基于三维结构的边坡三维地质建模与可视化

基于三维结构的边坡三维地质建模与可视化

1维地质建模与可视化方法三维地质建模的概念最早由s.w.houlitz提出。三维地质建模研究最初主要是为了满足地球物理、矿业工程和油藏工程等地质模拟与辅助工程设计需要而展开的,随着相应理论基础的研究和深入以及计算机技术的迅速发展,国外在相关领域已经出现一些三维地质建模及可视化软件,如GoCAD,LYNX,EarthVision,3DGMS等。在国内,许多学者结合所属领域开展了三维地质建模和可视化研究。陈昌彦等应用拟合函数法开发研制了边坡工程地质信息的三维可视化系统,并应用于长江三峡永久船闸边坡工程三维地质结构的模拟和三维再现中。曹代勇等提出基于OpenGL的切片合成法,并应用于煤田三维地质模型可视化分析中。黄地龙等结合溪洛渡水电站研制开发一套岩体结构三维可视化系统,在一定程度上建立了三维地质模型构图,并能够进行一些简单的剖切分析。武强和徐华设计了超体元实体模型,建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构。潘炜等从地质数据分析预处理、地质表面和实体的生成、断层和地层以及三维地质模型其他要素的处理等方面,详细阐述了三维地质模型的建立过程。王秋明等结合工程实际应用,采用IDL开发了三维地质模型可视化系统3D-GVS。朱良峰等基于三维GIS软件平台研制开发了三维地质建模与可视化系统。钟登华等开发了基于TIN-NURBS结构的水利水电工程三维地质可视化软件,并将水利水电工程的建筑物空间模型与三维地质模型耦合,提出了三维地质统一模型的概念。以往三维地质建模和可视化方法的研究[3~14],在描述复杂地质结构方面尚存在不足,由于所采用的模型表达和存储方式的局限而影响三维地质可视化的显示效率和质量,同时,不能满足特定的三维地质可视化分析和三维交互式查询方面的需要。另外,在三维地质可视化显示方法研究方面,大多采用OpenGL、Direct3D等底层三维驱动技术,该开发方式具有难度大、编程复杂等缺点。而借助GIS等第三方商业软件平台进行二次开发的方式进行三维地质模型的可视化显示,不利于系统集成开发和网络共享,开发成果的发布受版权问题影响。因此,探寻新的三维模型可视化显示方法是十分必要的。虚拟现实技术是未来计算机三维可视化技术的发展趋势,随着计算机网络技术的发展和网络应用的普及,作为桌面级虚拟现实应用的网络三维技术(Web3D)是当前三维可视化技术新的发展方向,第二代虚拟现实建模语言X3D的提出加快了Web3D技术的发展和应用。X3D是一种位于OpenGL,Direct3D等底层图形驱动之上的高级三维可视化语言,具有便捷的三维交互性、超强真实感的场景以及丰富的扩展接口等特点,逐渐被应用于各领域的三维可视化应用研究中[15~17]。2数据基本特征三维数据结构对三维空间数据按一定规则进行组织,以精确反映空间实体的几何形态和拓扑关系。根据所要表达空间物体的几何特征,可将三维数据结构分为两大类:一类是基于曲面表示的数据结构,即通过采用包围三维空间的方法来表达三维空间实体对象;另一类是基于体元表示的数据结构,即用体信息代替面信息来描述对象的内部几何构造,将空间物体抽象为一系列邻接但不相交的三维几何体的集合。边坡工程三维建模基础数据的组织和表达方式(三维数据结构)是边坡工程三维建模的基础,岩石高边坡工程建模研究区域的地面结构、地下结构及地质结构非常复杂,建模数据信息量大,且三维可视化分析要求高。因此,选择和建立合适的三维数据结构是高效建立复杂边坡工程三维模型的关键。通过分析常用三维数据结构,结合裁减NURBS曲面和B-Rep实体三维数据结构的优点,可建立面向复杂边坡工程三维实体建模的三维数据结构。其中,以NURBS结构作为构造边坡工程三维模型的边界曲线和裁减NURBS曲面,应用B-Rep实体数据的半边结构组织裁减NURBS曲面的空间拓扑关系,以实现组成复杂岩石边坡工程三维地质模型的地表及地质构造体、地面及地下开挖体的空间几何结构信息描述。