（计算机应用技术专业论文）基于nurbs曲面的三维地质建模及可视化.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g n u r b s - - b a s e d3 d g e o l o g i c a lm o d e l i n g a n d l j v l s u a i l z a t l o n m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n & t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：y u a nh a n s u p e r v i s o r ：l iw e i b op r o f e s s o r w u h a n 。i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a a p r ，2 0 0 7 摘要 摘要 随着社会的进步和科技的发展，信息时代正阔步向我们走来。人们生 活在地球上，并与这个地球表面处处发生联系：工程师对地表进行设计、 构筑楼房：地质学家研究地层结构；地质生态学家了解地表形态和地物 形成的过程；而测绘工作者则对地形起伏进行各种测量，并用各种方式 描述地形。尽管专业领域不同，研究的侧重点各异，但所有的工作都希 望能用一种既方便又准确的方法来表达实际地质现象。 本文以x x x x 交易大厦的地质开挖体为研究对象，在结合了g t p 模型、 n u r b s 曲面和o p e n g l 技术的情况下，对地质体实现了三维科学可视化， 并获得了满意的实用效果。具体内容如下： ( 1 ) 在总结了国内外各种三维建模方法的基础上，重点研究了o t p 体元建模方法，分析了它的优点和不足，优点是可以构造复杂的三维地 质体，数据的拓扑性能好，钻孔点的加入和删除对整个模型的改动小； 不足的地方是对曲面光顺的拟合程度不够。 ( 2 ) 在研究g t p 构模方法时，对不规则三角网t i n 中的凸包算法进 行了改进，新的方法叫做扫描线法，在实验中证明该方法的确行之有效， 能够达到比较好的效果。 ( 3 ) 详细介绍了n u r b s 曲面，包括它的数学方程和几何意义，对其 中的型值点的反算i 、u j 题进行了重点研究，为以后的曲面建模打下了基础。 ( 4 ) 接着介绍了o p e n g l 技术及其工作原理，对其中g lu 图形库中的 n u r b s 接口函数g l u n u r b s s u r f a c e ( ) 的使用方法进行了说明，其中有关控 制点矩阵的文献国内还很少，因此作者研究了一种型值点的矩阵化方法一 分堆法，该方法在后面的实际应用中达到了一定效果，不过还需不断完 整 口0 ( 5 ) 最后进行了实际的工程测试，用v c + + 结合o p e n g l 设计j ，一套 三维, - j 视化软件，能按实际钻孔点生成地质体3 d 模型，并几进行n 视化 一一一 武汉【：稃人学硕4 z 学位论文 一二二一 分析和操作。 关键词：科学可视化；不规则三角网t i n ；g t p 体元；n u r b s 曲面：o p e n g l a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t h s o c i a l p r o g r e s sa n dt h ed e v e lo p m e n to ft e c h n o l o g y , t h e i n f o r m a t i o na g ei sm a k i n gg i a n ts t r i d e st ou s p e o p l el i v eo nt h ee a r t ha n d l i n k e dt ot h ee a r t h ss u r f a c ee v e r y w h e r e ：s u r f a c ed e s i g ne n g i n e e r st ob u i l d b u i l d i n g s ；g e o l o g i s ts t u d i e ss t r a t i g r a p h i cs t r u c t u r e ；s u r v e yw o r k e r sw e r eo n t h eu n d u l a t i n gt e r r a i na n dv a r i o u sm e a s u r e m e n t sa n d ，u s i n ga l lk i n d so fw a y s t od e s c r i b et h et e r r a i n d e s p i t et h ed i f f e r e n tp r o f e s s i o n a lf i e l d s ，t h ef o c u so