（机械设计及理论专业论文）x山可视化模型的建立及其应用程序的开发.pdf

一垦坚鲎兰奎垒型望兰皇型鲨望兰= = = 一 _ - ，一一 一 a b s tt a c t i nt h em o u n t a i nx sp r o s p e c t i n ga n de x p l o i t i n g f o rm i n e r a l r e s o u r c e s 。t h em a n u a ld e s i g na n dp l a n n i n go nt h ep a p e rm a pi n t h ep a s t isd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ef u t u r ed e s i g n ，b e c a u s ei t i sl a b o r i o u sa n d1 0 we f f i c i e n ta n d1 0 wp r e c i s e a tt h es a m et i m e ，m i n i n g e n g i n e e r i n gt h a ti sas p e c i a lw o r kt h a td i g sf o rat u n n e lr e l a t e st ot h e b o d yo ft h em o u n t a i na n dt h em i n e r a l r e s o u r c e sw h i c ha r ea l li r r e g u l a r 3 ds o li d s o ，i ti sh a r dt ou s et h et r a d i t i o n a ld e s i g nm a k i n g v i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rm i n i n ge n g i n e e r i n g i no r d e r t od e a lw i t ha b o v ep r o b l e m s ，i ti st h ea l 卜i m p o r t a n tw o r kf o rt h em o u n t a i n x sp r o s p e c t i n ga n de x p l o i t i n gf o rm i n e r a lr e s o u r c e si nt h ef u t u r et o c h a n g e t h ei n f o r m a t i o no fp a p e rm a pi n t o t h ei n f o r m a l i o no fd i g i t a l c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt or e p l a c em a n u a lh a n d l ew i t hc o m p u t e r i n d e s i g n i n ga n dc o m p u t i n gb yu s i n gt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，i te x p l a i n si nd e t a i lt h em e t h o d st h a te s t a b l i s h m o u n t a i nx ss u r f a c e sm o d e l ，g e o o g i c a lm o d e l ，t u n n e l sm o d e la n d p r o g r a m m i n gf o ra p p l i c a t i o n sb yu s i n gt e c h n i q u e so fv i s u a l i z a t i o n ，c a d ， v e c t o r i z a t i o na n dg r a p h i c s t h ea p p l i c a t i o n sc o n t a i n sc o m p u t i n g m o u n t a i nx sc o o r d i n a t ea n dt h eii n e so fr e s i s t a n c e ，q u e r y i n gt h e d a t a b a s eo ff a u l t a g e ，j o i n ta n dt h ei n f o r m a t i o no fm i n i n ge n g i n e e r i n g i th a sb u i l tas u i to fp r o d u c t i o no fm o u n t a i nx sv i s u a l i z a t i o n m o d e la n da p p l i e a t i o n si nt h i st a s k t h ep r o d u c t i o nh a sm a d eag