2.1裁减地震面的构建假设一个(m+1)×(n+1)的块形NURBS曲面,其网格控制点的坐标为(xi,j,yi,j,zi,j),其中,0≤i≤m,0≤j≤n,则该曲面可通过以下公式定义为式中:p,q为阶数,通常可取p=q=3;wi,j为权重系数;Nip(u),Njq(v)分别为u,v方向B样条基函数。实际工程中,已知的地表及地质结构表面控制点和边界线控制信息都可看作拟合曲面上的实际数据点集,即需要根据给定的NURBS曲面上的数据点集、初始参数和节点分布,反算参数函数曲面s(u,v)的控制点集和权重wi,j,从而找到适合已知数据点集的NURBS曲面函数。参数控制点集和权重wi,j可通过将由实际的数据点集所构成非线性方程组转化为非线性优化问题求解得到。常规块形NURBS曲面很难表示具有任意拓扑结构的复杂自由曲面,裁减NURBS曲面是块形NURBS曲面经过曲面参数空间定义的曲线裁减所得的曲面(见图1)。裁减NURBS曲面满足如下约定:(1)裁减曲线环的方向如果是面向逆时针循环,则曲线环内部部分保留,反之则曲线环外部部分保留;(2)一个裁减曲面可以包含多个裁减曲线环,但最外边界的曲线环必须是面向逆时针;(3)曲线环的面向为u,v轴定义参数空间的正视图方向。边坡工程三维地质可视化所需的三维地质模型中结构界面大多可用裁减NURBS曲面表达。2.2边坡局部区域的简化b-rep结构传统边界表示法把三维物体的拓扑信息和几何信息分层记录,并建立层与层之间的关系,在具体操作时往往采用一种一致的次序来逐个列出面上的顶点,对于一些复杂的运算相当费时。B.GBaumgart提出了翼边数据结构的边界表示法(B-Rep),它是描述一条边与其相邻的2个顶点、4条邻边和2个邻面拓扑关系的数据结构。由于翼边结构要确定当前边所在的环与面时比较困难,因此S.Roghothama和V.Shopiro对翼边结构作了改进,将边一分为二,将2条半边分别从属于各向相邻面的边环,由此形成更为完善的半边结构。半边结构实体模型的数据由Solid,Face,Loop,HalfEdge和Vertex等5个层次组成,更加便于查询实体组成元素的有关信息,在不修改实体整体数据结构的前提下,更容易实现对实体各种局部的操作,对于具有相同拓扑结构的物体,各种不同的尺寸和形状都可以用统一的数据结构进行描述,便于在数据结构上附加其他非几何信息,以便实现信息融合和功能扩展。在三维实体建模中,B-Rep结构能够通过其边界面来定义实体,为几何对象提供有效的体描述。B-Rep结构中的边界可以是任意类型的边和自由曲面。在边坡工程三维地质建模中,构成地形、地质和洞室几何实体的边界面主要是裁减NURBS曲面,边坡局部区域简化B-Rep实体的组成结构如图2所示。应用B-Rep半边结构可直接根据顶点、棱边、表面等基本元素,通过欧拉运算来构造复杂边坡工程的三维地面、地质和洞室等对象实体。3复杂岩石高边坡的三维地质分析3.1基于构造空间界面的地质结构面转实际边坡工程极为复杂,各种结构面和边界面相互交织,高效、准确地建立复杂地质和工程结构条件下边坡工程三维几何界面模型,可为边坡地表和地下构筑物等复杂几何体的空间几何信息和拓扑关系的建立提供基础数据。边坡自然地表界面的裁减NURBS曲面结构的基础数据,可依据地表数据点集合和建模范围边界线,通过应用反算法求解数据点集所确定曲面的权向量w和控制点集,得到描述地表界面的拟合NURBS曲面函数。边坡工程的人工构筑物主要包括地面开挖结构和地下基础处理结构。边坡开挖面是地面开挖结构的主要表现形式,边坡开挖面几何形态可依据边坡的开挖和支护设计资料所提供的开挖结构线和控制点获得,可以用边坡开挖控制线为边界的NURBS曲面集合来描述。边坡工程的地下基础处理结构一般是由若干地下洞室组成的集合,可根据地下洞室设计图获得每一个地下洞室对象的洞室断面和中心线,利用构造NURBS曲面的路径扫描法空间曲面参数函数来描述。