面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模.pdf

引 用 格 式:L IS u o,YANP e i,P E NGY o n g m i n g,e t a l DV i s u a lM o d e l i n go fC o m p l i c a t e dS t r a t u mf o rT r a c kE n g i n e e r i n g I n v e s t i g a t i o nJJ o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s,():李锁,闫霈,彭永明,等面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模J甘肃科学学报,():d o i:/j c n k i i s s n 面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模李锁,闫霈,彭永明,李逸(天津市地质工程勘测设计院有限公司,天津 )摘要由于地质数据过于庞大复杂,传统轨道工程地层三维建模方法无法剔除三维地层无关曲面,建模过程出现过多无关数据,导致地层可视化过程耗时长、效果较差.为此,提出面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模.利用地质数据构建三维空间内的地层模型曲面,检查不同地层曲面间是否相交,依据集合运算性质剔除无关界面.绘制三维空间内地层模型剖面图,得到地层地质信息,采用交互式数据语言函数调用模型数据,实现地层三维模型的可视化.实验结果表明:所提的面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模方法应用流畅度高、建模所需时间短,地层可视化建模的实用性得到了提高.关键词轨道工程勘察;复杂地层;可视化;三维模型;地质数据中图分类号:T P 文献标志码:A文章编号:()目前轨道工程勘察中所需的地层可视化模型主要由计算机相关技术完成,将地层空间的分布情况展示在技术人员面前.早在 世纪后期,西方发达国家已经建立了一些关于轨道工程的实景仿真系统,直到今天形成了更具体的三维可视化体系.在这些体系中,不同国家有不同的特点,且均建模功能强大,向用户深度开放.相对于国外,国内在轨道工程三维可视化方面的研究与发展起步比较晚,轨道工程建设基本以二维图形或是局部的三维建模为主 .近年来在新技术的支撑下,国内在轨道工程勘察方面取得了较好的成果,在一些理论研究的基础上引入三维建模技术,得到了很多关于轨道工程的研究成果,相关地层的三维仿真效果也得到了进一步提高,例如文献 中提出的M a p G I SK 平台的三维地质可视化模型构建方法和文献 中提出的复杂地质体三维实体建模方法.但是随着地理信息技术的不断发展与成熟,传统的建模技术已经不能满足现阶段轨道工程勘察的需求,对于复杂地层,模型建立所需时间比较长,模型在应用过程中容易出现卡顿、流畅度低的情况,其实际应用能力还需要进一步提高.因此,提出面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模,在原有研究资料和文献的支撑下,设计新的建模方法以解决上述传统方法存在的问题.复杂地层三维可视化建模三维地层模型曲面的三角网优化轨道工程勘察中主要的地质数据包括断层数据和地形表面数据等,这些数据多数以A u t o C A D图的格式存储,其中包含的图形元素如表所列.表地质数据文件的部分图形元素T a b l eS o m eg r a p h i c a l e l e m e n t so f t h eg e o l o g i c a l d a t a f i l e元素定义元素定义直线L I N E尺寸标注D I ME S I ON点P O I N T插入图形I N S E R T圆C I R C L E视区V I EWP O R T圆弧A R C属性定义A T T D E F粗实体T R A C E属性值A T T R I B文字T E X T顶点V E R T E X形体S HA P E折线终止S E Q E N D折线P L I N E三维面 D F A C E第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报J o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e sV o l N o A u g 收稿日期:;修回日期:作者简介:李锁(),男,天津人,高级工程师,研究方向为地质信息化、三维地质建模等.E m a i:k e f a n p a s c o m在表信息的基础上,通过编程提取出模型数据.在实际建模过程中,直接获取的数据不能直接用来建模,需要经过处理才能达到三维建模所需要的数据量,在处理过程中,采用人为添加数据弥补等高线的缺失.三维模型的曲面主要由点生成函数曲面,或根据点、线、面之间的拓扑关系围成面,考虑三维模型可视化的需求,利用轨道工程勘察到的稀疏数据来构建地层曲面.根据三角网生成过程,利用地质数据生成一个包含所有数据点的多边形,生成初始三角网,并记录每个点的坐标,即(x,y).对于每个即将插入点,根据新插入点的坐标,判断其所处的位置,如果该点与已经存在的点非常接近,则舍弃该点;如果在某一条边上,则与相对的顶点连接;如果位于某一个三角形中,连接个顶点,重复优化过程优化三角网,删除初始多边形的顶点以及边.三角网优化过程如图所示.