f v a r i o u ss t u d i e s ，b u ta l lo u rw o r kw o u l dl i k et o s p e n dac o n v e n i e n ta n d a c c u r a t em e t h o dt oe x p r e s st h ea c t u a lg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n b a s e do nt h eg e o l o g i c a le x c a v a t i o nx x x xt r a n s a c t i o n t o w e ra sam o d e l i nl i g h to ft h eg t p m o d e l ，n u r b ss u r f a c e sa n do p e n g lc i r c u m s t a n c e s ，t o a c h i e v eat h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a ls c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ，a n dac e r t a i n d e g r e eo fp r a c t i c a le f f e c t s p e c i f i cd e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z et h ev a r i o u sm e t h o d so f3 dm o d e l i n g ，f o c u s i n go nt h es t u d y o f g t p b o d ym o d e l i n gm e t h o da n a l y z ei t ss t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s ，t ot h e a d v a n t a g eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，t h e t o p o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ed a t a ，b o r e do ft h ew h o l ep o i n to fa d d i n go r r e m o v i n gs m a l lc h a n g e st ot h em o d e l ；d e f i c i e n c i e si nt h es u r f a c eo fas m o o t h f i ti sn o te n o u g h ( 2 ) r e s e a r c hg t pm o d e l i n gm e t h o d s ，t i nt i no ft h ec o n v e xh u l l a l g o r i t h mi m p r o v e m e n t st h en e wm e t h o dc a l l e ds c a nl i n e s ，i n d e e de f f e c t i v e i ne x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dc a na c h i e v eb e t t e rr e s u l t s ( 3 ) ad e t a i l e db r i e f i n go nt h en u r b ss u r f a c e s ，i n c l u d i n gi t sm a t h e m a t i c a l e q u a t i o n sa n dg e o m e t r y t h ed a t ap o i n t st ot h ei n v e r s ep r o b l e mw i t haf o c u s o nr e s e a r c h ，a n dl a y saf o u n d a t i o nf o rf u t u r es u r f a c em o d e l i n g 武汉i - - 11 人学硕十学位论文 一 ( 4 ) t h e ni n t r o d u c e dt h eo p e n g lt e c h n o l o g ya n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，g l u g r a p h i c sl i b r a r yt ow h i c ht h ei n t e r f a c ef u n c t i o ng l u n u