一个较为完善的摄影地质编录信息系统。例如，曾有 水电勘测部门对摄影地质编录方法进行了多年的研究，项目亦被列为国家8 6 3 项 目科研内容，耗资达几百万元，但由于技术难题，其达到的水平还较低，仅仅在 典型洞室、平直边坡编录中能生成正射展示影像，但对于复杂洞室摄影地质编录、 非平面摄影地质编录等技术难点没有提出解决方案，特别是尚未形成基于影像的 快速编录方法和编录信息的管理方法，针对形形色色复杂的工程环境，必定难以 在生产中得到应用。目前，也有些软件公司为此付诸努力，但数字摄影地质编录 信息系统的开发不但要求开发者具有较好的摄影测量、工程地质、g i s 专业基础， 第一章绪论 而且，开发必须非常紧密地与工程实际情况相结合，力求解决工程建设中出现的 诸多问题，所以出下文提到的外，至今尚未成功地推出一套摄影地质编录系统。 作者所在的实验室研究开发了基于影像的摄影地质编录信息系统，它是以摄 影测量理论为基础，以数字近景摄影测量、数字图像处理和g i s 技术为手段，以 地质编录数据的采集、管理、分析处理和图表输出为基本功能，以多技术集成应 用为特色，构建摄影地质编录的技术方法体系，系统实现施工地质编录方法的手 工作业向计算机辅助作业与信息管理的转换，在实际应用中实现了在计算机上完 成地质编录的构造线素描、产状量测、岩层产状属性数据和图形图像数据的数据 库查询、a u t o c a d 成图等等功能，全面提高施工地质编录在数据采集、数据处理 与管理方面的工作效率的信息系统。图l l 为摄影地质编录信息系统的结构示意 图。 图1 1 摄影地质编录系统结构示意图 摄影地质编录信息系统一方面理论和实际相结合，将数字近景摄影测量技术 转化为实际生产力，一方面以大中型水电工程的旌工地质编录应用需求为依托， 河海大学硕士学位论文 改变传统落后的地质编录作业模式，全面提高地质编录的工作效率，实现了信息 获取、处理、管理、应用的一体化，提高了地质编录的自动化程度和信息化管理 水平，降低了地质工作人员的劳动强度，保证了编录成果的完整性，并实现了对 编录成果的几何精度控制，具有现实意义和工程应用价值。 1 2 2 数字地质编录的可视化需求 。 工程地质可视化是利用计算机技术将工程勘测获得的数据，转换为形象直观 的便于进行交互分析的地质结构空问形态的立体模型，其基础是工程数据和测量 数据的可视化，近年来已经深入到工程建设的各个方面，并发挥了巨大的作用。 柴贺军、黄地龙( 2 0 0 4 ) 等根据结构面工程地质信息采集的内容和特点，提出了 岩体结构三维可视化技术，研制开发了岩体结构三维可视化模型及构图系统，并 将该系统应用于溪洛渡水电站的岩体结构研究中；钟登华( 2 0 0 4 ) 等人对我国一 些大型的水电工程如二滩、龙滩、溪洛渡等水电站进行可视化仿真技术的研究， 其中包括对大型地下洞室群仿真建模研究；张菊明( 2 0 0 4 ) 等人利用可视化技术， 从庞大的地质勘测数据中构造出地质工程中对于边坡稳定性和地下洞室变形破 坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切关系，为工程 地质分析具体问题提供决策支持。钟耳顺( 2 0 0 4 ) 等人基于组件g i s 技术，通过 将二维和三维空间信息统一在一个平台和数据模型下，建立了矿山三维地质勘察 可视化管理系统。 国外的三维地质建模和可视化研究发展较快。加拿大阿波罗科技集团公司推 出的三维建模与分析软件m i c r ol ，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采 样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型，确定矿藏分布和等级变化并计 算矿藏储量。加拿大g e m c o ms o m 潍ei n t c m a t i o n a lk 公司开发的g e m c o m 软件 通过钻孔、点、多边形等数据，利用实用的图形编辑和生成工具，显示钻孔孔位 分布，运用不规则三角网建立表面和实体模型。