对于图3所示的洞室,其裁减NURBS曲面的确定步骤为:首先确定洞室的空间位置,得到洞室断面线s和路径p,由此可定义未裁减前的原始NURBS曲面参数函数;依据设计图,分析与该洞室相交的洞室及片面,得到洞室S1和边坡面片S2,建立其NURBS参数函数定义;最后进行曲面S与曲面S1,S2的求交运算,获得裁减NURBS曲面的裁减边界定义信息。对于岩质边坡工程而言,地质结构面是建立其空间体域集合的拓扑关系以及构造B-Rep三维实体模型的主要界面形式。边坡工程地质结构具有复杂性、多样性和不确定性,由于通过地质钻孔和平硐获得的地质信息非常有限,正确解析边坡工程地质结构的空间形态是保证边坡工程三维地质模型正确性和精度的关键。通过对边坡工程地质结构进行解析,可清楚认识边坡工程区域复杂地质结构的几何形态和空间关系,地质结构解析的主要对象包括地层岩性和地质构造,根据解析得到的地质剖面所提供地质结构界面控制信息和裁减边界信息,可确定地质结构界面的裁减NURBS曲面函数。图4为锦屏一级水电站左岸边坡工程区域的主要地质结构界面的裁减NURBS曲面建模结果。3.2典型边坡实体建模和拓扑关系的建立边坡自然或人工体域界面的正确划分对边坡工程三维地质建模至关重要。考虑保持拓扑信息的完整性和易扩展性,采用由构成边坡整体三维模型的B-Rep体域、划分B-Rep体域的界面、构成界面边界的环、组成环的边、边的起点和终点等逐级分析空间拓扑关系的研究思路,借鉴陈云浩和郭达志关于矿山领域3DGIS空间拓扑关系的研究,提出适合描述边坡工程领域B-Rep实体元素拓扑关系的6组关系:点–曲线关系(Vertex-Curve)、曲线–点–环关系(Curve-Vertex-Loop)、环–曲线–曲面关系(Loop-Curve-Surface)、曲面–环–体关系(SurfaceLoop-Solid)、实体–曲面关系(Solid-Surface)、复杂对象–实体关系(Object-Solid)。采用“界面引入–体划分”的方法实现以上6组三维拓扑关系的动态建立与维护,即:认为任何内部构造复杂的建模区域,都可以从没有任何内部构造的简单体域开始逐级引入界面,逐级体域划分,界面引入的次序遵循“先自然后人工,兼顾由大到小、由新到老”原则。图5(a)所示典型边坡简化模型的实体划分和拓扑关系建立步骤为:(1)根据研究区域的空间范围,确定包围研究区域的最小长方体ABCDEFGH,将空间分为研究区内和研究区外2个部分;(2)先引入地质类界面,依据由大到小的原则,引入区域性的大界面,如地形表面、地下水位面、卸荷及风化界面等,然后引入局部性的小界面,图6(a)为引入图5(a)中地形面abcd后的体域划分结果;(3)按照由新到老的原则,引入最晚生成的界面(见图6(b)的断层面),然后引入较早生成的界面(见图6(c));(4)最后引入人工界面,如地面开挖面、地下洞室界面等,图6(d)为引入洞室界面OO′后的体域划分结果。确定研究对象的拓扑关系后就可用B-Rep实体数据结构来存储划分结果,图5(b)为引入所有地质和人工界面后的边坡B-Rep实体划分结果,边坡区域山体被各类界面分割为V1,V2,V3,V4,V5共5个B-Rep实体。以上由简单到复杂的拓扑关系建立方法将大大降低算法实现的复杂程度,并且拓扑关系的调整仅影响到局部范围。新界面引入后将相交实体一分为二,可用二叉树数据结构来记录界面引入和体划分的过程,便于算法的程序实现,如图7所示。应用以上方法对锦屏一级水电站左岸边坡工程自然及人工界面依次引入进行三维实体划分,可得图8所示的三维实体模型。3.3数据库存储结构边坡工程三维地质模型的几何数据和三维实体拓扑信息由裁减NURBS结构和B-Rep结构描述,为了满足三维地质虚拟现实可视化的动态场景生成需要,须将三维数据结构表达的几何模型和拓扑关系转化为数据库存储形式,以便于提高三维地质可视化查询结果虚拟现实显示所需几何模型数据的读取和检索效率。为了便于虚拟现实可视化系统的集成开发,应用MySQL网络数据库存储边坡工程三维模型的几何和拓扑信息。