图三角网优化过程F i g T r i a n g u l a t i o no p t i m i z a t i o np r o c e s s通过上述过程得到模型的曲面,为精确地描述复杂地层的地质结构,需要对曲面进行切割.地质信息获取模型构建为降低地质信息获取的复杂度,将地质信息集合设定为曲面信息集,并检查曲面是否相交,以此判断地质信息是否重复采集,避免许多不必要的复杂求交计算 .假设曲面A与曲面B的最大、最小值为(xAm i n,xAm a x,yAm i n,yAm a x,zAm i n,zAm a x),(xB m i n,xB m a x,yB m i n,yB m a x,zB m i n,zB m a x).()曲面A与曲面B不相交的约束条件为xAm i nxB m a x,xAm a xxB m i n,yAm i nyB m a x,yAm a xyB m i n,zAm i nzB m a x,zAm a xzB m i n.()通过曲面A与曲面B三维坐标的最大值和最小值判断曲面A与曲面B是否相交.当曲面A和曲面B满足公式()时,曲面A与曲面B为不相交.如果不满足以上条件,则计算两个曲面之间的交线.将相交表面分别用一块块小平面去逼近,用这些平面之间的交线近似表示两个曲面之间的交线,平面逼近采用均匀网格逼近,沿着曲面的两参数方向均匀取点,采样点在曲面上组成均匀矩形网格,用相邻网格点组成的四边形逼近整个曲面.曲面A和曲面B的交线将它们的表面分割成两部分,其中一部分在拼合体表面上形成新的边界,另一部分位于拼合体内或体外.因此,将曲面A上的表面根据对B的关系分为个子集,分别是Ai nB、Ao u tB、A Bs h a r e d,其中Ai nB和Ao u tB分别表示体内和体外的关系,A Bs h a r e d表示两个曲面的重合部分中表面法向一致的部分.同理可知曲面B对曲面A的分类.根据集合运算性质,则有ABAo u tBBo u tAA Bs h a r e d,ABAo u tBA Bs h a r e d,ABAi nBBi nAA Bs h a r e d.()依据式()运算,将与结果无关的边界剔除掉,最后根据新的数据结构获得所期望的三维模型.在得到三维模型数据后,将剖面图绘制出来便于可视化.地层剖面图在三维空间中的定位参数包括起始坐标(x,y),终点坐标(x,y),剖面底部和顶部高程z和z,根据以上公式计算剖面的倾角、夹角、长度和宽度,即a r c t g(zz)R,L(xx)(yy),B(xx)R.(),xx,yya r c t gyyxx,xxa r c t gyyxx,xx()其中:R表示偏移量;表示剖面倾角;L表示剖面长度;B表示剖面宽度;表示剖面与x轴的夹角.通过以上计算就可以得到三维空间中任意地层的地质信息.复杂地层并行可视化采用交互式数据语言实现复杂地层三维模型的可视化,数据划分可视化流程如图所示.第 卷李锁等:面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模图数据划分可视化流程F i g D a t ap a r t i t i o nv i s u a l i z a t i o np r o c e s s对于需要可视化的部分,通过链接库,调用交互式数据语言函数,调用数据库接口,用户通过该接口直接对底层数据进行操作.调用交互式数据语言函数的具体步骤为:()编写交互式输入脚本c l o s ea l l;c l e a ra l l;c l cp r o m p t P l e a s e i n p u t a n;a i n p u t(p r o m p t)p r o m p t P l e a s e i n p u tb n;b i n p u t(p r o m p t)p r o m p t P l e a s e i n p u t c n;c i n p u t(p r o m p t)s o l v e_e q u a t i o n(a,b,c)()保存和运行上述交互式输入脚本,在命令行窗口(c o mm a n dw i n d o w)输入P l e a s e i n p u t a,b,cT h e r ea r ed a t a l a n g u a g e f u n c t i o n!至此,面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模方法设计完成.实验研究与结果分析实验选区及数据来源在面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模方法实验研究中以对比实验为主,实验数据来源自某地质工程图,主要包括地层各层的等高线图、勘查线剖面图.实验选择的区域大,地层数据采集工作量比较大,考虑时间成本等问题,根据等高线图上的地质形态,选择垂直坐标范围 m,水平坐标范围 m间比较有代表性的区域进行了建模.为保证实验的严谨性,统一处理地质相关数据.实验前,由专业的地质相关工作人员收集整体勘察数据,根据专业经验对这些数据资料进行地质解译,获得轨道工程所需要的解译结构;另外按照建立复杂地层三维模型的需要,对以上解译数据进行分类整理.在 完 成 以 上 处 理 后,配 置 实 验 环 境,利 用m a t l a b平台构建地层三维模型.配置MP I并行环境在局域网内,使用台计算机作为可选择的计算节点,将MP I CH 开发包安装在 计算机上,将MP I CH 路径b i n加入到P ATH路径下.在添加路径后,注册MP I CH,采用窗口注册的方式.在完成注册后,输入本地计算机的用户名和密码完成确认.打开MP I CH进程管理服务程序,添加实验项目,根据种不同的建模方法分别执行项目任务,计算不同建模方法所需的单机计算时间、并行计算时间和计算节点数,在模型建立后,通过控制渲染数量来测试模型的流畅程度.