r e a t s u c c e s si nt h er e a l i t ya p p l i c a t i o ni nl a s ty e a ra n dw i l lp r o v i d e s c i e n t i f i ca n dr e l i a b l ei n f o r m a t i o nf o rt h ep r o s p e c t i n gm i n e r a l r e s o u r c e s ，m i n i n ge n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：m o u n t a i nx ，v i s u a l i z a t i o n m o d e l ，p r o g r a m m i n g f o ra p p l i c a t i o n s 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 经过多次矿藏勘测，x 山蕴藏了大量的稀有金属矿藏。由于各地质时期成 矿作用及其范围的不均一性，造成该山的矿藏资源分布很不均匀，具有多组共 生的特点，在同一地质体或同一地质构造内，蕴藏着两种或更多的矿体( 层) 。 这对地质勘测工作和矿藏资源开发的合理规划带来一定的难度。在矿藏资源开 发规划中，既要充分考虑到新方式开采特点，又要考虑到原有开采方式重复使 用问题，同时要兼顾开采环境治理。这些问题对规划设计和工程设计提出了新 的较高的要求。如果规划和工程设计继续采用原有设计方式，即按照纸地图上 的信息进行设计，不仅费工、费时，而且在工程计算、产量分析和设计精度等 方面受到很大的限制。为了解决上述矛盾，建立x 山可视化模型和数据库是必 要的。同时建立x 山可视化模型和数据库是完全可行的，因为随着计算机软件、 硬件技术的不断发展，尤其是计算机图形技术和c a d 技术的发展，使得以微机 为基础三维造型技术已比较成熟，在市场上有许多建立三维模型的通用软件包。 因此，在2 0 0 1 年，我们在所做的项目x 山平洞模拟系统中立了一个子课题 x 山可视化模型的建立及其应用程序的开发，项目编号为：2 0 0 1 0 6 0 4 0 3 b 。 1 2 可视化技术及其发展动态 1 2 1 基本概念 可视化或称视觉化，它的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、 抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形 和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式， 直观、形象地表达出来，并进行交互处理。这技术正成为科学发现和工程设 计以及决策的强有力的工具。它涉及到图像处理、计算机辅助设计和图形交互 技术等相对独立的学科领域。在1 9 8 7 年，可视化概念提出后，作为高新技术， 得到了如此迅速发展，有着深刻的技术背景： 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 经过多次矿藏勘测，x 山蕴藏了大量的稀有金属矿藏。由于各地质时期成 矿作用及其范围的不均一性，造成该山的矿藏资源分布很不均匀，具有多组共 生的特点，在同一地质体或同一地质构造内，蕴藏着两种或更多的矿体( 层) 。 这对地质勘测工作和矿藏资源开发的合理规划带来一定的难度。在矿藏资源开 发规划中，既要充分考虑到新方式开采特点，又要考虑到原有开采方式重复使 用问题，同时要兼顾开采环境治理。这些问题对规划设计和工程设计提出了新 的较高的要求。如果规划和工程设计继续采用原有设计方式，即按照纸地图上 的信息进行设计，不仅费工、费时，而且在工程计算、产量分析和设计精度等 方面受到很大的限制。为了解决上述矛盾，建立x 山可视化模型和数据库是必 要的。同时建立x 山可视化模型和数据库是完全可行的，因为随着计算机软件、 硬件技术的不断发展，尤其是计算机图形技术和c a d 技术的发展，使得以微机 为基础三维造型技术已比较成熟，在市场上有许多建立三维模型的通用软件包。 因此，在2 0 0 1 年，我们在所做的项目x 山平洞模拟系统中立了一个子课题 x 山可视化模型的建立及其应用程序的开发，项目编号为：2 0 0 1 0 6 0 4 0 3 b 。 1 2 可视化技术及其发展动态 1 2 1 基本概念 可视化或称视觉化，它的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、 抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形 和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式， 直观、形象地表达出来，并进行交互处理。这技术正成为科学发现和工程设 计以及决策的强有力的工具。它涉及到图像处理、计算机辅助设计和图形交互 技术等相对独立的学科领域。