r b s s u r f a c e ( ) u s en o t e t h em e t h o d ，t h ec o n t r o lp o i n tm a t r i xh a sl i t t l e d o m e s t i cl i t e r a t u r e s ot h e a u t h o r sd e v e l o p e dam a t r i xm e t h o do fd a t ap o i n t s d i v i d eh e a p s ，b e h i n di nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h em e t h o dt oa c h i e v ec e r t a i nr e s u l t s ，b u ta l s of u r t h e r i m p r o v e d ( 5 ) f i n a l l y , t h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gt e s t sv i s u a lc + + i s d e s i g n e du s i n ga c o m b i n a t i o no fo p e n g l3 dv i s u a l i z a t i o ne n v i r o n m e n t r e a lb o r e dp o i n t g e n e r a t i n g3 dg e o l o g i c a lm o d e lc a nb eu s e df o rv i s u a l i z a t i o no p e r a t i o n k e y w o r d s ：s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ；t i n ；g t pe l e m e n t ；n u r b ss u r f a c e s ； o p e n g l i v 目录 目录 摘要i 目录v 第一章绪论1 1 1 选题依据和研究意义1 1 2 科学可视化的含义和发展概况3 1 33 d 地学模拟系统( g m s ) 简介、 1 4 研究内容和思路6 1 5 章节安排7 第二章工程地质特点解析8 2 1 概述8 2 2 地质构造8 2 2 1 水平构造9 2 2 2 倾斜构造9 2 2 2 褶皱构造10 2 2 3 断裂构造1o 2 3 工程开挖体特征1 1 2 4 本章小结12 武汉i ：群大学硕+ 学何论文 一一 第三章三维建模技术理论分析13 3 1 空间构模技术综述1 3 3 1 1 基于面模型构模l5 3 1 - 2 基于体模型构模1 7 3 1 3 基于面一体混合构模2 2 3 2 g t p 建模技术2 4 3 2 1g t p 构模原理2 5 3 2 2g t p 构模特点2 6 3 2 3g t p 构模过程2 7 3 2 4g t p 模型的更新2 8 3 2 5g t p 模型的f 足3 l 3 3 基于n u r b sf f 臼面的建模技术3 2 3 3 1n u r b s 曲面方程3 2 3 3 2 权因子对n u r b s 曲面形状的影响3 4 3 3 3 反算控制项点3 4 3 4 凸壳算法的研究与改进4 0 3 4 1 基本概念4 l 3 4 2 t i n 的数据结构41 3 4 3 t i n 三角网中凸壳算法研究4 3 3 5 本章小结4 7 v l 目录 第四章o p e n g l 三维可视化构模4 9 4 1o p e n g l 简介4 9 4 2o p e n g i 。的工作原理51 4 2 1 泛型实现：5 2 4 2 2 硬件实现5 3 4 2 3 管线5 4 4 3o p e n g l 的n u r b s 接口5 4 4 4 型值点的矩阵化5 7 4 5 建模步骤6 0 4 6 本荤小结6 1 筇五章工程实例应用6 2 5 1 编程环境介绍二6 2 5 2 定义数据库6 3 5 3 系统主要功能和交互界面介绍6 4 5 3 1 主框架的搭建6 4 5 3 2 数据部分6 6 5 3 3 操作部分6 7 5 3 4 建模部分7 0 5 4 纹理矛 1 贴图7 3 5 52 d 占0 面图与3 d 模型的比较7 5 v i i 武汉工程人学硕+ 学位论文 5 6 本章小结7 5 第六章结论和展望7 6 6 1 结论7 6 6 2 展望7 7 参考文献7 8 攻读硕士学位期间发表的论文8 2 致 谢8 3 第1 章绪论 1 1 选题依据和研究意义 第一章绪论 地球空间信息技术的不断发展和综合应用深刻地影响着科学技术、经 济建设、国防军事和人们日常工作、生活的各个方面，人类社会正从以 物质为核心的时代进入以信息为核心的时代。