三维可视化技术在岩土工程中的应用(共6页)

1、三维可视化技术(jsh)在岩土工程(gngchng)中的应用(yngyng)xxx（）摘要：随着经济以及科学技术的不断发展，三维可视技术也逐步走向成熟。在岩土工程中应用三维可视化技术，可以对岩体进行立体的、多方位的展示和观察，以研究岩体的宏观特征和构造细节，最终达到准确分析岩体结构的目的。关键词：岩土工程；数据可视化；岩体结构 中图分类号：TP391.9 文献标识码：AThe Application of Three-dimensional Visualization(3DVS) in Geotechnical EngineeringAbstract：With the development

2、ofeconomy and science technology,3D visualizationtechnology hasgradually matured.Application of 3D visualizationtechnology in geotechnical engineering,can be used in multipledirections stereoscopicdisplayand observation,on the rock,on macrocharacteristics ofrockandstructural details,finally achieve

3、thepurposeof accurateanalysis of rock massstructure.Keywords：Geotechnical engineering; data visualization;The rock mass structure1 引 言三维可视化技术始于20世纪80年代后期,但由于受到计算机硬件条件(如内存小、速度慢等)的限制,该技术的应用受到了一定制约。20世纪90年代中期以后,三维可视化技术才日趋成熟。由于三维可视化技术相对于传统的显示技术具有巨大的优势，因此在现实生活中得到广泛的应用。如医院单位、建筑行业、矿产开发、水利水电等领域的工作中都应用了三维技术，

4、岩土工程中也应用了三维可视技术。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。科学可视化是20世纪80年代后期由美国科学家提出并发展起来的一门新兴边缘技术。通过可视化技术在岩土工程中的应用,使得岩土工

5、程中的三维空间问题可视化研究成为可能。岩土工程相对于其他工程而言,由于地质条件的复杂多变性、岩土体情况的不确定性和工程的隐蔽性,使得工程设计在施工过程中需要不断变更,而依据则主要是从工程现场获得的各种信息。这些信息数量大、种类多,借助于计算机进行快速处理、进行结果分析,及时反馈到现场用以优化设计和指导施工已是势在必行。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:1)岩体的三维建模系统,可视化技术在地表建模中已经得到了广泛的应用,例如利用规则网格或Delaney三角网建立三维地表模型。三维地质实体模型的开发、研究也取得了进步。2)岩体的三维数值(shz)模拟分析,在数值分析中,三维分析

6、远比二维分析有意义和价值,也只有进行三维分析,计算分析方法才能得到更加合理的结果。三维有限元分析的前处理和后处理功能主要依赖于可视化技术来实现。3)岩体结构的三维可视化研究,在岩土工程稳定性分析中,由于岩土体有别于其他一些匀质固体,特别(tbi)是岩体往往含有众多断层、界面或节理,故也称为节理岩体。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。综上所述,从宏观上,可视化技术的基本方法有点数据场的可视化、标量场数据的可视化、矢量场数据的可视化、张量场数据的可视化及其他相关数据的可视化。可视化

7、主要的实现过程包括数据预处理、数据构模、图形(txng)生成等。利用可视化技术对岩体进行建模实质上是对岩体的空间特征的图形模拟,减少了传统复杂抽象的符号,以更直观形象的表达方式建立区域地理虚拟环境,实现用户与模拟系统的交互操作,可极大地提高人们对空间分析研究的能力。2 三维可视化技术研究应用现状目前在三维地震数据的可视化方面，已有多种商业软件，并在实际应用中取得了较好的效果，国外比较著名的有Landmark公司的Earth Cube、GeoQuest公司的Geoviz、Paradigm公司的VoleGeo，它们基本上代表了当今地震勘探三维可视化应用的最高水平。国内的有石油物探局的3DV、保定双

8、狐软件公司开发的三维地震微机解释系统，这两种解释软件中都含有三维可视化显示及成图工具。这些软件在功能上各有千秋，很难说哪一个更先进，其功能主要有：加载地震资料，数据体动画浏览，多种显示方式（常规2D剖面/切片，3D空间的剖面/切片，盒式数据体等），显示控制（移动、缩放、旋转），各种可视化显示参数的调节（显示范围、比例、不透明度、颜色、光源、比例、垂向放大、数据体截取、背景色等），层位和断层段、层位面和断层面等时间域资料的显示，透明(Voxel地震属性)体显示，子体(Subvolume)的定义和剥离，层位和断层的拾取，种子点定义与自动追踪，沿层位雕刻，多属性数据体可视化叠合显示等。对于更高级的可