考虑到B-Rep实体几何数据和拓扑关系的数据库存储,可将构成B-Rep和NURBS的所有三维数据结构所包含的元素以数据库的表字段形式相对应,进行相关数据表的结构设计,各数据表的结构及关系见图9。边坡工程三维可视化需表现工程地质条件、施工形象等信息,为了显示不同时期的工程进展形象,可将边坡工程三维实体模型的开挖体(地面边坡明挖及地下基础处理洞挖)按实际开挖步骤进行进一步细分,在数据库中为各开挖体赋予不同的时间特征,表1给出了包含边坡工程地质、施工信息的三维模型块体信息的数据表dbt_SlopeMass的结构设计。4三维地质现实主义的可视化4.1明确了三维存在的专网规划设计标准和界面条件在多媒体网络传播中的地位,并促进了虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。虚拟现实是3种基本技术的概括:三维计算机图形学技术;采用多种功能传感器的交互式接口技术;高清晰度显示技术。虚拟现实首先是一种可视化界面技术,可以有效地建立虚拟环境,这主要集中在2个方面:一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型;二是环境的可视化及渲染。虚拟现实建模语言(VRML)是网络三维技术的最早国际标准,是一种用于描述三维造型与交互环境的简单文本语言,具有与平台无关、基于Web、快速建模等优点。可扩展三维标准X3D是VRML的升级,目前已成为开放式的网络三维技术规范。X3D提供了对原有VRML内容和浏览器的支持,并增加了一些非VRML标准的特性(如NURBS曲面等),X3D以原型(Proto)、节点(Node)和路由(Route)的形式描述基于时间的行为、三维交互、多媒体信息的抽象功能,实现在多媒体中整合基于网络传播的交互式三维内容,可用于科学计算可视化、航空航天模拟、虚拟战场等领域。X3D场景文件是一种解释执行、实时建模着色的文本程序,它通过应用由各种Proto定义所规范的代码构成场景图来描述三维场景,支持VRML2.0和XML两种编码方式,XML编码方式的X3D文件的组成结构如图10所示。鉴于X3D灵活的场景交互和对NURBS几何造型良好的支持,可应用X3D进行边坡工程三维地质模型实时动态可视化显示和三维可视化查询。4.2运行中的构成一个封闭曲线X3D规范中包含多种几何造型形式,包括基本几何体(Box,Cone,Cylinder,Sphere)、格网(ElevationGrid)、面片(IndexedFaceSet)等三维造型。X3D的可扩展性是通过自定义原型实现的,通过定义NURBS曲线和曲面的原型可以实现X3D对NURBS的支持。X3D规范的完整集合包含了NURBS原型的定义,包括的主要子节点有:(1)Contour2D节点,是用来集合一组曲线的节点,以构成一个封闭曲线;(2)NurbsCurve2D/NurbsCurve节点,实现NURBS二维/三维曲线在X3D场景中显示,此节点包含一个子节点用来定义控制点;(3)NurbsPatchSurface节点,实现三维NURBS块形曲面在X3D场景中的表达,其包含2个子节点,分别用来定义控制点和纹理坐标;(4)NurbsSweptSurface/NurbsSwungSurface节点,通过包含一个断面曲线和一个路径曲线子节点共同形成一个扫掠曲面;(5)NurbsTrimmedSurface节点,是NurbsPatchSurface节点所表示曲面经过Contour2D节点中的2D曲线裁切所得的曲面,该节点中需包含一个表示控制点的子节点和一个表示纹理坐标的子节点。裁减曲面的裁减线可以是多条,因此该节点中可以包含多个Contour2D作为子节点,并且可以在场景中增加或删除;(6)NurbsSet节点,属群节点,用来将NURBS曲线或曲面集合成一组,以便于X3D浏览器管理和显示这些几何形状,同时可以保证所包含曲面相交处不产生裂缝。