专利名称：一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法
技术领域：
本发明涉及隧道及围岩体模型三维可视化领域，更具体涉及一种交互式隧道及围 岩体三维模型快速构建方法，适用于隧道仿真或隧道数字化设计领域中隧道及围岩精确模 型的快速重构。
背景技术：
一般工程建设投资大、周期长、风险高，尤其涉及到隧道，因其本身依存的地质环 境的复杂性与预测的高误差性，而且在使用期内具有永久性特征，一旦建成就不可修改。在 设计阶段准确掌握隧道所在的三维地层信息可以提出更优化的隧道设计方案，降低工程难 度，节约工程成本。因此对隧道本身以及所依存的围岩进行虚拟仿真就显得尤为重要。仿 真与数字化设计作为智能交通系统(ITS)的一项重要内容，随着我国经济的持续健康发展 以及ITS各相关技术的不断进步，目前已成为国内外各相关研究机构争相研究的热点领域 之一。精确建模作为隧道仿真与数字化设计的前提，是目前急待解决的关键技术问题，也是 当前研究的热点。目前，隧道仿真与数字化设计中涉及到的隧道及其围岩体等模型一般采用人工建 模的方式，建模周期长、模型精度难以保证。在隧道设计方案发生变化时，涉及到的隧道及 围岩模型要重新构建，人工建模方式不能满足隧道仿真与数字化设计的实时性要求。在围 岩建模上一般只使用地质钻孔数据，对地层剖面信息不能有效利用，难以准确描述围岩结 构，不能满足隧道仿真与数字化设计的精度要求。目前隧道仿真与数字化设计领域存在建 模工作周期长、精度低、人工编辑量大、隧道穿越围岩的高效交互等技术问题。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法，该 方法极大地提高了隧道仿真与数字化设计的建模效率与精度，有效减少了建模的人工编辑 量，实现了隧道穿越围岩及任意垂直剖面的实时切割显示，同时对隧道设计方案的变更可 实现了模型快速重构。本发明采用如下技术措施隧道线位信息建库、地质勘探数据建库、三维地层剖面约束信息建库、三维地层边 界约束信息建库、真三维隧道模型构建、真三维围岩模型构建、基于围岩模型体元的隧道开 挖与剖面实时切割显示七个部分实现，一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法， 步骤如下A、隧道线位信息建库整理得到隧道设计方案中的线位数据，得到线位中桩点桩号以及三维地理空间X、 Y、Z坐标。对行人横洞与行车横洞得到横洞首尾两端与各线位的交点桩号，最后记录隧道 线位类型及行人横洞、行车横洞信息并将上述线位信息存入隧道线位信息数据表，方便方 案管理、变更及调用；
B、地质勘探数据建库地质勘探数据包括钻孔数据及经专家解译得到若干剖面数据。对于钻孔数据在数 据库中建立钻孔数据表及地层数据表。钻孔数据表存储钻孔编号、三维地理空间X、Y坐标 以及孔口标高。地层数据表存储该地层所属的钻孔编号、地层编号、层底标高等信息，将所 有真实钻孔数据入库；C、三维地层剖面约束信息建库对于剖面数据采取在剖面数据基础上采样并生成虚拟钻孔的方式建立虚拟钻孔 数据库，以此生成剖面约束钻孔，数据库表结构同真实钻孔数据库。地质剖面采样及剖面约 束钻孔生成方法如下1)地质剖面定位完成三维地层剖面定位，使图纸平面坐标系中的任意点坐标可 以换算出其三维地理空间坐标系下的坐标；2)钻孔孔口采样在三维地层剖面内采集钻孔孔口的图纸平面坐标，并计算出其 在三维地理空间坐标系下的坐标；3)地层采样在三维地层剖面内采集2)中钻孔孔口对应的地层层底点的图纸平 面坐标，并计算出其在三维地理空间坐标系下的坐标；4)虚拟钻孔生成及入库根据2)及3)生成的钻孔孔口与地层的坐标信息生成地 质剖面约束虚拟钻孔并存入数据库。D、三维地层边界约束信息建库建模边界为首尾相接的一系列点构成的闭合多边形。三维地层边界约束信息是根 据真实钻孔信息、三维地层剖面约束信息在建模边界加密时生成的一类虚拟钻孔，以此作 为约束提高地层边界处模型的精度。边界约束信息建库方法如下1)边界加密读取边界信息并以一定的长度划分边界以加密边界，得到一列加密占.