1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国前 副总统戈尔提出了“数字地球( d i g i t a le a r t h ) ”的概念，很快引起了世 界各国政界、学术界及产业界人士的强烈反响和高度重视，也成为我国 发展信息产业的切入点和机遇。“数字地球”是信息高速公路、国家信 息基础设施和空间数据基础设施概念和技术在更全面、更深刻层次上的 发展，也是全球经济一体化、高技术化和信息化过程中出现的新的思想 观念和科学技术动向。这一概念的提 j 及相关科学技术的发展和运用， 将促使人们更深刻地认识人类赖以生存的星球，并将有助于解决许多迫 切的社会经济问题心儿副。 地球空间信息科学( g e o - s p a t i a li n f o r m a ti o ns c i e n c e ) 是适应全球 经济和社会发展的要求而发展起来的一门新兴边缘科学，它是以全球定 位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 和遥感( r s ) 等空间信息技术为主要研 究内容，以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑，用于采集、量测、 存储、管理、分析、显示、传输和应用与地球和空间分布有关的数据的 一门综合性和集成性的信息科学和技术，是实现“数字地球”全球战略 的有效技术途径。空间信息系统( s p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是地球 空间信息科学的技术系统，是地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，土地信息系统( l a n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和地籍信息系统 ( c a d a s t r a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 等的总称h 1 。 工程地质体通常是指与人类i ：程活动紧密有关的地下的岩体，它既是 人类工程活动的地质环境，又赴理想的建筑材料和建筑物的重要组成部 武汉j ：程人学硕十学传论文 分，例如库岸滑坡、大坝基础、洞室围岩、矿山边坡等。工程地质体的 力学性状极为复杂，这主要表现在：( 1 ) 地质体本身具有非均质性，且普 遍赋存断层、节理等软弱面；( 2 ) 工程地质体往往处在地应力、地下水和 地震等环境因素中，从而使其处于不利的状态；( 3 ) 为满足设计要求，经 常要对地质体进行开挖、回填以及加固处理等，从而使岩体呈现复杂的 时间和空间形态。 随着城市化进程的加快和国家基础设施建设规模的扩大，水利水电、 道路交通、城市建设和采矿等工程中的岩体稳定性问题越来越突出，工 程地质体的稳定性评价与利用问题受到了广泛关注。目前，对工程地质 体稳定性的研究主要采用定性分析和定量计算相结合、稳定性评价和监 测预报相结合的方法。对于每一个具体工程，都以图形、表格和文字的 形式积累了大量资料。受多种冈素的影响，岩土工程研究过程中存在不 同程度的管理低效、信息利用不充分和许多不必要的重复畸h 利。 地质体研究的主要依据是由不同方式获取的大量空间上不均匀分布 的离散数据，工程地质体稳定性i 、口j 题实质就是一个空间分析的问题，将 g i s 应用于 程地质体稳定性分析，町以允分发挥它所具有的强大的信息 管理和空间分析功能。 尽管众多学者( 包括地理、测绘和计算机科学等领域的学者) 围绕三维 地理信息系统( 3 dg i s ) 的理论与方法进行了广泛研究，并取得了不少创 造性的成果，但整体看来，这一工作仍处于理论研究阶段。迄今为止， 世界上还能未开发出一个真正意义上的3 dg i s ，这使得环境、城市、气 象和海洋等诸多领域的三维原始数据的价值不能得到充分利用，三维空 间信息的有效表达与可视化处理受到严厦的制约，在工程地质领域也存 在类似的问题。因此，对g i s 在工程地质中的应用这一课题进行进一步的 探索研究是十分必要的。 工程地质的信息化和- 口j j 视化足地球空问信息科学的重要组成部分，在 地学领域火于三维空间信息的研究 1 ，地质体三维可视化构模技术已经 第1 章绪论 成为当前数学地质和工程地质等学科研究的前沿和热点，它是g i s 应用于 工程地质的重要研究内容，也是快速、适时地再现地质体三维信息及综 合分析的有效途径。一个好的三维地质模型是进行力学分析的基础，它 对工程决策和科学管理具有重要的意义。在工程地质力学分析系统中引 入三维可视化构模技术具有以下一些优点：有利于提高资源利用的信 息化程度，便于实现系统管理和资源共享；有利于实现分析成果的空 间表达，易于增强可视性；通过g i s 与力学分析系统两者之间的集成， 一方面可以发挥g i s 在空间数据操作方面的优势，另一方面可以改变g i s 应用中相关工程应用模型开发工作效率低的局面，从而弥s b g i s 在专业计 算方面的缺陷和不足；采用点与面相结合、区域规划与局部地段分析 相结合的系统方法，符合工程地质勘察和设计工作的特点，有利于睬取 快速、合理的措施以尽量降低经济损失阴3 。 