在1 9 8 7 年，可视化概念提出后，作为高新技术， 得到了如此迅速发展，有着深刻的技术背景： 第1 页 里堕型堂堑莶盔堂竺窭生堕堂垡连塞 ( 1 ) 计算机的处理速度和内存容量的大幅度提高，包含有超级计算机、图像 计算机、图形工作站的网络功能的增强，使过去需要耗时费力的冗长计算得以 在短时间完成。计算机图形学、计算机辅助设计和图像处理以及软件工程、交 互技术的发展，使得对复杂图形图像的处理成为可能： ( 2 ) 心理学、认知科学的研究，认定人类具有高效的、大容量的图形和图像 信息通道，人的知觉系统对于图像信息的感知、把握能力远胜于对简单的文字 符号的处理。只是由于技术水平的限制，这一潜能远未充分发掘； ( 3 ) 技术的进步，人类获取数据的能力大大增加，但数据的处理远远落后。 在高能物理、卫星遥感、气像、地震预报、医学成像及工程计算等领域中，产 生了大量的数据，及时的判读、理解、抽取信息等日显重要，借助图形图像的 信息表达、存储和传递面临着巨大的挑战。 1 2 2 可视化过程介绍 可视化过程就是一个对数据的分析处理过程，一般分为以下几个步骤： ( 1 ) 过滤，即抽取感兴趣的数据。这一步是从原始的实验数据中提取研究人 员感兴趣的数据，并经过粗略的数据加工，然后转换成更浓缩、更相关的数据； ( 2 ) 映射，i i p g , j 建几何原语。将第一步得到的结果映射成可以绘制成图的几 何原语。常见的原语有零维的点原语( 如粒子) 、一维的线原语( 如等值线) 、 二维的面原语( 如等值面) 、三维的体原语和更高维的基于特征的图标原语； ( 3 ) 绘制，即几何原语转变成图形图象。一旦选定了数据的几何原语表示， 研究人员可以对几何原语赋予视觉特性，即确定帧的合成、颜色、透明性、纹 理、阴影等方面，并启动图形图象绘制过程； ( 4 ) 反馈，即显示图形图象。可视化过程的最后一步是显示出绘制的图形图 象，显示方式可能因使用的图形设备和软件的功能不同而不同。 虽然可视化过程只有四步，但分析过程并非到此结束，它是一个周而复始 的循环迭代过程。由于研究人员事先并不知道原始数据中哪些对分析最重要， 而且也不能预定原始数据与几何原语的映射关系，这些都得要靠经验的摸索。 因而，整个可视化的分析过程是反复精确的过程。 1 2 3 可视化技术发展动态 1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会的个研究报告提出科学计算的可视化 第2 页 圄堕型兰垫垄盔堂竺塑圭堕兰垡坠塞 ( v i s u a l i z a t i ni ns c i e n t i f i ec o m p u t i n g ) 问题。目前，它所提出的思想已成 为世界科学界新兴学科研究中的热点。可视化技术一经提出便引起巨大反响。 由美国国家科学基金会设立的几个大型国家实验室、超级计算机中心及美国国 家宇航局、美国空军、海军的研究中心、各大学等都设立了相应的项目或相应 的专门实验室，德国和日本等也紧随之后，争取投入大量人力、财力。专家预 测，可视化技术的潜力有可能使人类通讯的方式发生革命性变革，具有重大的 经济效益和社会效益。 为促进这一新兴学科的发展，国际有影响的学术杂志，例如i e e ec o m p u t e r 在1 9 8 7 年和1 9 8 9 年，i e e ec o m p u t e rg r a p h i c s a p p l i e a t i o n s 在1 9 9 1 年分 别组织了可视化技术及其应用专集，每年一度的美国图形学年会a c ms i g g r a p h 1 9 8 8 年度就将可视化列为会议主题，并组织了专题讨论。以可视化为名的一批 国际学术杂志如v i s u a l i z a t i o n ，j o u r n a lo fv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e r a n i m a t i o n 等在8 0 年代末9 0 年代初相继创刊。以可视化为主题的专门的新国 际会议系列从9 0 年代开始每年定期举行。 可视化技术从它的诞生之日起，便受到了各行各业的普遍欢迎，目前它几 乎涉及到了所有能应用计算机的部门。下面列举几例： ( 1 ) 建筑设计 在建筑设计时，利用可视化技术，可以将客户的各种要求和想法转化为计 算机图形和图像。在送交客户们审查意见时，设计者提交的不是厚厚一迭图纸， 而是按设计图纸建成后的建筑外貌，甚至于内部结构。客户的反馈信息能及时 反映到设计当中去，使设计的效率大大提高。除用在设计新的建筑外，可视化 技术还可以从部分或全部被破坏的古代建筑构筑出原有的模型，并使人们获得 身临其境的视觉感受。例如，中科院c a d 开放实验室开发的古建园林系统成功 地恢复了圆明园部分遗址的原貌。 ( 2 ) 环境与生态科学 利用可视化技术对污染的传播和积累、全球臭氧的分布、建筑物与周围气 流、大面积水域污染等许多问题进行模拟、实验，分析产生的后果，设计可行 的预防措施。例如，目前正有人用可视化系统研究大气对地球系统的其它成分 第3 页 里堕型堂垫垄盔堂婴茎兰墼茎焦丝三 一 ( 如海洋、植被、土壤等) 的交互作用。 ( 3 ) 地质勘探 利用人工模拟地震的方法，可以获得地质岩层信息，通过数据特征的抽取 和匹配，可以确定地下的矿产资源。