但国外软件费用高，并且受到具 体地质条件的限制和不同文化背景的影响，很难在我国得到全面推广和应用。 国内外的研究为工程地质三维建模与可视化打下了很好的技术基础，提供了 很宝贵的开发经验。但是，针对水电工程中地质开挖对象建模的研究还比较少， 可视化分析的针对性也不强。 基于数码相机的摄影地质编录系统，实现了数字地质编录。摄影地质编录系 统研究紧密结合工程实际，在实践中得到客观评定，系统不断地得到完善，研究 的技术和开发成果在实际生产作业中得到应用和推广，并转化为实际生产力。然 而，在数字地质编录工程中，积累了大量的影像数据，编录信息数据以及其他成 果数据，这些数据反映了不同时期工程开挖表面的地质情况，利用这些数据建立 4 第一章绪论 工程开挖对象的可视化模型，不仅可以在空间上直观地显示编录场景，更可以进 一步对工程开挖对象进行空间量算和分析，可以更好地为工程地质应用服务。 因此，本文从分析工程地质开挖对象的表面建模和纹理映射的可视化关键技 术问题入手，实现数字地质编录成果可视化查询分析。首先能够真实地反映工程 开挖对象的复杂空间结构，直观地表达工程开挖对象的地质构造形态特征以及构 造要素的空间关系，动态地描述工程开挖对象的旌工过程，并提供多角度、多细 节的观察方式，大大提高工程设计和管理水平；其次结合地理信息系统技术将数 字地质编录对象的空间位置和相关属性有机地结合起来，强大的可视化查询功 能，可提高对复杂地质条件的理解和判断，为勘查、试验结果的分析解释提供有 效手段：最后三维场景为数字地质编录中的空间分析，特别是地质编录中产状量 测，也提出了一些新的方法。因此，寻求新的可视化技术和数字地质编录系统技 术相结合点，也是数字地质编录发展的趋势。 1 3论文研究内容和采用技术路线 1 3 1 研究目标 利用空间数据建立一个逼真、实时、可交互的三维环境是一项复杂的工作。 本文研究并实现水电工程开挖对象的三维建模及可视化；在漫游的场景中实现数 字地质编录成果的空间查询；研究并实现数字地质编录技术的三维可视化的若干 方法。研究成果将直接应用于生产实践中，满足工程地质编录成果辅助工程三维 设计的初步需求。 1 3 2 研究内容 本文以大型水电工程的工程开挖体为研究对象，在摄影地质编录技术获取开 挖表面的空间数据的基础上，研究实现摄影地质编录三维可视化技术，开展以下 方面的研究工作： ( 1 ) 地质编录对象表面建模 根据数字表面建模原理，结合数字地质编录空间数据，研究边坡、基坑和洞 室的窄间丌挖表面建模方法。 ( 2 ) 地质编录展示影像映射 根据摄影地质编录f 射展示影像的特点，对地质编录对象采用多分辨率模型 进行纹理映射，同时为提高模型显示效果增加法向量的处理。 ( 3 ) 映射地质编录信息 实现数字地质编录成果数据在丌挖表面模型上的映射。 ( 4 ) 编录场景的空问查询和量算 河海大学硕士学位论文 以交互的方式实现：编录对象模型空间查询和量算；查询编录属性信息。 ( 5 ) 边坡开挖表面上的辅助空间分析 研究两种方法：建立模拟结构面的辅助边坡产状分析；生成结构面立体 影像的辅助产状分析。 1 3 3采用的研究方法和技术路线 本文的研究以工程应用为目的，研究成果以技术可行、工程安全和经济合理 为前提，理论、技术、方法紧密结合摄影地质编录信息系统、数字地质编录方法 及工程实践开展。技术路线如下： 用w i l l d o w s 环境下的面向对象设计分析技术，利用数据库技术和o p e l l g l 图形 环境，实现数字地质编录可视化。其过程如图1 2 ，分五个主要步骤：数据预处 理，包括工程坐标系和大地坐标系下的数据到o p e n g l 的绘图坐标系的转换；建 立空间工程开挖对象的表面模型，包括边坡、洞室和基坑；基于视相关的编录正 射展示影像纹理映射；场景三维动态显示、漫游和编录成果空间信息映射；空间 查询量算、编录成果信息查询，以及坡面的辅助产状量测。 