i 综h 所述，工程地质体的三维建模及可视化系统研究具有极其重要的 理论和工程意义。 囊三维地质模型可以使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质空间 关系自一一个十分：直观的认识，提高对复杂地质条件的理解s n n 另, j ，妫勘 探、开发工作提供验证和解释。随着计算机技术的飞速发展，可视化技 术在地质综合研究、地震数据处理与解释等的工作中的地位日益突出。 三维地质建模技术越来越受到地学界的重视，并成为地质可视化技术的 一个热点( 详见文献 9 ，1 6 ) 。 1 2 科学可视化的含义和发展概况 科学可视化最早是由美国科学基金会( n s f ) 于1 9 8 6 年就图形学、图 像处理及工作站等方面的一次专i 、j 研讨会上提出，会议认为图形学与成 像技术应用于计算科学将会发展成个全新的技术领域，当时命彩为“科 学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c e n t i f i cc o m p u t i n g ，简称v i s c ) ”。 1 9 8 7j f ，n s f 再次召开了v i s c 讨论会，组织有关专家提交了正i 匕的“科 武汉l ：程人学硕士学位论文 学计算可视化研究报告”，同时采用了“科学可视化( s c i e n t i f i c v i s u a li z a t i o n ，简称s v ) 的名称n 引，它标志着可视化技术这一门交叉 学科的形成。 科学可视化技术是指运用计算机图形学和图象处理技术，将科学计 算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像后在屏幕上显示出 来，并进行交互处理的理论、方法和技术。实际上，随着该技术的发展， 科学计算可视化的含义已经大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视 化，而且包括工程计算数据及信息数据的可视化。它涉及到计算机图形 学、图像学处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个 领域。科学计算可视化是发达国家在8 0 年代后期提出并发展起来的一个 新的研究领域刖。1 9 8 7 年2 月。美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关 科学计算可视化技术的首次会议。与会者系来自计算机图形学、图象处 理以及从事不同领域科学计算的专家。会议认为“将图形和图像技术应 用于科学计算足一个全新的领域 ，并指出，“科学家们不仪需要分析由 计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中的数据变化情况， 而这蝗都需要借助于计算机图形学及图象处理技术 n 。 科学技术的发展，特别是数据采集和计算技术及设备的广泛开发和应 用，来自超级计算机、地球卫星、宇宙飞船、c t 扫描、核磁共振仪( m r ) 、 超声波探测仪、仿真器，涉及天体物理、生物学、医学、气象、数学、 空气动力学、地理学、地质学、地球物理勘探等领域的数据与日俱增， 处理和分析解释这些数据对人类提出了新的挑战。对这些海量数据如何 进行有效的分析，并从中发现和理解存在的现象、特征和规律，己成为 提高科学计算质量和效率的主要“瓶颈”之一，基于此，产生了可视化 技术。 虽然科学可视化从提出至今也只有不到2 0 年的时间，但由于其广阔的 应川前景，得剑普遍重视，同时也促进了计算机图形学、讣算机视觉、 信号处理、数据库技术、高性能图形工作站、面向对象技术、虚拟环境 4 第1 童绪论 技术等相关学科的高速发展。目前，各种不同程度的可视化产品在大分 子结构、气候形成、人体三维结构、机械工程、核电站仿真、四维地震 勘探、油气藏描述、基础地理信息系统的建设等多领域研究中正广泛运 用20 | 。 科学计算可视化，自从8 0 年代末提出以后，得到了迅速的发展并成 为一个新兴的学科，其理论和技术对地学信息可视表达、分析的研究与 实践产生了很大的影响。国际地图学会( i c a ) 在1 9 9 5 年成立了一个新的 可视化委员会，并在1 9 9 6 年6 月与计算机器图形协会( a c ms i g g r a p h ) 合作，开始个名为“c a r t o p r o j e c t ”的研究项目，其目的是探索计算 机图形学的技术与方法如何更有效地应用在地图学与空间数据分析，促 进科学计算可视化与地图可视化的连接和交流。