用可视化方法对模拟地震数据的解释，可 以大大的提高地质勘探的效率和安全性。 ( 4 ) 气候模型与预测 用全球气候模型模拟、由超级计算机生成的多变量数据，可通过可视化技 术的等高线、等值面、向量和流线生成等方法，甚至于借助动画，预测天气形 式的变化。例如，从气象卫星得到的二维原始云图，在气象专家的帮助下，利 用经验公式，可将其在一定范围内变换成云层的高度，借助计算机图形学技术 即可使遥感得到资料以三维显示的方式呈现在观众面前，使人们能更深刻地了 解天气系统的发生和发展过程。这种方法已经被日常的天气预报采用。 ( 5 ) 材料科学 国外有人利用a v s 系统对中子散乱数据进行可视化，来研究凝固态物质的 微观结构和力学特征。在计算机中模拟改变分子模型的拓扑结构，新型物质的 化学和物理性质都有较直观的反映。在开发新型材料时，可视化技术是一个不 可缺少的辅助工具。 中国科学院计算技术研究所c a d 开放实验室开发的数据场可视化系统对原 始地貌、地面高程、卫星云图、医学图像及军用目标的模拟数据等的可视化显 化处理和实验，取得了满意的效果。中国气象局国家卫星气象中心，从提高防 灾减灾天气预报的准确性出发，也开展了相应的研究。其主要目的是将气象卫 星对我国及其周边地区遥感得到的，每天近万兆字节的数据进行计算与分析， 把结果提供给气象预报员作为天气预报的重要依据。 综上所述，可视化技术有着巨大的发展和应用潜力，以及潜在的可观的经 济效益和社会效益，可能促进其它相关科学的发展和技术的进步。国内各专业 性领域对可视化技术日益增加的兴趣和不断加强的合作，预示着这一新兴技术 在我国发展和应用的良好前景。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 本课题的目的和主要研究内容 x 山矿藏资源开发的规划设计，原来一直是在纸地图上，通过手工作图完 成。手工作图速度慢，不仅耗费大量的人力、时间，且作出的图不甚精确。同 时，其结果往往只有一份存档，一但丢失或损坏就难以弥补。而采用计算机技 术可以弥补上述缺点。在资源开发的规划设计中，通过x 山可视化模型和数据 库，可以充分利用计算机技术，实现从规划设计到施工图绘制的全部计算机化， 为计算分析及科学的模拟规划设计奠定基础。 建立x 山可视化模型和数据库可达到下述目的： ( 1 ) 可以随时查询x 山任何一点的大地坐标； ( 2 ) 查看x 山体已经勘探清楚的地质信息； ( 3 ) 查询x 山中已有工程的信息； ( 4 ) 可完成矿藏资源合理开发的规划设计： ( 5 ) 在模型基础上完成新上工程的模拟设计； ( 6 ) 计算抵抗线，为工程总体规划和工程模拟设计提供依据； ( 7 ) 结合多媒体技术，进行新上工程模拟演示。 根据以上目的，本课题的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据原始资料1 ：2 0 0 0 的x 山地形图，建立x 山的三维等高线模型和地 表模型： ( 2 ) 根据已经探明的地质勘探资料和现有的工程资料，建立x 山地质特征模 型及工程模型： ( 3 ) 在高线模型和地表模型基础上，求解x 山表面任意一点的平面直角坐标 和高程，求解x 山体内的抵抗线； ( 4 ) 在x 山地质特征模型及工程模型基础上，在建立断层及节理信息查询数 据库、工程资料查询数据库； 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章建立x 山的三维等高线模型和地表模型 等高线模型( 即数字高程模型) 和地表模型分析是现代矿藏资源勘探与开 采规划中一项十分重要的基础性工作。通过可视化技术处理，数字高程模型和 地表模型的数据分析结果可以以二维和三维图形的方式显示出来，如地形高程 立体模型图、地形晕渲图、剖面图等。其图形成果能够非常逼真地表现出地形 形态、沟谷密度分布、坡向、坡度等地形要素，为地学分析人员研究区域规律 提供了强有力的手段。 2 1 建模方法和软件工具的选择 2 1 1 建模方法 三维模型的建立是一个比较复杂的过程，主要包括以下几个内容： ( i ) 数据输入方法 数据输入主要完成将原始地形图资料转换成数字化数据，并确定资料转换 后的存贮方法，最后输入到计算机中。此课题的原始资料只有l ：2 0 0 0 的x 山地 形图，且年代较远，图纸有破损。通常情况下可使用数字化仪、扫描仪及数字 化仪和扫描仪相结合的方式进行图纸录入。由于后续求解问题要求精确度高， 且工程扫描仪具有精度高、速度快、扫描过程具有选择性等优点，故而可选择 工程扫描仪进行图纸扫描，以保证原始数据的精确度。 ( 2 ) 数据转换方法 数据转换就是利用矢量化技术，将数字图像转换成矢量图形。目前，自己 开发矢量化软件的难度和工作量较大，因此选择比较成熟的商品化软件。我们 选择了r x s p o t l i g h t 矢量化软件。 数字图像转换成矢量图形即称矢量化。一般从扫描仪输入或从遥感获取的 图像常采用这种技术转换成矢量地图。本课题中主要涉及数字图像线单元转换 为矢量线单元的技术，大约要经历以下步骤：( a ) 分类，即把图像单元分成与 线有关、无关两大类；( b ) 线的细化，矢量化后的线宽般取零宽度。