l 编录数据预赴理h 建立开挖表面模壁h 正射展示图纹理映射h 蘑景渔豢和漫游h 空晦查询私分析l * 网圃圃 一平均法向量计算l 一空简壹请与空甸量算l 圊 一繁最矢量信息映射i_ 1 驻录属性信息查询i 吨困 圃 一塞兰墅堡垒兰兰l 恒 一筷授结构面产扶分析l 多分辨率筷塑纹理映射l u 红晕立体辱像辅助空闻分析1 图1 2 数字地质编录三维可视化过程 第二章表面建模技术及可视化工具 第二章表面建模技术及可视化工具 数字表面模型作为工程施工数字地质编录空间建模的基础和各种编录信息 的载体，是各种空间分析的基础数据，也是g i s 的基本内容。数字表面模型的核 心是表面特征点的三维坐标数据和一套对表面提供连续描述的算法。目前对表面 建模采用较多的方法是不规则三角网模型( t r i a n g u l a t e di 玎e g i l l a rn e t w o r k ，即 t ) 和规则格网模型( g r i d ) 。 。 2 1表面建模原理和方法 数字表面可用数学语言可以描述为：对一l ，平面域d 进行划分之后，得 到一个平面区域的集合r = 钯， ，) 和定义在r 上的一个连续函数族f ， z = ，( x ，力，f = l ，2 ，m ，组成的二元组( ，f ) 。若与r 相邻，则在公共边界处 有z = 厂j 。我们称数字表面为每个函数的图，数字表面的边与节点是每个函 数声对划分的边与节点的约束。由于对应聆个节点的平面划分组成o ( m ) 的 边数和区域数，因此，具有雄个节点的数字表面的空间复杂性是疗的线性函数。 根据构成表面模型的面元类型可以将数字表面模型分为 两大类： ( 1 ) 规则格网表面模型： 以规则格网g r i d ( 通常是正方形格网) 作为构成表面 模型的基本面元。其典型结构如图2 1 ，实际就是规则履占 间隔的正方形格网点阵列，每个格网点与其它相邻格网 口 丁 日孑霸 吐j 土划 口 j i i 图2 1 规则格网 点之间的拓扑关系都已隐含在该阵列的行列号中。只要根据该区域原点坐标和格 网间距，对任意格网点的平面位置可用相应矩阵元素的行列号经过简单运算而获 得。因此，规则格网表面模型具有存储量小、结构简单、操作方便等优点，而且 由于其典型的栅格结构，很容易利用各种栅格数据压缩算法压缩存储，非常适合 于大规模场景的使用和管理。但其对于复杂的表面，难以用合适的网格大小来表 示，如果网格太小，会产生大量冗余数据，如果网格太大又不能准确表达各种表 面起伏特征。 图2 2 不规则三角网 ( 2 ) 不规则三角网表面模型 不规则三角网是将所采集的表面特征点根据一定的 规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形，其 结构形式如图2 2 ，与g r i d 结构不同，它是一种典型 的矢量拓扑结构。它能很好的顾及地貌特征点、线，逼 河海大学硕士学位论文 真地表示复杂表面的起伏特征，并且能够克服表面起伏变化不大的地区产生冗余 数据的问题。但由于1 卫n 结构的显式拓扑关系记录，导致其数据量大、数据结 构复杂且难以建立，通常不用于大区域的实时仿真和可视化，而主要适用于小范 围大比例尺高精度表面的建模和土木工程。 综上，t i n 模型是由离散点按照一定的规则构成的系列不相交的三角形所 组成，它所描述的表面的真实程度由离散点的密度决定，并能充分表现表面高程 变化的细节，适用于较为复杂的区域，但存储量较大。g r i d 模型是用一组大小相 同的栅格来描述表面的，适用于较为平坦的区域。与n 相比，g d d 模型具有 简单的数据结构和拓扑关系，较小的存储量，算法容易实现，而且该模型空间操 作方便，也便于空间查询和量算。水利水电工程中要进行地质编录的工程开挖体 ( 主要包括边坡、基坑和洞室) 它们大多数设计为局部平面或者规贝i j 曲面( 如城 门型洞的弧顶) ，因此本文对工程开挖对象表面选用规则正方形格网进行模拟， 这样不仅渲染速度快而且也能满足空间查询量算的目的。 