以上节点给出了常用NURBS结构的X3D表达,对于一个5×5格控制参数的裁减NURBS曲面,可用以下X3D代码段进行定义:由以上可知,通过将构成边坡工程三维模型的B-Rep实体集合的裁减NURBS曲面几何信息转换为X3D的NURBS原型所定义曲线和曲面节点形式,便可完成边坡工程三维模型的X3D场景表达。(2)基于纹理的地质建模边坡工程三维地质可视化中地质结构体的颜色表示非常重要,在地质构造非常复杂的情况下,它可明显表现出不同岩层之间以及岩层和地质构造之间的关系。不同岩层由于其成岩条件和岩性的不同,表现出的纹理各不相同,为了更真实地反映边坡工程的实际地质情况,可采用纹理映射来表现各种地质结构。纹理贴图可模拟细微凹凸不平的物体表面,而不必进行表面细微变化的三维建模。通常使用特殊的算法(如J.F.Blinn提出的表面扰动法)显示三维几何对象的纹理,而在应用X3D进行三维地质虚拟现实可视化时,用户无需进行复杂的算法设计,只需为场景几何对象定义Appearance节点属性,将岩层纹理赋予ImageTexture属性的URL,便可逼真地显示边坡工程三维模型中的地质结构形象,以增加边坡工程三维场景中不同岩层及地质结构体可视化显示的真实感。依据实际的工程地质描述,对锦屏一级水电站左岸边坡工程地层结构进行纹理描绘,表2列出了锦屏一级水电站左岸边坡工程三维模型中所涉及的各类地质岩层的纹理图例,而对于岩脉、断层等可采用标准颜色进行表达。(3)基于api接口函数的虚拟场景构建方法虽然X3D能够通过包含关系以场景图的形式把所有对象组织在一起,利用具有层次性的文件格式创建任意大小的三维场景。但是当场景非常复杂时,构成场景的几何对象的数量非常庞大,而且涉及各几何对象的相对坐标位置的复杂关系,所以单纯用人工方式来编写X3D场景代码显然是不合适的,即使利用X3D的场景编辑器(如X3DEditor,VRMLPad,HomeSpaceBuilder,VRCreator等)也难以应对复杂的虚拟现实场景构建。边坡工程是一个复杂、动态的系统,其三维模型随着工程建设进展而不断变化(如地面、地下开挖等),需要动态建立边坡工程的三维可视化场景,以表现工程不同时期的形象面貌,便于合理、直观地进行边坡三维地质可视化分析。X3D丰富的API接口函数使虚拟现实场景的动态生成和维护变为可能。边坡工程三维地质模型通过数据库存储,X3D场景的动态构建可在高级编程语言、数据库及X3D浏览器之间相互通信过程中进行。SAI是用来操作X3D场景的API函数的集合,X3D允许用户通过高级程式语言调用SAI接口函数操纵场景中的对象。可以在X3D文件中的Script节点内使用SAI函数,在X3D浏览器支持的条件下,也可以在其他应用程序中使用SAI来操作X3D浏览器中的场景。SAI以API函数的形式主要提供的功能包括:新增或删除虚拟现实场景节点;产生和接收事件;建立和删除路由关系;更改或读取节点属性值;操作或控制X3D浏览器,包括与视图设置、UI模式切换等。在完成边坡工程三维模型的数据库存储后,X3D场景的动态构建过程实际上转化为三维模型信息的数据库提取和X3D场景图的生成过程,这需要通过高级编程语言、数据库及X3D浏览器之间相互通信来完成。这里应用X3D浏览器COM组件技术和ODBC.Net数据库驱动,在VisualBasic.Net编程环境下通过调用X3D相关API函数实现边坡工程虚拟现实动态场景的构建和交互。边坡工程虚拟现实动态场景生成的技术路线如图11所示。(4)xd场景与其他特定应用的接口边坡工程虚拟现实场景的三维交互操作包括:三维地层、地质构造、基础处理洞室等信息的交互式查询,以及其他环境影响量信息的三维交互查询。这些三维交互操作可通过虚拟现实场景与高级编程语言之间建立通信机制来实现。X3D场景本身提供对用户需求处理的简单交互,包括事件和路由。但是在X3D场景与其他特定应用之间就必须要有相应的接口来实现与用户之间的交互,X3D的Script节点为这种接口的建立提供了可能。