图像中 的线宽度往往大于零宽度，可在矢量化过程中确定某宽度范围，把其余宽度的 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章建立x 山的三维等高线模型和地表模型 等高线模型( 即数字高程模型) 和地表模型分析是现代矿藏资源勘探与开 采规划中一项十分重要的基础性工作。通过可视化技术处理，数字高程模型和 地表模型的数据分析结果可以以二维和三维图形的方式显示出来，如地形高程 立体模型图、地形晕渲图、剖面图等。其图形成果能够非常逼真地表现出地形 形态、沟谷密度分布、坡向、坡度等地形要素，为地学分析人员研究区域规律 提供了强有力的手段。 2 1 建模方法和软件工具的选择 2 1 1 建模方法 三维模型的建立是一个比较复杂的过程，主要包括以下几个内容： ( i ) 数据输入方法 数据输入主要完成将原始地形图资料转换成数字化数据，并确定资料转换 后的存贮方法，最后输入到计算机中。此课题的原始资料只有l ：2 0 0 0 的x 山地 形图，且年代较远，图纸有破损。通常情况下可使用数字化仪、扫描仪及数字 化仪和扫描仪相结合的方式进行图纸录入。由于后续求解问题要求精确度高， 且工程扫描仪具有精度高、速度快、扫描过程具有选择性等优点，故而可选择 工程扫描仪进行图纸扫描，以保证原始数据的精确度。 ( 2 ) 数据转换方法 数据转换就是利用矢量化技术，将数字图像转换成矢量图形。目前，自己 开发矢量化软件的难度和工作量较大，因此选择比较成熟的商品化软件。我们 选择了r x s p o t l i g h t 矢量化软件。 数字图像转换成矢量图形即称矢量化。一般从扫描仪输入或从遥感获取的 图像常采用这种技术转换成矢量地图。本课题中主要涉及数字图像线单元转换 为矢量线单元的技术，大约要经历以下步骤：( a ) 分类，即把图像单元分成与 线有关、无关两大类；( b ) 线的细化，矢量化后的线宽般取零宽度。图像中 的线宽度往往大于零宽度，可在矢量化过程中确定某宽度范围，把其余宽度的 里堕型兰堇查丕兰受签生坚主堡笙兰 线去掉，从而保证转换所需的信息：( c ) 线的提取，根据相关的线单元，判断 线的端点及交点，从而将线用矢量数据表示出来，在某些情况下，复杂的曲线 还要用数学函数来表示。 ( 3 ) 数据处理方法 目前，a u t o c a d r 2 0 0 0 是一套比较成熟的c a d 应用软件，它提供了开放式d x f 接口，用它进行数据处理，可以保证各种软件之间数据的方便交流。它提供嵌 于内部使用的a u t o l i s p 和v b a ( v i s u a lb a s i ca p p l i c a t i o n ) 语言，能比较方便 地进行编程，可直接控制修改图形数据库且有较好的计算功能。另外，利用 a u t o c a d 建模可与较多的后处理软件进行接口，如3 d s m a x 、v i s l a b 等。 d x f 文件是一个a s c i i 码文本文件，具有特殊的格式。d x f 文件可分为五大 段，分别叙述如下： 首段( h e a d e r ) 有关图形的般信息都在此段中，每个参数都有一个变量和一个与之相对 应的值。例如： a u t o c a d 版本号a c a d v e r 图形插入基点w c s ，$ i n s b a s e 已绘图范围坐标w c s ，s w x t m i n ，$ e x t m a x 绘图极限范围坐标w c s ，s l i m m n ，$ l i m m a x 当前所用菜单名称s m e n u 尺寸线做图参数$ d i m c e x i ，$ d i m e x e ， d x f 文件的首段一般包含3 0 0 余对标题与值。若是由其他软件生成的d x f 文件，首段内容相对较少，只包含主要信息，首段信息相对于其他几段来说比 较简单，不必要再包含子段。 表段( t a b l e s ) 表段包含的是a u t o c a d 绘图处理时所需要的，为较复杂的操作的一组组的 表信息。表段又可分为若干个子段，a u t o c a d 版本越高所包含的子段也越多。 由a u t o c a d r 2 0 0 0 生成的d x f 文件般包含以下几个子段： l i n e t y p e 线型子段 v p o r t 视窗配置子段 第7 页 里堕型兰堇垄盔堂塑茎量医生生l 垒l = = = = = = = 一一一 。 l a y e r 层子段d w g m g r 。图形文件管理子段 s t y l e 字型子段a p d i d 应用标志码子段 v i e w 视图子段d i n s t y l e 尺寸和标注方式子段 u c s 用户坐标系统子段 块段( b l o c k s ) 块段包含图形中所有块的定义及相应的信息。这些块是在标注尺寸时产生 的，或在阴影填充、插入图块时产生的，当然也包含定义块命令所形成的块。 属性数据定义的条目组也存在于d x f 文件的块段。 实体段( e n t i t i e s ) d x f 文件中的实体段列出了所有在图形中使用的已绘好的实体，由于已经有 了块段和表段，它们都可以被实体段中的图形调用。 结尾段( e o f ) 此段标志一个d x f 文件的结束，只包含两行，是一对标题值。 ( 4 ) 模型构造方法 模型构造是将已获得的散乱数据，通过一些数学模型对它们进行网格化处 理，转换成网格数据。网格数据便于计算机系统进行处理。 散乱数据指定义在空间中的特定点，这些点是任意分布的，并且它们之间 没有联结关系，一个简单例子就是一特定区域范围内的温度测量点所测到的数 据。 网格数据是指定义在网格之上的数据。网格有多种不同类型，如笛卡儿网 格、规整网格、矩形网格、结构网格、非结构网格、曲线网格、块结构网格、 混合结构网格等，由于条件限制，我们通常采用的是规整网格，即均匀网格。 均匀网格通常是矩形的，它通过网格线之间的间隔来描述或定义，同一个 轴方向上网格线间隔值相同，不同轴方向上的网格线间隔值可能不相同。通过 定义包围盒或定义开始点及每个坐标方向上的增量来显示指定坐标。 均匀网格是建立数字化高程模型的种常用面模型，其数据由一系列等间 隔的地形高程值表示。网格交叉点处的高度就是对应地面某点的高程值。均匀 网格由于其数据存贮位置能够反映实际数据的空间位置，因而这种数据格式对 第8 页 垦堕型兰丝查盔兰塑壅生堕主垡堡苎 数据的操作非常方便。它还有一个最大优点是，可以非常便利地生成具有多分 辨率的层次细节模型，因为对子空间实施固定模式的分割就得到较高分辨率的 细节模型。 考虑今后模拟分析要求及今后设计任务的要求，采用均匀网格建立x 山三 维数据库，形成x 山三维地表模型，完全能满足我们的需要。 2 1 2 软件环境选择 ( 1 ) 选用基于p c 机的w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 作为操作系统，因为它运 行较为稳定，支持的应用软件多，操作简单，易于学习，易于维护。 ( 2 ) 选用a u t o c a d r 2 0 0 0 作为三维模型造型工具。a u t o c a d r 2 0 0 0 是一个比较 理想的微机三维模型造型环境，它不仅适用面广，编辑功能强，而且具有较强 的三维功能，还具有良好的接口体系和开放结构。最为重要的是其内部嵌套的 a u t o l i s p 和v b a 语言，可进行图形应用的宏程序和函数编写。与以前版本相 比，a u t o c a d r 2 0 0 0 在影响生产效率的诸方面作出重大改进。这些方面包括：系 统运彳亍速度、文件共享、图层和线型管理、精确绘图、绘图布局、打印输出和 高质量图像渲染。软件本身易于学习，易于维护，并且可以按照工作的需要进 行改造。由于使用了第二代面向对像的体系结构，模块化单元库、a c t i v e x 以及 其他现代软件技术，使得a u t o c a d r 2 0 0 0 为本系统的成功奠定了坚实的基础。 a u t o c a d r 2 0 0 0 充分利用了微软公司w i n d o w s9 8 、w i n d o w sn t 和 w i n d o w s 2 0 0 0 软件平台的优势，为用户的设计工作提供了额外的便利。软件的安 装使用了w i n d o w s9 8 、w i n d o w sn t 和w i n d o w s 2 0 0 0 系统中常见的安装向导， 简化了软件的安装过程。绘图设置向导和新增的绘图模板使绘图参数的设置自 动化。所有这些绘图设置的功能缩短了学习时间，并且成为a u t o c a d r 2 0 0 0 提高 生产率的重要环。 a u t o c a d r 2 0 0 0 图层和线型管理引入了基于w i n d o w s2 0 0 0 资源管理界面的 新型对话框，它具有卡片式的结构。用户通过它不但可以完成所有的管理操作， 更可以通过几次鼠标器点取完成按照名称，颜色和状态的排序。a u t o c a d r 2 0 0 0 软件配置了相应的工具去简化通过i n t e r n e t 与同事和用户共享图形的过程。例 如，在标准工具栏中配备了启动w e b 浏览器的按钮，通过文件输出操作可以生 第9 页 量堕型主彗查盔堂竺瑟圭匿生壁迨塞 成供网上浏览的d w f 文件，在a u t o c a d 对象中可以挂接网络地址( u r l ) ，在网络 上拖放设计图形，并且可以通过指定网络地址打开网上图形。 ( 3 ) 选用s u r f e r 软件包作为散乱数据网格化处理的工具。s u r f e r 是一个三 维绘图软件包，可画等值线圈、三维面图，面图可以用正交投影或透视投影方 式，可以倾斜和旋转任意角度。它带有多种字符库，可以对图形加标题，对轴 和图作详细标志。s u r f e r 具有各种函数运算功能，输入数据很方便，任何高级 语言的计算结果和l o t u s 的数据，或用户输入的无规则数据，都可以用该软件 快速地给出精美图形。该软件采用交互式菜单，直观、快捷，在菜单操作过程 中可以随时在屏幕上显示图形。修改绘图参数，直到满意，最后以图形文件存 盘、或送打印机或绘图机输出。 ( 4 ) 选用r x s p o t l i g h t 软件作为图像矢量化处理工具。r x s p o t l i g h t 是一个 强大的光栅矢量混合编辑程序，使用r x s p o li g h t ，可以先将扫描得到像素图像 进行编辑、修改，直到满意后再进行矢量化处理。 