2 2 三维可视化工具 最近几年由于计算机图形技术的不断发展，三维图形渲染和建模工具也越来 越多，其中开发软件包有代表性的是s g i 公司的o d e n g l ，m i c m s o r 公司的 d i r c c 3 d ，v r m i ，s 1 l n 公司的j a v a 3 d ，建模工具包括a m o d e s k 公司的3 d sm a x 和a u t o c a d 等。 2 2 1 o p e n g l 0 p e n g l ( o p e ng m p b i c sl i b r a r y ) 是美国s g i 公司推出的一款开放式的三维 图形软件接口，适用于广泛的计算机环境。它以高性能的交互式三维图形建模能 力和易于编程开发等有点，得到了m i c r o s o f 【、i b m 、d e c 、s l l i l 、h p 等公司的 认同。因此0 p e n g l 己经成为一种开放式国际三维图形标准，是从事三维图形开 发工作的必要工具。 o p e n g l 作为底层图形渲染开发包，由于其开放和跨平台可移植等特性，得 到了深入的发展和广泛的应用。它是与图形硬件完全无关的程序设计接口，由一 百多个相关的函数和命令组成。通过一种状态执行机制来执行o d e n g l 的各种命 令。国外著名商用软件e r d a si m a g i n e 、a r c v i e w3 da n a l v s t 、t i t a n3 d 、三 维城市建模软件v e 鼢，还有建模软件3 d sm a ) ( 、m a y a ，国内适普公司的r t u o z o 、 i m a g i s 的三维模块都是基于o p e n g l 作为底层图形接口的开发的。而且o p e n g l 和目前各种流行可视化集成编程环境紧密结合，如v c ，v b ，j a 、，a ，d e l p h i 等，可以在这些开发环境中由程序人员调用o p e n g l 提供的图形函数来进行三维 第二章表面建模技术及可视化工具 建模和实时交互。 o p e n 吼功能强大，但是函数多，较为复杂，利用其进行三维开发，需要一 定的编程技术和较长的时间。 2 2 - 2v r m l v r m l ( 虚拟现实构造语言) 也是一种建模语言，它是用来描述三维物体及 其行为的，可以构建虚拟三维实体，在k t c m e t 网上建造虚拟三维世界。它的基 础一个是w o d dw i d ew 甜，利用h t t p 协议传输数据；另外一个是s g i 设计的 0 p e ni n v e n b 睢文件格式。v r m l 的开发重点集中在与平台无关、易扩展并且基 于低带宽的网络连接上。通过v r m l 浏览器，用户能在一个虚拟的场景中自由 移动，能够与其中的实体相互作用并且通过超链接可以到达一个新的三维世界。 v r m l 已得到i s o 的正式批准为国际标准f v r m l9 7 ) 正逐渐成为集成3 d 图形和 多媒体的统一交换格式。 2 2 33 d sm a x 3 d s m a ) 【由a u t o d e s k 公司出品的著名三维软件。它广泛应用于工业设计、建 筑设计、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等领域，是当今流行的三维建模 软件，目前最新的版本是8 o 。3 d sm a x 具有友善的开发环境，支持教本语言 m a x s 谢p t ，借助教本语言可以通过简单的语句制作复杂的场景，实现自行扩展 功能，另外还可以利用v i g u a lc + + 开发新的个人插入组件。 2 _ 3 0 p e n g l 实现可视化的优点和基本步骤 三维可视化系统的最终目的就是绘制出具有真实感的空间三维场景的二维 图形，提供像人眼一样的直觉的、交互的和反应灵敏的可视化环境。