9、视化解释技术而言，目前还出现了一种叫做“虚拟现实”（Virtual Reality，即VR）的可视化技术!它是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种显示和传感设备使用户“沉浸”到该环境中去，在该环境中解释人员被地震资料图像所包围，似乎在地质体内观察、解释地震资料，工作人员处在三维空间中，解释构造关系、感觉地质现象、寻找地质目标。虽然利用虚拟现实技术可以取得更好的三维效果，但目前这项技术还不十分成熟，存在成本高、解释人员容易疲劳等缺陷，因此在当前只是处于研究状态，并未达到真正的应用层面。3 三维可视化技术的基本原理 三维可视化是基于体素显示和透明度控制的工作平台，它提供了一个三维显示平台，显示功能

10、的强弱是展示解释工作成果的重要环节，三维可视化的核心是体素显示和透明度调节，而颜色、透明度、光线、运动则是三维可视化技术的四要素。3.1 体素显示三维可视化软件的编制有两种基本方法，一是基于面的体绘制，二是基于体素的造型单元绘制，以体素为可视化单元的方法是现阶段流行的先进的方法。体素（Voxel）具有如下特点：（1）体素是一个三维图像，它的大小等于面元的间距和采样间隔控制的小三维体。（2）在以体素为基础的可视化中，每个数据采样点都被转换成一个体素，每个地震道转换成一个体素队列。（3）除了T和振幅值外，每个体素还有一组对应于原三维数据体的值，这个值是一个RGB（.红、绿、兰）颜色值和透明性变量。

11、（4）通过不透明性变量可以对透明度进行调节。3.2 透明度调节(tioji)透明度即透明的程度，是由可视化体素显示的，与基于地震数据体提取的信息(xnx)完全不同的一种新属性，透明度的调节根据地震资料振幅值分布的统计特性进行。对于三维数据体通常看到的是外围和周边的资料，内部的现象被遮挡。如果采用透明的盒子，其内部也就清楚了。三维可视化引入了这一思路，如果把强振幅透明，看到的是弱振幅反映的地质现象；如把弱振幅透明，看到的是强振幅反映的地质现象。透明度的应用(yngyng)，使三维地震解释发生了重大变化。使得我们可以在三维空间中综合构造、地层和振幅特征进行综合解释。直接判断层位、断层、陷落柱、地质

12、异常体和其它地质目标。3.3 三维可视化显示的四要素颜色、透明度、光线、运动是三维可视化技术的四要素。颜色在显示中至关重要；光线对颜色起补充作用；运动则可体现三维效果；透明度是三维可视化的重要属性，只有这四要素相互配合，才可以直观地描述构造，把地质目标显示的更清晰，从而进一步分析构造细节和地层特征，达到三维地震勘探的目的。4 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。这部分工作可由三维立

13、体造型或曲面造型系统来完成。场景的几何描述直接影响了图形的准确和图形绘制的计算耗费,选择合理有效的数据表示和输入手段极其重要。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,4.

14、1 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。4.1.1 数据模型 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

15、系统来处理:空间实体作为具有空间描述的实体,其空间描述包括绝对位置(如空间坐标)或相对位置(如距离或拓扑关系)等信息。因此,空间数据模型的一个中心任务即研究空间实体及空间关系等概念的表达。这些研究内容是设计空间数据库与构造概念模式的基础,它直接影响着空间数据库组织、空间查询、空间推理和空间分析的有效性。对三维空间数据模型的认识(rn shi)和研究在很大程度上决定三维可视化系统的发展和应用。很多学者为此进行了大量的探索和研究工作,然而,由于三维空间数据的庞大和复杂多样,至今人们对三维数据模型问题还远远没有达到共识。根据关于三维空间实体及其相互间关系的数据模型有许多个,但提出的数据模型在解决某些

16、领域或某一专题时显示出优势,试图用一个通用的模型来描述或表达客观世界中所有三维空间实体及其空间关系,几乎是不可能的。李元青等提出的三维矢量数据结构能够较合理地描述边坡地质实体,具有明显的优越性。笔者在建立三维边坡模型时采用这种矢量数据模型。4.1.2 拓扑关系 如何建立、维护空间元素的拓扑关系是三维可视化研究领域中的一个核心问题。拓扑关系的建立使得各种空间的操作与信息查询易于实现(shxin)。然而三维可视化中的三维拓扑关系建立是一个棘手的问题,因为所研究目标的结构极其复杂和不规则。从侧重于岩土工程实际应用的三维可视化研究出发,复杂地物可用充满空间的各种体域、组成体域的曲面、构成曲面的边界环、