在r x s p o t l i g h t 中，光栅图像的最大尺寸为：垂直像素数目1 0 0 0 0 0 0 0 ，水 平像素数目为6 5 0 0 0 ，一千万个像素大约表示2 5 0 米长的扫描图像，对于更大图 像由于存储器而限制了它的应用。r x s p o t l i g h t 支持大多数光栅格式。如：r l c 、 t i f f 、p c x 、c a l s 和b m p 等。 在r x s p o t l i g h t 中，光栅的选择使得光栅编辑易如矢量编辑。智能光栅选 择是一种全新的技术，它可以方便地捕捉目标光栅和光栅组，而以前只用于矢 量元素。使用r x s p o t l i g h t 将光栅线转换成为矢量是件很简单的事。在图像中 确定一个光栅目标，然后r x s p o t l i g h t 将自动地识别它的形状并生成一个近似 的矢量图形。也可以选择在矢量化时同时删除原来光栅的方式。删除原来的光 栅线、弧线或圆，并不会在任何光栅交界处破坏其连续性。选用过滤器可以对 光栅干扰进行净化处理，包括：平滑、加厚、细化、去斑点及孔洞填补等各种 过滤方式。矢量元素的生成和编辑是利用各种工具进行的。矢量图可以输入到 r x s p o t l i g h t 或输出到a u t o c a d ( d w g ， d x f d x b ) 或c a d k e y 文件格式。 ( 5 ) 选用3 d 姒x 软件作为简单动态模拟软件。3 d m a x 是一套基于微机比较成 熟的三维动画制作软件，它可以建立三维模型并进行着色处理、动态模拟等工 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 作。 三维软件是一门利用计算机来实现产品几何造型的技术。三维造型通常包 括了线架模型、表面模型和实体模型三大类，其中以实体模型的三维表现性最 强，但对计算机所要求的存储量也最大。目前有的三维软件已能够进行真实感 极强的动画创作，它们在模拟物体运动时，不仅能够表现刚体的运动，还可以 表现弹性变形、塑性变形、运动中的阻尼影响和爆炸过程等等。 美国是较早在产品设计领域引入三维软件的国家之一，美国波音公司就将 三维软件应用于波音7 j 7 飞机的设计。该系统的三维软件可在屏幕上形像逼真 地显示飞机舱中的液压管道、氧气线路、空气导管、电缆及其它设备的空间分 布。还可解决维护人员进入飞机维修时的人杌工程学问题，这些都使得设计人 员能够尽早地发现飞机设计中的缺点和不足，从而使设计更加合理和科学。 3 d m a x 是一套基于p c 机的多功能三维动画软件，具有建立三维物体模型、 编辑材料、高分辩率着色投影、动画处理及后剪辑制作功能。3 d m a x 能够通过动 画生动地表现建筑物的外部形状及内部装璜，在工业造型设计上也有广泛的用 途。3 d m a x 软件已在事故重现、卡通片制作、建筑物浏览、商业广告、手术演 示和艺术绘制等方面获得了广泛应用。 采用3 d m a x 来绘制精美的建筑物着色图，代替传统的手工作图，使用扫描 仪输入建筑物所要坐落的环境照片，而后从相同的观察角度，用3 d m a x 构造一 个逼真的建筑物模型，然后再将这个建筑物放在照片中的对应位置，这样“真 实”的环境和“虚拟”的建筑物很难分辨，有利于处理好建筑物与环境的匹配。 2 2 建模过程 x 山地形图数据量大，相应的其处理工作量也较大。建立x 山三维模型的流 程图如图2 1 ： 国防科学技术大学研究生院学位论文 作。 三维软件是一门利用计算机来实现产品几何造型的技术。三维造型通常包 括了线架模型、表面模型和实体模型三大类，其中以实体模型的三维表现性最 强，但对计算机所要求的存储量也最大。目前有的三维软件已能够进行真实感 极强的动画创作，它们在模拟物体运动时，不仅能够表现刚体的运动，还可以 表现弹性变形、塑性变形、运动中的阻尼影响和爆炸过程等等。 美国是较早在产品设计领域引入三维软件的国家之一，美国波音公司就将 三维软件应用于波音7 j 7 飞机的设计。该系统的三维软件可在屏幕上形像逼真 地显示飞机舱中的液压管道、氧气线路、空气导管、电缆及其它设备的空间分 布。还可解决维护人员进入飞机维修时的人杌工程学问题，这些都使得设计人 员能够尽早地发现飞机设计中的缺点和不足，从而使设计更加合理和科学。 3 d m a x 是一套基于p c 机的多功能三维动画软件，具有建立三维物体模型、 编辑材料、高分辩率着色投影、动画处理及后剪辑制作功能。3 d m a x 能够通过动 画生动地表现建筑物的外部形状及内部装璜，在工业造型设计上也有广泛的用 途。3 d m a x 软件已在事故重现、卡通片制作、建筑物浏览、商业广告、手术演 示和艺术绘制等方面获得了广泛应用。 采用3 d m a x 来绘制精美的建筑物着色图，代替传统的手工作图，使用扫描 仪输入建筑物所要坐落的环境照片，而后从相同的观察角度，用3 d m a x 构造一 个逼真的建筑物模型，然后再将这个建筑物放在照片中的对应位置，这样“真 实”的环境和“虚拟”的建筑物很难分辨，有利于处理好建筑物与环境的匹配。 2 2 建模过程 x 山地形图数据量大，相应的其处理工作量也较大。