^ \\\ 2)虚拟钻孔生成根据真实钻孔数据库、三维地层剖面约束信息数据库中的信息 在上述1)生成的边界加密点以及边界点处生成边界虚拟钻孔；3)边界约束信息入库将上述2)中生成的三维地层边界虚拟钻孔存入数据库。E、真三维隧道模型构建真三维隧道模型的构建是基于隧道线位信息以及隧道断面信息完成。其中隧道线 位信息用于构建隧道线位曲线。隧道断面分为内断面与外断面。将图纸平面空间中的断面 变换到与隧道线位曲线垂直的闭合断面后沿隧道线位拉伸得到隧道实体。根据隧道实体的 内外关系及相互贯穿关系进行切割生成隧道模型。真三维隧道模型构建方法如下1)三维地理空间隧道线位曲线构建读取隧道线位数据库中的中桩点并依次根 据其中桩点三维地理空间X、Y、Z坐标构建隧道线位曲线；2)隧道断面实体拾取及断面实体空间变换在隧道断面图纸平面坐标系中拾取 隧道断面并处理为闭合断面，同时拾取图纸平面坐标系中的断面测量基点坐标。根据测量 基点以及隧道线位曲线，得到从图纸平面到三维地理空间中的隧道断面变换矩阵，并进行 断面变换得到垂直于隧道线位的新断面；3)隧道体建模利用1)得到的隧道线位曲线以及2)得到的隧道新断面生成隧道 体并根据隧道体的内外关系及相互贯穿关系进行切割生成隧道模型。
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F、真三维围岩模型构建根据地质勘探的分层情况对约束边界内的真实钻孔、剖面约束虚拟钻孔、边界约 束虚拟钻孔生成标准化钻孔。在标准化钻孔基础上生成生成围岩模型体元。方法如下1)得到所有钻孔并对其进行标准化处理根据地质勘探的分层情况得到标准化 地层。根据标准化地层处理真实钻孔、剖面约束虚拟钻孔、边界约束虚拟钻孔生成标准化钻 孔；2)得到约束边界内的钻孔在上述1)中得到的标准化钻孔基础上，根据建模边界 选择建模范围内的钻孔；3)以同一地层层底点及钻孔孔口点为基础，在三维地理空间坐标系下建立地层分 层面狄洛尼三角网(以下简称Delaunay三角网)与钻孔孔口 Delaunay三角网；4)以钻孔孔口 Delaunay三角网为基础生成三棱柱实体以上述3)中得到的钻孔 孔口 Delaunay三角网为基础在三维地理空间坐标系中生成垂直于三维地理空间XY平面的 三棱柱实体；5)分离出不同地层利用3)得到的地层分层面Delaunay三角网对4)中得到的 三棱柱实体进行分离得到不同地层的隧道围岩模型体元。G、基于围岩模型体元的隧道开挖与剖面实时切割显示遍历真三维围岩模型体元，将其与所有隧道模型进行实体布尔相减得到开挖隧道 后的围岩模型。步骤如下1)遍历上述第(F)步骤得到的隧道围岩模型体元。对每一围岩模型体元，用第(E) 步骤中第3)小步中的隧道实体进行切割(切割中用到的布尔函数由ObjectsARX库提供) 得到隧道穿越后的围岩模型体元；2)基于上述1)中得到的围岩模型体元，同时加入由第(E)步骤得到的真三维隧道 模型，结合实体断面切割函数(切割函数由ObjectsARX库提供)即可切割得到任意垂直剖 面处的围岩以及隧道断面；本发明与现有技术相比，具有以下优点第一，隧道设计方案变更时模型重构速度快隧道设计方案、地质勘探钻孔及地层 信息、建模边界及剖面约束信息都直接以数据库系统进行管理，系统快速检索调用相关数 据进行建模。隧道设计方案变更时仅改变隧道设计方案数据库中的相应信息，模型重构可 瞬间完成，并自动完成隧道贯穿开挖，克服了以往隧道方案变更时重新建模费时、费力的缺 点ο第二，建模精度高隧道断面及线位信息直接采用设计图中的数据。