17、组成环的弧、弧上的结点来描述;一般来说,体域是目标实体的基本构成;认为任何复杂的实体都是由体域(自然的或人工的)构成的;体、面、线、点是一个动态的概念,在不同的比例尺或不同的研究重点时可以相互转换。4.1.3 建立(jinl)模型 对岩体进行三维计算机模拟和可视化研究,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。此时,可以通过对模型进行空间旋转、放大、缩小等操作,从三

18、维空间形态上分析岩体的空间展布规律,分析岩体的形态和空间变化。在采矿工程中通过对矿体三维模型的研究,建立矿体三维模型,不仅对矿体有一个全新的认识,而且有助于改变传统的平面思维方式,从三维空间的角度,分析矿体的空间展布规律。为今后的地质研究和矿山生产提供了一种直观、先进的方法。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:1)工程地质数据模块 工程地质钻孔数据库建立与资料查询,检索模块提供数据库操作功能,将工程所涉及的有关工程数据资料与钻孔数据资料经整理、录入到工程数据库中,可方便地查询、检索所需要的钻孔、地层信息以及工程资料信息。2)立体模型的显示与分析模块 利用建立的工程地质钻孔

19、数据库,形成立体的模型并显示于屏幕,可以从各个角度直观地了解地下土层、岩层情况。并提供地层模型的转动、缩放以及切割任意剖面的功能,可以让使用者方便地得到指定地层的具体信息。4.2 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。因此,为了更加真实地反映实际情况,说明三个主应力对岩土工程稳定性的影响,必须作为

20、三维问题进行分析研究。在三维数值模拟分析中,首先建立物理力学模型,依据滑坡地形地貌和结构构造特征,按滑体位置建立三维物理力学模型。然后三维模型剖分成计算需要的单元体,应用有限单元法的基本原理和计算方法进行计算分析。在有限元分析中,需要应用可视化技术实现形体的网格剖分及有限元结果数据的图形显示。即所谓有限元分析的前后处理。现有的有限元分析软件能较好地显示二维图形,但三维空间数据场的可视化功能较弱。而科学计算所形成的数据场包括工程计算的结果数据及测量数据往往是三维空间数据场,即数据值均一一定义于空间的某几何位置。因此,有限元分析结果数据的直观形象的表达也是三维可视化技术研究的一个重要方面。岩土工程

21、数值分析计算方法,除了众所周知的有限元方法外,离散单元法(DEM)、不连续变形分析(DDA)等方法也占有重要的地位,这是由于岩体有别于其他一些匀质固体,特别是岩体往往含有众多断层、界面或节理,故也称为节理岩体。DEM, DDA的计算模型均是基于将岩体按其节理或界面分割成各自孤立的块体的,其计算模型是由所有分割的块体组成,显而易见,这种由空间真实的断层节理和界面等分割成的块体系统,其三维特性是很明显的,从这点讲,在DEM和DDA数值分析中,三维分析远比二维分析有意义和价值,也只有进行三维分析, DEM和DDA这类基干块体模型的计算分析方法才能得到合理(hl)的结果,并得到工程界的认可。三维数值模

22、拟分析除了建模外,还应具有强大的后处理功能,利用可视化技术进行结果分析,可生成各种形式的三维等值线图、色谱(s p)图及矢量图等图形等。在岩土体稳定性分析方法研究中,三维岩体的三维数值模拟分析方法是一种简易实用而精确度较高的分析方法。地质实体三维可视化图形显示,可以使地质工作者直观地看到地质现象的几何形态相互关系和分布,准确地进行力学计算分析。4.3 岩体结构(jigu)的三维可视化研究各种岩体结构面的地质信息,都是从野外测量或仪器观测获得。但是,这些信息都是离散的数据,地质人员很难直接利用这些数据来分析结构面在岩体中的分布规律,或寻求其相互间的交切关系。面对这些宝贵的实测数据,地质工程师无疑会提出这样的问题,即如何利用这些资料来推断结构面在研究区的发育与分布规律和空间组合关系。由于已往地质人员常习惯于用图形来表达对地质体的认识,现在自然更希望能利用计算机来自动显示这些信息在岩体中的分布情况。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