因此选择合 适的计算机图形开发语言至关重要，作者曾经尝试过用t m i ，和3 d sm a ) 【对数 字地质编录进行可视化建模，利用v r m l 建模可利用任何文本编辑器编写，保 存为w r l 文件，其结果虽然能实现交互查询的功能，但模型的渲染效果比较一股， 纹理映射的模式单一，同时分析能力也很有限，无法实现场景的空间量算等功能； 而利用3 d sm “建模，虽然操作简单，效果比较逼真，但是在数据库连接和交互 功能上都很弱，3 d s m a ) ( 提供脚本语言也实现建模自动化，但其脚本语言的编译 和调试都很不方便。 因此根据数字地质编录数据库的特点和工程开挖表面的建模需要，本文采用 o p e n g l 作为实现数字地质编录可视化的图形接口。而与其他的开发三维图形渲 染工具相比，o p e n g l 可以根据需求分析来指定数字地质编录可视化模块的功能， 河海大学硕士学位论文 存在如下的优点： 1 建模方便 o p e n g l 提供了基本的点、线、多边形、连续多边形等绘制函数，能够实现三 维可视化的基本算法，在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优 越性，满足地质编录开挖表面建模的需要； 2 高度真实感显示 o p e n g l 同时提供大量的着色、。光照、景深、阴影、混合、消隐、反走样、 明暗处理、材质处理、图像处理、纹理映射、深度检测等功能函数，保证了三维 场景的真实感，特别是支持m i pm a p 纹理映射方式，可改善数字地质编录正射 影像纹理映射的效果； 3 选择与反馈技术 0 d e n g l 还提供了选择机制和反馈机制，实现对数字地质编录场景的查询和 量算功能的要求，同时为数字地质编录的空间分析提供支持； 4 程序独立可移植性 o d e n g l 是与硬件、窗口和操作系统是完全独立的，而且可集成到各种标准 的视窗和操作系统中，而程序几乎只需少量甚至不需修改。 0 p e n g i ，实现可视化都具有相似的流程，其步骤被称为o p e n g l 渲染流水线。 以空间平面可视化为例，o p e n g l 要求平面都用几何顶点来描述，并用运算器对 每个顶点进行计算和操作，然后光栅化形成图形片元；对于要映射到平面上的像 素影像数据，操作结果存储于纹理组装的内存中，再向几何数据一样光栅化形成 图形片元。最终图形片元经过一系列操作送入帧缓存实现图形显示，图2 3 显 示了o p e n g l 的基本工作流程，它描述了一个o p e n g l 命令从开始到最终形成图 像的过程。 图2 - 3o d e n g l 基本工作流程 第三章地质编录对象三维建模及可视化 第三章地质编录对象三维建模及可视化技术研究 3 1地质编录对象的表面建模 水电工程施工对象根据工程地质编录对象可分为：边坡、基坑、洞室( 如交 通洞、旌工洞、通风洞、导流洞及支洞、地下厂房、主变室、母线洞、竖井等) ， 边坡指一面临空的岩、土体斜坡，基坑是露天开挖的地基工程，地下洞室是在岩 体内经人工开凿形成的地下工程构筑物。 在摄影地质编录系统中，用一级标识码作为影像和成果数据管理的基本单 位，对各个单项工程的不同的桩号及高程带进行划分，具体编码方式为，单项工 程名称+ 工程部位+ 平台高程+ 桩号( 坡段) 代码。 3 1 1摄影地质编录对象及其特点 摄影地质编录对编录对象以不同的方式实现数字地质编录，其中对边坡和基 坑采用物方控制的影像处理办法，通过目标上若干个控制点，然后测定控制点的 物方坐标，再跟据已知控制点对获取的原始影像进行图像处理生成展示影像，进 行编录；对各类洞室是把非量测数码相机改装为摄影经纬仪、采用像方控制的方 式来获取洞室各个工程施工阶段的原始图像信息，然后通过影像纠正、镶嵌等处 理，生成洞室展示影像并作为编录底图，最后进行编录工作。 旋工地质编录都为空间数据，为建立数据间空间联系，必须建立统一的空间 定位基准，考虑到摄影测量方法对影像坐标系统的要求，摄影地质编录系统主要 包括大地坐标系和工程坐标系，工程坐标系的建立方法如下： 1 边坡工程坐标系 边坡工程坐标系是对整个边坡或一段边坡开展影像地质编录工作的统一的 物方坐标系。