地学专家对可视化在地 学巾的地位和作用，己进行了比较深入的讨论，从不同的角度提出了与 可视化密切相关的地图可视化，地理可视化，g i s 的可视化，探析地图学 ( e x p l o r a t o r yc a r t o g r a p h y ) ，地学多维图解，虚拟地理环境等概念， 但有不同的理解，对其相互关系的认识也不明确心1j - 【2 引。 美国、西欧及日本的各著名大学、研究所、超级计算机中心及大公司 纷纷着手该理沦和方法的研究，并推出了实用的软件系统，且逐步投入 应用。显然，开创集成环境可视化的研究与技术竞争已经开始。谁先掌 握和运用这项高新技术，谁就能在经济竞争和科学发展中取得优势。如 何把握好这一学科的发展趋势，开创各学科的新纪元，是相关学科所面 临的严峻挑战矧。 1 33 d 地学模拟系统( g m s ) 简介 3 d 地学模拟系统( 3 dg e o s c i e n c e sm o d e li n gs y s t e m ，3 dg m s ) 是随着 科学可视化技术和地质信息计算机模拟技术的发展，而几乎在2 0 世纪9 0 年代初的同刿j 斤始为人们所重视。传统的地质信息的模拟孑表达方式主 要有两种，其一足采用平面图和剖面图进 i 丧达( 如底板等高线图、采掘 武汉 ：程大学硕f ：学位论文 工程平面图、地质剖面图、钻孔剖面图等) ，其实质也是将3 d 地质环境中 的地层、矿体与地质现象投影到某一2 d 平面( x y 平面、x z 平面或y z 平面) 上进行表达；其二是采用透视侧投影原理，将3 d 地质环境中的地层、矿 体与地质现象进行透视制图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达， 以增强3 d 视觉效果，提高人们的3 d 理解水平。这两种方式同样存在空间 信息的损失与失真问题，而且制图过程繁杂，信息更新困难。3 dg m s 正 是针对传统的地质信息模拟与表达方式的不足和缺陷，借助于计算机和 科学可视化技术，直接从3 d 数字空间的角度去理解和表达地质和地质环 境。 1 4 研究内容和思路 本文在对三维地质信息的特点和己有数据模型进行分析评价的基础 上，提出了基于n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ，非均匀有理b 样条) 曲面模型幂y i g t p 柱体模型的： ：程地质体三维数据模型，对该模型的 几何特征和数据结构进行了分析，并重点研究了表面一柱体构模技：术中工 程现象的引入方法。采用面向对象方法寿d o p e n g l 技术设计了由数据库管 理和三维建模两部分组成的试验性软件系统。通过该系统在x x x x 交易大 厦工程中的实际应用，探索了地质体可视化模型的构模途径和万法。 依照上述思路，本文主要进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 工程岩体三维现象解析 根据地质资料的特点，地质现象和工程现象的层次结构，建立了描述 程地质体三维空间现象通用的规范化的数据格式。 ( 2 ) 三维地质数据模型 对前人提出的3 dg i s 数据模型进行了归纳总结，在此基础上，提出了 考虑一 程地质体特性的n u r b s 表面+ g t p 柱体模型，对该模型的几何特征和 数据结构进行了分析。在该模型中，三维空间实体被抽象为点状对象、 线状对象、面状对象和体状对象，地质界面由n u r b s 表面模型表示，地层 第1 章绪论 实体i 由g t p 柱体模型表示。 ( 3 ) 三维地质建模的相关算法 分析了地质体划分、曲面构建、凸包算法和模型变换方法，重点研究 了n u r b s 曲面构模方法，实现了地质体与工程现象的综合表达。 ( 4 ) 三维可视化系统设计 采用面向对象方法幂1 o p e n g l 技术设计了工程岩体三维可视化系统，系 统由数据库管理和三维建模两部分组成，实现了数据的导入导出、三维 建模、旋转、平移、缩放等基本功能。 ( 5 ) 工程应用 将三维地质建模和可视化技术应用n x x x x 交易大厦的地质研究中，证 明了该系统的有效性和实用性，并对同类工程具有一定的指导意义。 1 5 章节安排 j 本论文共分六章，各章的t ：要内容如下： n 囊第一章主要介绍了论文的选题依据和研究意义，及科学可视化的含义 和相关的国内外研究现状，还介绍了地学模拟系统，最后介绍了本文的 主要研究内容。 第二章介绍了工程地质体的一些特点。 第三章首先介绍了国内外的一些三维空间建模方法，详细论述了g t p 体元构模技术，分析了其不足的地方，对其中的凸包算法作r 改进。然 后引入n u r b s 技术，分析了它的特点和方法。最后提出本系统中三维地质 体重构所采用的宅间构模方法- n u r b s 曲面j j i g t p 体元方法。 第四章主要介绍t o p e n g l 图形库，重点研究了g l u 库中的 g l u n u r b s s u r f a c e ( ) 函数，提了一种型值点矩阵化的方法。 第五章通过实际的工程数抓对以上的理论建模方法进行了可视化测 试，对该可视化系统做了简单的介绍。 