3D技术在岩土工程中的应用.doc

近年来，随着可视化技术的迅速发展，可视化技术在岩土工程领域中已经得到了广泛的应用。所谓可视化就是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用户的判断和理解。具体地说，它将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和驾驭信息的有力工具。三维可视化技术是当前计算机科学研究中的热点之一，需要研究合理的空间算法，实现在三维空间中真实地再现现实世界，并为用户提供方便、快捷、直观的显示手段。目前，可视化技术在岩土工程中的应用主要有以下几个方面：岩体的三维建模系统，岩体的三维数值模拟分析，岩体结构的三维可视化研究。通过三维可视化图形显示结构面，使地质工程师直观地看到岩体结构面空间的几何形态、相互关系和分布，准确地进行科学分析，对地质问题作出合理与科学的结论和决策。 一、岩土工程中三维可视化的研究内容 科学可视化技术实际上是将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。计算机在图形设备上生成真实感三维图形必须完成4个基本任务: a.用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将它们输入计算机。b.将三维几何描述转换为二线透视图，这可通过对场景的透视变换来完成。c.确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去。d.计算场景中可见面的颜色，严格地说，就是根据基于光学物理的光照明模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色。接着通过明暗处理模型确定画面上每一个面的颜色，最终生成图形。对于三维动态可视化还需要增加一个处理步骤，即三维动画的生成。（一）岩体的三维建模系统 岩土工程处理的对象性质复杂，需要研究适用的三维数据结构和有效的建模技术，既能充分反映地层的特点，又便于数据的管理和操作，这是实现系统高效显示和分析的基础。 在三维可视化建模系统研究中，数据模型和数据结构是一关键问题。以前的大部分三维空间数据模型研究是基于CAD模型，三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法， 它反映了现实世界中空间实体及实体间的相互联系。面向的空间数据模型作为一种具有特定性质的数据模型，其主要研究内容由数据结构、数据操作和完整性约束条件三要素所组成。岩土工程所处理的对象包括空间和非空间实体两大类，非空间实体可以用传统的数据库管理系统来处理：空间实体可视化研究，建立三维岩体模型，以便更直观地研究和分析岩体的形态及其变化规律。在建立岩体三维模型时，首先创建了钻孔的空间位置，也就提供了建立岩体三维可视化模型的基础。然后从剖面着手，根据前人已有的资料，利用岩体在勘探线剖面的投影形状，构建其空间的大致赋存形态。最后形成矿体的三维空间模型。 综上所述，岩土工程的可视化建模系统应具有以下一些功能特征：工程地质数据模块；立体模型的显示与分析模块。（二）岩体的三维数值模拟分析 在岩土工程中，岩土体都是处于三维受力状态，三个主应力对边坡的稳定性均有重要作用。同时随着边坡周围的开挖、爆破震动、岩体节理裂隙以及断层等因素的影响，使岩土体的结构和受力状态发生不断的变化。在岩土工程稳定性研究中，将其作为二维问题来研究，简化条件太多，不能同时考虑三个方向的主应力情况，使得计算的结果不能与现场情况吻合。 （三）岩体结构的三维可视化研究 岩体构造决定岩体的力学性质，工程中以岩体构造作为分析岩体的基本依据， 故岩体构造的生成是很重要的环节。岩体裂隙客观上是以三维状态存在的，过去为简化计算常常用二维网络描述岩体构造，但是由于研究工作的深入，理论计算出二维构造向三维构造发展，岩体的损伤断裂以三维裂隙较为准确。就岩体三维裂隙网络的模拟与生成来说。至关重要的一点就是现场岩体裂隙参数的获取和分析。经常采用的方法是人工测量二维裂隙的信息，如裂隙的迹长，隙宽，裂隙的组数及裂隙组的倾向、倾角。对裂隙二维产状的资料进行概率统计模态分析，并生成三维网络。在当今的地质应用技术中，计算机屏幕所显示的图形、图像，是一种描述岩体结构信息的有效手段，通过结构面三维可视化图形显示，可以使地质工程师直观地看到岩体结构面空间的几何形态、相互关系和分布，准确地进行科学分析， 从而对地质问题做出合理与科学的结论和决策。在实际工作中， 岩体结构面网络模拟为三维可视化技术在岩体结构研究中主要应用，其模拟的主要过程如下：模拟的假设条件，模拟的主要步骤：a.对岩体结构均一区系统统计岩体结构面；b.对结构面观测数据进行合理分组；c.对每组结构面确定其形态参数的分布形式及特征值，建立结构面概率模型；d.对主要结构面确定其位置及形态参数；e.将数据依次输入计算机，确定各组结构面体密度及模拟区内结构面数目；f.对结构面中心点坐标、产状、直径、隙宽随机模拟；g.对模拟结果进行检验，若不符合结构面原概率模型，重新模拟；h.绘制三维网络图。二、实现方法 随着计算机硬件技术、三维真实感图形学、科学计算可视化等计算机技术的发展， 空间数据的图形表达也从二维静态图形显示发展到动态的交互的三维可视化及虚拟现实技术。三维工具软件也纷纷出现，目前使用较广泛的三维图形语言有OpenGL ，Direct3D ，Java3D ，VRML等，它们可以方便地实现对三维模型的建造，方便地实现各种三维图形的交互操作等。其中最具代表的为OpenGL ，OpenGL是专业图形处理，科学计算等高端应用领域的标准图形库。用OpenGL实现三维可视化时，可以解决透视、消隐、光照等问题，开发者只需解决实体的可视化建模，包括控制点坐标转换、三角格网的建立和法向量的计算等。利用OpenGL进行三维显示原理: 场景数据首先被转化成点、线、面等图元形式供加工(裁剪等) ；逐个顶点处理完成后，进行光栅化，并贴上表面纹理，生成二维片断。对每个片断进行必要处理后得到像素，将像素的参数存入相应的缓冲区。在处理过程中，将判断片断是否被挡住，只有位于视角内的像素才会写进缓冲区。最后让缓冲区内的像素在窗口中显示出来。用OpenGL实现实体三维可视化， 需要创建场景、上下文设置、初始化、环境设置、视见环境设置、色彩纹理设置、坐标变换、模型合成、显示控制等操作。因此利用它实现三维建模及其他三维图形显示是目前的首选技术。三、结束语 岩土工程