效率对比测试实验中使用的对比建模方法分别为文献 中提出的M a p G I SK 平台的三维地质可视化模型构建方法、文献 中复杂地质体三维实体建模方法.在前述实验环境进行多次计算,取各个实验指标的平均值作为实验结果,具体如表所列.表不同建模方法的效率对比测试T a b l eE f f i c i e n c yc o m p a r i s o nt e s t so fd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s建模方法单机计算时间/m s并行计算时间/m s计算节点数/个文献 中方法 文献 中方法 所提方法 对比表中的数据可知,两种建模方法在建模过程中使用的节点数与提出的建模方法使用的节点数相同,但是在单机计算时间和并行计算时间上,传统的建模方法所需要的时间更多,新提出的建模方法所需的时间比较少.综上所述,设计的面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模方法建模效率更高.流畅度对比测试模型流畅度实验是在模型建立完成后,使用第三方工具控制地层数据渲染数量,以测试模型在实甘 肃 科 学 学 报 年第期际操作过程中的流畅度.模型周期是衡量模型运行更新速度的指标,较长的模型周期会导致流畅度变差.在模型流畅度实验中,模型周期值越大,说明该模型的流畅度越低.实验结果通过第三方软件输出,结果如图所示.图不同建模方法的模型流畅度实验结果F i g E x p e r i m e n t a l r e s u l t so fm o d e l f l u e n c yo fd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s从图中可以看出,文献 中方法的实验结果中,进程数量在 之间整体增长趋势明显;文献 中方法实验结果显示随着渲染数量的增加,进程数量的变化在 之间,整体也呈现增长趋势;同样是增长趋势,图(a)比图(b)增长得更加明显;新提出的建模方法实验结果显示,随着渲染数量的增加,进程数量没有明显的增长趋势,稳定在 以下.因此可知,设计的复杂地层三维可视化建模方法效率高、运行稳定,实用性更强,该方法优于传统的建模方法.冗余地层数据点去除效果为进一步验证所提复杂地层三维可视化建模方法的有效性,将文献 和文献 中的方法设定为对照组,所提方法为实验组,设计对比实验,验证不同方法的地层冗余数据的去除效果.实验迭代次数为,每 次实验记录一次实验结果.地层数据总数据设置为 万,与节实验相同,其中,冗余地层数据为万.具体实验结果如图所示.图不同方法的冗余数据去除效果测试F i g E f f e c t t e s t o f r e d u n d a n td a t ar e m o v a l b yd i f f e r e n tm e t h o d s根据图可知,文献 中的方法在 次迭代实验过程中,其冗余数据的最高去除量约为万,且给出的实验结果显示该方法的稳定性较差,冗余数据的去除量波动较大.文献 中的方法产生的弊端与文献 相同,其平均冗余数据去除量低于文献 中方法,应用效果不理想.相比之下,所提方法在整个实验过程中,始终保持稳定性能,其冗余数据去除量与实际数据量相近,说明所提方法能够去除 以上的冗余数据,之所以无法达到 冗余数据去除率,是因地层数据元素多样化造成的.目前的研究方法还无法适用于所有的数据元素,但是,利用所提方法处理地层数据后,可有效解决数据冗余问题,剩余的少量冗余数据对地层可视化结果不会造成影响.第 卷李锁等:面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模结语地质数据不仅种类复杂,且规模较大,因此传统轨道工程地层三维建模方法对地层无用,重叠曲面无法实现及时识别和剔除,地层可视化过程耗时长.为此,研究提出面向轨道工程勘察的复杂地层三维可视化建模.()为了改善传统方法存在的应用问题,提出利用地质数据构建三维空间内的地层模型曲面的方法,判断不同地层曲面间是否相交,对无关界面实现有效剔除.()结合地层地质信息,采用交互式数据语言函数调用模型数据,实现地层三维模型的可视化.()实验结果验证了所提方法耗时较短,地层可视化建模的实用性得到了提高.()由于客观条件的限制和时间的问题,研究还存在一些不足之处,如轨道工程中涉及的场景比较多,对于细节处如供电电线等,模型不够完善,在后续研究中将从这一方面开展深入研究.参考文献:刘芳晓基于卫星影像的真实地表可视化三维建模与应用分析J煤炭技术,():郝明,牛瑞卿,张建龙,等高原盆地三维地质建模及可视化系统:以羌塘盆地及半岛湖区块为例J桂林理工大学学报,():王立梅三维可视化建模技术在矿山设计中的应用J煤矿安全,():王志宁,崔博,任炳昱,等基于增强现实的堆石坝工程三维可视化场景构建研究J水力发电,():崔兆东,冷彪,朱泳标,等基于地质横剖面的隧道工程三维地质建模方法研究J隧道建设(中英文),():林钟扬,金翔龙,朱朝晖,等 M a p G I SK 平台在三维地质可视化模型构建中的应用J中国科技论文,():,何紫兰,朱鹏飞,白芸,等复杂地质体三维实体建模方法J地质与勘探,():李璐,刘新根,吴蔚博基于钻孔数据的三维地层建模关键技术J岩土力学,():王长鹏,梁勇,孙黎明,等一种混合几何曲率和克里金插值的平滑地质曲面构建方法J测绘地理信息,():陈金龙,饶运章,郑越,等基于R h i n o的大型复杂地质体计算模型建模方法J矿业研究与开发,():何静,何晗晗,郑桂森,等北京五环城区浅部沉积层的三维地质结构建模J中国地质,():王茹,权超超公路立交B I