最后进行了论文总结与展q ! 。 ：。武汉阱旱入学硕七学位论文 2 1 概述 第二章工程地质特点解析 工程地质对于工程师来说并不陌生。然而，由于人类工程活动引起 地质环境的改变，工程地质问题造成工程建设的被动与失败的若干实例 证实，许多人对工程地质又是陌生的。 人类历史b - - j t l l 锄j 翻开新千年新世纪的第一页，一场以高新技术为前导的 产业革命却早已开始了，工程地质学科必将在这场革命中获得新生。当 然，我们更应该看到技术的每一次革命性进步，都伴随着矛盾与冲突， 特别是体, o j 矛n 机制问题，是生产力与生产关系的相互作用，需要协调与 适应，改革就成为必然。 当前，1 二程地质学科l f i 在经历着前所未有的挑战，工程地质专业正面 临着新的发展机遇。人类与自然的关系不是斗争而是相互作用和相互影 响；人类j ：程活动不是改造自然而是如何顺应自然。人类赖以生存的地 球环境问题，工程地质、产家和地质师都要认真关注，并勇敢地承担起应 尽的职责。 2 2 地质构造 承受地壳运动的岩层或岩体，在地应力的作用下发生变形变位的结 果，称为构造形迹或地质构造。地应力作用的方式和结果有三类：1 ) 压 应力使岩石发生挤压作朋，形成压性构造；2 ) 张应力使岩石发生拉伸作 用，形成张性构造；3 ) 抓应力使岩石发生扭曲作用，形成扭性构造。岩 石的应变，除与应力的人小、方向、性质和作用时间的久暂有关外，还 与岩石本身的理化性质和周围的地质条件有关。构造变动在层状岩石中 表现最为明显，基本的构造类型有：水平构造，倾斜构造，褶皱构造和 断裂构造等，其规模有人有小，形态亦多种多样。 第2 章i ：稃地质特点解析 2 2 1 水平构造 原始岩层一般是水平的，它在地壳垂直运动影响下未经褶皱变动而仍 保持水平或近似水平的产状者，称为水平构造。如第三系的红层中常见。 在水平构造中，新岩层总是位于老岩层之上。当地面未受切l - l jf t t - ，地 貌上现为同一岩性构成的平原或高原。在受切割的情况下，老岩层出露 于低处，新岩层在高处。当项部岩层较硬时，常形成桌状台地、平顶山 或方山( 如图2 1 ) 。 峰 鼍 图2 1 地层水平构造 叠如果水平构造的岩层是软硬相间，在差异剥蚀作用下常形成层状i l j 丘 地藐，在侵蚀斜坡上便形成构造阶地( 即假阶地) 。在我国东部第三系产 状平缓的红色砂砾岩中，受侵蚀后常形成顶平、坡陡和孤立突出的城堡 状、屏风状、塔状、柱状等地貌形态。 2 2 2 倾斜构造 倾斜构造是指岩层经构造变动后岩层层面与水平面间具有一定的夹 角。倾斜岩层常是褶曲的翼，断层的一盘，或者由不均匀的升降动运引 起的。测定倾斜岩层的产状是研究地质构造的基础。岩层在空间上的位 置称岩层产状，它可用岩层的走向、倾向和倾角三要素来确定( 如图2 2 ) 。 当单斜构造上部的岩层较坚硬或软硬相间时，在差异剥蚀作用下常形 成单面i l i 和猪背脊等典，i i j 地貌。单面i l _ l 的特点是山脊沿层走向延伸，两 坡明显不对称，与岩层倾向一致的山坡叫顺向坡，坡度较缓，坡面较平 整，坡体也较稳定；与倾向相反的坡叫逆向坡，其特点与顺向坡n i jf ( r 相 武汉t 程大学硕十学位论文 反。在软硬岩层相间的情况下，常形成多列单面山和发育着独特的格子 状水系( 图2 2 ) 。 2 2 2 褶皱构造 c ：顺向河0 ：逆向河r ：再顺向i 可s ：、犬成 可 图2 2 地层倾斜构造 岩层在侧方压应力作用下发生的弯曲叫褶曲。褶曲仅指岩层的单个弯 曲，而岩层的连续弯曲则称为褶皱。褶曲的形态可用褶曲要素来表示。 褶曲的基本类型有两种：背斜和向斜。通常，背斜是向上拱起的弯曲， 核部的岩层相对较老，两翼的则较新。向斜是向下弯曲，剥蚀后中间( 槽) 的岩层相对较新，两翼的则较老。 2 2 3 断裂构造 岩石受应力作用而发生变形，当应力超过一定强度时，岩石便发生破 裂甚至沿破裂面发生错动，使岩层的连续性完整性受到破坏者，称为 断裂构造。 断层是指岩层或岩体沿断裂面发生较大位移的构造。断层的要素有： 断层面、断层线、断盘和断距等。按断层两盘相对移动的关系，断层类 型可分为：正断层、逆断层、平推断层、直立断层和捩转断层等( 图2 3 ) 。 第2 章i ：科地质特点解析 断层要素：a 断层面，岩层或岩傩发生断裂时的破裂面；b 断层线，断层面 与地面的交线；c 断盘，断层面两侧的岩块。如断层面产状倾斜，则位于断层 面之上的一盘叫上盘，位于断层面之下的一盘叫下盘；d 断距断层两盘同一 标志层相对错开的距离 断层类型( 按断层两盘相对位移的关系分类) ： a 正断层，上盘相对下降；b 逆断层，上盘相对上升( 断层面黼 4 0 。为冲断层，4 5o 为逆掩断层，2 5 。为推复构造) ；c 平推断层， 两盘沿断层走向( 水平方向) 相对位移；d 垂直断层，断层面直立，两 盘沿垂直方向相对位移；e ：摒转断层，即枢纽断层，两盘沿断层面 上某一点发生旋转位移；距旋转中心愈远，断距愈大 图2 3 断层 “ 篡自然界，断层往往不是单条出现，而是由若干条断层构成一定的组合 型式。