可以使用Script节点辅以JavaScript脚本代码实现X3D场景与外部编程环境的复杂交互。X3D的Script节点的主要作用有:可感应环境的变化及用户的操作;从其他节点接收事件并进行一些处理;内部的程序块可完成一些计算工作;通过发送事件使外界产生相应的变化。X3D场景的基本交互功能(如视点的切换、视图旋转、平移、缩放等)已由X3D浏览器提供,场景物体的捕捉以及场景锚节点(Anchor)的触发。对于实现边坡工程虚拟现实场景中的三维信息查询等交互功能所涉及到的物体捕捉操作,要使用Script节点和Route节点联合完成。4.3不同场景的明挖形象的模拟建立根据以上三维地质建模理论和虚拟现实可视化技术路线,应用BSContactX3D浏览器的ActiveX组件,在VisualBasic.Net编程环境下开发了边坡工程三维地质虚拟现实可视化程序。以锦屏一级水电站左岸边坡工程为例,分别从边坡开挖形象的三维地质可视化模拟、地质条件的三维可视化查询、安全监测断面地质剖切分析、安全监测系统可视化查询和监测资料综合分析等方面介绍边坡三维地质虚拟现实可视化的应用。在边坡三维块体信息数据表dbt_SlopeMass中,Time字段用于存储边坡三维模型各块体的时间特征,以实现工程形象的动态描述。当块体工程属性CutFillType字段值为0(非开挖回填体)时,Time字段值可为空,该块体始终存在于X3D场景中;当CutFillType字段值为1或2(开挖体)时,Time字段值为该开挖体在X3D场景中消失时间,该时间可根据工程开挖进度计划或实际开挖进度资料获取;当CutFillType字段值为3(回填体)时,Time字段值为该回填体在X3D场景中出现时间,回填体包括土石方回填和混凝土回填,Time字段值可根据相应工程的施工进度计划或实际施工进度资料获取。假设CurTime代表X3D场景时间变量;MassExist代表当前块体在X3D场景中的存在状态,取1代表存在,0代表不存在。则动态生成CurTime时刻的边坡工程形象面貌的流程为:(1)读取X3D场景时间变量CurTime值。(2)利用VisualBasic.Net的ODBC.Net连接MySQL数据库服务器。(3)读取dbt_SlopeMass和dbt_B-Rep数据表中三维模型块体的工程属性信息和几何数据。(4)判断块体MassType字段值,如果块体属基岩且在场景中不存在,即MassExist=0,则建立块体的X3D对象;如果MassExist=1,则跳到流程(3)继续处理下一个块体。(5)判断块体Time字段值,当块体为开挖体时,如果Time<CurTime且MassExist=1,则在X3D场景中删除该块体对应的对象;如果Time≥CurTime且MassExist=0,则在X3D场景中建立该块体对象;否则跳到流程(3)继续处理下一个块体。当块体为回填体时,如果Time>CurTime且MassExist=1,则在X3D场景中删除该块体对应的对象;如果Time≤CurTime且MassExist=0,则在X3D场景中建立该块体对象;否则跳到流程(3)处理下一个块体。根据锦屏一级水电站左岸边坡工程实际明挖进度,通过对边坡三维地质模型开挖体部分的B-Rep实体结构按高程面进一步划分,获得新的B-Rep几何体并赋予相应的时间属性特征。通过改变虚拟现实场景的时间变量CurTime,可获得不同时段边坡工程明挖形象面貌的虚拟现实可视化结果。图12为锦屏一级水电站左岸高边坡1885,1730m两个典型开挖高程的虚拟现实可视化结果。边坡明挖施工过程的三维地质可视化动态显示的实现,可作为边坡工程施工地质超前预报的决策依据。同理,可通过指定数据表dbt_SlopeMass的SQL查询语句,得到符合可视化查询条件的三维几何块体集合,应用虚拟现实动态场景的构建方法进行可视化查询结果的三维可视化显示,实现基于可视化查询参数的边坡工程三维地质可视化交互式查询。锦屏一级水电站左岸边坡工程建模区域的主要地