建立x 山三维模型的流 程图如图2 1 ： = 里望垡垄尘笙望望叁垡望兰兰= = = 一 _ _ ，- _ _ _ - - _ _ _ _ 一一一 【扫描x 山地形留成形图像文件 1 陬图像文件输 rx sp o t l i g h t 系统内，进行矢量化处理，并转换成d x f 格式 在a u t o c a d 中。将d x f 文件转抉成d w g 又件，并给等高缦赋高程值l 一一一逮，、 编制程序，在a u t o c a d 中提取三维数据点，形成d t 数据文件l 在s u r f er 中将摹散点规整成均匀网格点并形成d t 数据文件 编制程序，将d a t 数据转换成a u t o c a d 能读取的数据结构【 i 根据处理好的数据，在 u t o c a d 构造模型i 将模型输入到3 d m a x 中进行动画模熊 否，z t - t - - z - - 、 图2 1 2 2 1 纸地图扫描 根据设计要求，采用x 山1 ：2 0 0 0 地形图，共1 0 张，编号“x 山一1 ”到“x 山一1 0 ”，1 9 x x 年黄海高程系，等高距为2 5 米，每张地形图长、宽均0 5 米。 图幅布局如图2 2 。 x 山一lx 山一2x 山一3x 山一4x 山一5 x 山一6x 山一7x 山一8x 山一9x 山一1 0 图2 2 由于目前我部资料室现存此类x 山地形图仅套，而且x 山1 、2 、6 、7 已人工拼接，其上有人工作业结果，分辨率较低。x 山一8 原图已不存在，只有 一张人工描绘图存档，其线条光滑度和线宽比较租糙。其它地形图精度稍好， 但由于图纸都是晒图处理过，且年代较久，也都不很清晰。所以，在扫描的图 第i 2 页 里堕型兰垫查盔兰婴塑生丝垫j 垒三t = = = - ，_ - _ _ ，_ r 一一 像中，只能较准确提取较粗的计曲线，中间部分的间曲线可以通过计算机进行 插值计算获得，并不影响建模效果。为此，利用工程扫描仪进行图纸扫描，分 析处理，再扫描，多次反复，最终形成一套较满意的扫描图像文件。 图2 3 为 x 山局部的扫描图。 图2 3 x 山l ：2 0 0 0 地形图图纸尺寸较大，所表达的地理信息较多，在扫描和数据 处理过程中，由于受到扫描仪、计算机容量和运算速度等条件的限制，无法实 现一次性完成。在建模过程中，为了解决该矛盾，采用了地图的分幅处理。这 样，数据的存贮和计算可以在不同的计算机上进行，提高了工作效率。 2 2 2 地图信息的分层处理 地图进行扫描过程中，必须充分考虑后处理工作的方便性和简单性。由于 扫描中一般存在所需与不所需的信息，如果在此过程不对其进行分类，转换成 矢量文件后，将大大增加其后的工作量。x 山地形图中存在等高线、字符说明、 经纬线、杂点等信息。而在此项目中只需有效提取地形图中的等高线信息，因 而在扫描后，利用扫描处理软件，可以先排除图素中的杂点、字符等信息。 第1 3 页 里堕型兰茎垄盔堂婴塞圭堕兰堡鲨塞 经扫描整理的等高线，由于比例尺的不同及等高线的不同，在不影响计算 分析的前提下，对等高线信息也应有所取舍。x 山地形图等高线相距2 5 m ( 间 曲线之间) ，计曲线之间相隔等高距为l o o m 。由于扫描精度的影响，只提取计 曲线信息已完全能满足求解的精度需求。在提取计曲线信息的基础上，还必须 在矢量化过程中进行分层处理。如1 4 5 0 ( 层名) 层只存储等高程为1 4 5 0 m 的等 高线，以此类推。这将在为此后赋于等高线高程值以极大方便。 2 2 3 矢量化 矢量化技术是一个有很大发展潜力的新技术领域，其研究涉及计算机图形 学、图像处理、模式识别和数据结构等学科。所谓矢量化即是把点阵图像转化 为矢量图形的过程。矢量图形与点阵图像相比有如下优点：第一，信息相同时 前者的文件相对要小得多，图素越复杂表现越明显：第二，前者易于操作，与 许多后处理程序交互方便、规范；后者的编辑功能较弱；第三，前者可以对图 元分层显示，而后者只能做到整图区域的分割、显示和控制。 22 31 图形与图像 ( 1 ) 图形图像技术基础 图像是指在空间和亮度上都已经离散化了的图像。可以把图像考虑为一个 矩阵，矩阵中的任一个元素对应于图像中的一个点，而相应的值对应于该点的 灰度级，这样的数字阵列叫像素。总之，数字图像是由一系列像素组成的，如 果所有的像素有且只有两个灰度级( 黑或白) ，则称其为二值图像，亦即位图； 否则称其为灰度图像或彩色图像。显示过程是从左到右、从上到下逐个像素点 地显示。图像文件对图像的每一个像素点( 不管前景或背景像素) 都要保存， 当前景( 有用的目标信息) 越简单时它存储的开销越大。另外不能对图像上的 任一曲线( 或文字或图符) 进行属性修改、拷贝、移动及删除等图形编辑操作， 只能对整个矩形区域内的所有像素同时进行图像编辑操作。当图像进行放大或 缩小显示时图像信息会发生失真，特别是放大时图像目标的边界会发生阶梯效 应，正如点阵汉字放大显示发生阶梯效应的原理一样。 图元是图形图像中具有一定意义的较为独立的信息单元。例如画面的一条 细线、一个矩形、一个圆、一个填充的封闭区域。在矢量图形中也称之矢量图 第1 4 页 里堕型堂堇查盔兰竺塞生些兰丝丝塞 元。图像图元和矢量图元显示效果相同但数据结构不同，图像图元不能作为独 立单元进行