边坡工程坐标系口一x y z 采用典型的地面摄影物方坐标系形式，其 原点可与大地坐标系原点重合，也可平移至作业区域，取坡面上代表边坡走向的 两个控制点a b 连线的水平投影方向为x 轴向，亦即边坡：i 程坐标系的x 轴大致平 行于边坡的走向，y 轴向大致正对目标物，z 轴铅垂向上，构成右手系的空间直 角坐标系。图3 一l 为边坡工程坐标系的示例。 图3 1 边坡工程坐标系 河海大学硕士学位论文 2 基坑工程坐标系 基坑工程坐标系是一个基坑或一段基坑开展影像地质编录工作的统一的物 方坐标系。基坑工程坐标系p - ) “z 的建立与边坡工程坐标系完全相同，只是所 选两个控制点a b 连线的水平投影方向代表基坑伸展方向。图3 2 为基坑工程坐 标系的示例。 图3 2 基坑工程坐标系 3 洞室工程坐标系 洞室工程坐标系，是整个洞室或一桩段洞室开展影像地质编录工作的统一的 物方坐标系，洞室工程坐标系o _ x y z 如下设置。以洞室底板中轴线上某点为原 点( 一般是0 桩段点或某整段点) ，以中轴线的水平投影方向为x 轴，水平面内 图3 3 洞室工程坐标系 摄影地质编录系统是根据上述不同工程坐标系，对获取的原始影像进行纠 正、镶嵌处理，得到正射展示影像，再进行数字编录，最终编录矢量成果也是按 上述工程系下坐标分图层保存在数据库中。 3 1 2 不同坐标系间的转换 在建模之前，为了使不同工程对象的编录 成果具有统一的坐标系统，便于空问建模后的 比较分析，先要将其由工程坐标系反算到大地 坐标系中。设工程坐标系的爿轴与大地坐标系 的y ，轴的夹角为口，如图3 4 ，j 轴平行于目标 区域两个控制点爿口连线的水平投影方向。若两 x v 图3 4 水平工程坐标系与大地坐标系 “ m z烈【 第三章地质编录对象三维建模及可视化 控制点的大地坐标为4 ( 皿d ，砌) ，b ( m 曰，n b ) ，则有 口： 伽一：( 一扎) ( 一匕) 】 一匕o ( 3 1 ) 【t a n l ( 五。一毛) ( 一) 】+ 石一屹 o 刚：并鞫 伊：、 腓z 朔 俨。、 式中【置r 乏】是大地坐标，暖j ，z 】是工程坐标，目是工程坐标系下 的x 轴相对大地坐标系下的x 轴夹角。 y 利用o p e n g l 实现建模过程中，因为o p e n g l 有其独立的绘图坐标系( 右手系) ，如图3 5 所示，l 霁箸蔫嚣譬罄雾罴篡翅l !行相应的坐标系转换。式( 3 4 ) 是把所有控制壤蕤器一! 刚割 沪4 ， 31 3工程开挖对象表面建模 不同工程地质编录对象，有不同的摄影地质编录坐标系统，因此表面建模的 方法也有所不同。对于坡面和基坑而言，其设计开挖面大都为平面，因此建模主 要依据是边界点的空间坐标；地下洞室的展示影像是根据洞型进行投影转换，因 此地下洞室的重建是根据洞型参数和桩段号坐标进行的。 1 边坡和基坑建模 由于工程中边坡和基坑开挖面大多数设计为局部平面，因此重建的边坡和基 坑的表面也是平面。在边坡和基坑的摄影地质编录中，坡面和基坑的展示影像的 生成，是将获取的原始影像投影在坡面坐标系中，经过一定的重采样生成正射展 河海大学硕士学位论文 示影像，展示影像的四个角点都对应一个空间坐标，利用四个角点坐标确定模型 的空间方位，对边坡和基坑进行重建。为了方便空间查询和空间量算，在x ，y ， z 方向取等长度的步长，以连续矩形网格来模拟坡面，图3 6 为边坡模型的空间 形态。 图3 6o p e n g l 坐标系下的边坡建模图3 7o p e n g l 坐标系下的墓坑建 边坡绘制利用o p e n g l 提供的g lq u a ds 四绘图方式绘制。空间边界数 据是大地坐标系下( t 一y t z t ) 的原始坐标，需要根据式( 3 4 ) 转换到o p e n g l 绘图坐标系( d 一) 【y z ) 中；因为只是对单桩段的坡面进行绘