例如，阶梯状i 卜断层是由几条产状大致相同的向一侧依次下降的 正断层组成的。地垒和地堑是由几条平行走向的断层使断盘产生差异升 降造成的，中间相对突起的地块称为地垒；中间相对降落的地块称为地 堑，如西欧的莱茵地堑，我国的汾渭地堑。又如有些平推断层组成一系 列的错动带。 2 3 工程开挖体特征 工程开挖体是指在地层中进行各种人类工程活动所形成的开挖实体， 如隧道、井巷、地下基坑等，这些歼挖实体与自然地质体一样都是3 d 的， 在空间上都占有一定的位置与范围，具有一定的形态和属性，并与自然 地质对象紧密联系。此外，工程开挖体一般都是按照预先设计的要求在 地质体中施工形成的，因而其空间牛j 征、属性特征和空间关系特征等方 面有独自的特点。 空间特征又称几何特征或定位牛i ：7 i t ：，表示空间对象所处的窄间位置与 武汉亡程大学硕士学位论文 空间分布形态。工程开挖体几何形状一般比较规则，空间位置描述也比 较精确。如巷道类似于一个柱体，其空间位置的数据获取和描述方法是 先沿纵向测定剖面中心或底顶板的空间坐标，然后每隔一定的距离测出 柱体横断面特征点的坐标。而地质体的形态通常是不规则的，也无法详 细描述其空间位置。 属性特征表示工程开挖体的各种性质特征，如工程体的开掘方式、支 护形式、用途，以及开挖前工程体内的地质体特性( 岩性、含水性、力学 强度) 等。工程体的这种属性特征与其掘进的地质体属性密切相关。 2 4 本章小结 人类社会的进步与发展，实际上又是一部人与自然相互协调和相互影 响的壮丽史诗。以前我们把人与自然的关系当成是与天斗与地斗的斗争 关系，实践证明，人与大自然斗争的结果，虽然取得了一些局部性的小 胜利，而大自然反过来对人类的惩罚却是灾难性的。人类的每一次产业 革命，无刁_ 与工程建设有直接关系，与地质环境有直接或间接关系。建 国以来，我国的基本建设此起彼伏，水利水电工程建设从无到有，新一 轮的建设高潮正在兴起。在多专业组成的基建队伍这个庞大乐团中，地 质工程师要起到指挥和首席演奏家的作用，甚至还要担负起独奏华彩乐 章的作用。 第3 章：三维建模技术王甲论分析 第三章三维建模技术理论分析 近年，不少学者围绕3 dg i s 空间数据模型做了大量研究，提出了许多 三维( 3 d ) 空间数据模型和建模方法。女h m o l e n a a r 在原二维( 2 d ) 拓扑数据 结构的基础上，提出了3 d 矢量图的形式化数据结构，p i l o u km 、c h e nx y 等提出了基于四面体的3 d 数据模型，李德仁等提出了基于八叉树和四面 体格网的混合数据模型，李青元提出了基于点、边、环、面、体的3 d 矢 量数据模型，陈军、郭薇等提出了基于单纯形剖分的拓扑空间数据模型， 侯恩科等提出了面向地质建模的3 d 体元拓扑数据模型。针对地质钻孔和 地层分布特点，h o u l d i n gsm 提出了适于层状地质体建模的三棱柱( t p ) 模型，龚健雅等提出了三棱柱体( t p v ) 模型，吴立新、齐安文等提出了基 于偏斜地质钻孔建模的类三棱柱( a t p ) 模型( 后发展成为广义三棱柱模 型，简称g t p ) 心刚叫3 ”1 ，毛善君等提出了应用于煤矿地质的似直三棱柱模型。 在工程开挖体建模方面，马荣华等提出了面向对象的矿井巷道3 d 数据模 型，把矿井巷道看作柱状体，由一系列断面组成：龚健雅、程朋根等以 断面对象和似柱体来表达井筒、巷道等工程体，提出了矢栅集成面向对 象的混合数据模型；熊伟等将工程开挖体比拟成地层，与地层一起统一 采用a r t p 表达，提出了基于t i n 并h a r t p 的3 d 数据模型。 上述关于地学建模的研究大多集中在地质体建模方面，对工程开挖体 建模考虑较少，即使涉及也是把两者割裂开来，没有实现一体化建模。 因此，人们在3 d 空间数据模型方面远没有达成共识，适合地质体和工程 开挖体统一建模的数据模型亟待研究。 3 1 空间构模技术综述 3 d 空间构模方法研究是目前3 dg i s 领域以及3 dg m s 领域研究的热点问 题。许多专家学者在此领域做1 r 有益的探索。地质、矿山领域的一些专 武汉i ：程人学硕十学位论文 家学者，围绕着矿床地质、工程地质、和矿山工程等问题，对3 dg m s 的 空间构模问题进行了卓有成效的理论与技术研究，加拿大、美国、澳大 利亚、南非等国还相继推出了一批在矿山和工程地质领域得到推广应用 的3 dg m s 软件。 过去十来年中，研究提出了2 0 余种空间构模方法，若不区分准3 d 和真 3 d ，则可以将现：a - 的空间构模方法归纳为基于面模型、基于体模型和基 于混合模型的3 大类构模体系，如表所示： 表3 13 d 构模方法分类 体模型 面模型 混合模型 规则体元非规则体元 不规则= 角网( ，| i n )结构实体儿何( c s g )四面体网格 t i 、一c s g 混合 t i n - ( k ：t r e e 混合或 网格( g r i d )体素( v o x e l