M参数化快速精确建模方法研究J图学学报,():李擎,刘岭,彭其渊,等基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化建模研究J铁道运输与经济,():张庆嵬,姚磊华基于I D L的三维地质动态建模J煤田地质与勘探,():DV i s u a lM o d e l i n go fC o m p l i c a t e dS t r a t u mf o rT r a c kE n g i n e e r i n gI n v e s t i g a t i o nL IS u o,YANP e i,P E NGY o n g m i n g,L IY i(T i a n j i nG e o E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fI n v e s t i g a t i o n&S u r v e y i n gD e s i g nC o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t B e c a u s e t h eg e o l o g i c a l d a t a i s t o o l a r g e a n dc o m p l e x,t h e t r a d i t i o n a l Dm o d e l i n gm e t h o do f t r a c ke n g i n e e r i n gs t r a t u mc a nn o t e l i m i n a t e t h e Ds t r a t u mi r r e l e v a n t s u r f a c e,a n dt h e r ea r e t o om a n y i r r e l e v a n td a t a i nt h em o d e l i n gp r o c e s s,w h i c hl e a d st ot h et i m e c o n s u m i n ga n dp o o re f f e c to fs t r a t u mv i s u a l i z a t i o np r o c e s s T h e r e f o r e,t h e Dv i s u a l i z a t i o nm o d e l i n go f c o m p l e xs t r a t u mf o r t r a c ke n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o ni sp r o p o s e d B a s e do nt h eg e o l o g i c a ld a t a,t h es t r a t u m m o d e ls u r f a c ei n Ds p a c ei sc o n s t r u c t e dt oc h e c kw h e t h e r t h ed i f f e r e n t s t r a t u ms u r f a c e s i n t e r s e c t A c c o r d i n gt o t h en a t u r eo f s e to p e r a t i o n,t h e i r r e l e v a n t i n t e r f a c e i sr e m o v e d T h eg e o l o g i c a l i n f o r m a t i o no fs t r a t ac a nb eo b t a i n e db yd r a w i n gt h ep r o f i l eo fs t r a t am o d e l i n Ds p a c e T h e i n t e r a c t i v ed a t a l a n g u a g e f u n c t i o n i su s e d t o c a l l t h em o d e l d a t a t o r e a l i z e t h ev i s u a l i z a t i o no fs t r a t a D m o d e l T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d Dv i s u a l i z a t i o n m o d e l i n gm e t h o do f c o m p l e xs t r a t u mf o r t r a c ke n g i n e e r i n g i n v e s t i g a t i o nh a sh i g ha p p l i c a t i o n f l u e n c ya n ds h o r tm o d e l i n gt i m e,a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo f s t r a t u mv i s u a l i z a t i o nm o d e l i n gh a sb e e n i m p r o v e d K e yw o r d s T r a c ke n g i n e e r i n gs u r v e y;C o m p l e xf o r m a t i o n;V i s u a l i z a t i o n;Dm o d e l;G e o l o g i c a l d a t a(本文责编:葛文)甘 肃 科 学 学 报 年第期