系统自动计算 隧道断面与线位垂直时的三维平移、缩放、旋转参数并沿线位展开断面生成隧道模型，隧道 建模精度高；隧道围岩模型构建利用三棱柱及分层面切割体元方式建模，有效利用地质勘 探钻孔数据，并加入了地质专业人员解译得到的剖面数据，作为围岩建模的强制性约束以 此修正模型体元的位置，大大提高了围岩建模的精度。第三，基于隧道及围岩模型可快速实现隧道穿越开挖及任意剖面切割显示在真 三维隧道及围岩建模基础上可快速实现隧道开挖。开挖后的围岩模型直观、精准的展现了 隧道穿越岩体的情况，同时基于隧道及围岩可实现任意剖面切割显示。第四，模型可直接应用于隧道仿真与数字化设计使用该方法构建的隧道及围岩三维模型满足隧道仿真与数字化设计的实时性、高精度要求，模型可直接应用于相关领域。
图1为一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法框图；图2为一种地层剖面约束采样方法平面示意图；图3为一种隧道断面平面示意图；图4为一种真三维围岩模型构建框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。本实施例以本发明的技术方案为指 导下进行实施，给出了详细的实施方案和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 本实施例总体流程如图1所示，隧道线位信息建库1与地质勘探数据建库2无先后顺序；三 维地层剖面约束信息建库3在隧道线位信息建库1的基础上完成；三维地层边界约束信息 建库4在地质勘探数据建库2与三维地层剖面约束信息建库3的基础上完成；真三维围岩 模型构建6在地质勘探数据建库2、三维地层剖面约束信息建库3、三维地层边界约束信息 建库4基础上完成；真三维隧道模型构建5在隧道线位信息建库1基础上完成；基于围岩模 型体元的隧道开挖与剖面实时切割显示7在真三维隧道模型构建5、真三维围岩模型构建6 基础上完成。模块间数据流走向如图中实线箭头所示，但模块间部分数据流有先后次序，一 种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法，具体步骤如下。第一步，隧道线位信息建库1 整理得到隧道设计方案中的线位数据，得到线位中桩点桩号以及三维地理空间X、 Y、Z坐标。对行人横洞与行车横洞则得到的是横洞首尾两端与各线位的交点桩号。记录隧 道线位类型及行人横洞、行车横洞信息。将上述线位信息存入隧道线位信息数据表。第二步，地质勘探数据建库2 地质勘探数据包括钻孔数据及经专家解译得到若干剖面数据。对于钻孔数据在数 据库中建立钻孔数据表及地层数据表。钻孔数据表存储钻孔编号、X坐标、Y坐标、孔口标 高，地层数据表存储该地层所属的钻孔编号、地层编号、层底标高等信息。将所有真实钻孔 数据入库。第三步，三维地层剖面约束信息建库3 对于剖面数据采取在剖面数据基础上采样并生成虚拟钻孔的方式建立虚拟钻孔 数据库，以此生成三维地层剖面约束钻孔并入库。地质剖面采样及剖面约束钻孔生成方法 如下1)地质剖面定位a)如图2所示，分别在图纸平面内拾取A桩号3_2、B桩号3_3处桩号信息记为 StaU Sta2,同时拾取相应的标示线任意一端端点记为Ptl、Pt2 ；b)读取隧道线位信息数据库中各线位中桩点坐标，并依次根据其三维地理空间 X、Y、Z坐标构建曲线，各线位曲线分别记为Linel，Line2. . . Linen ；c)根据下述方法得到Stal与Sta2所表示点的三维地理空间坐标，点记为 PtReall、PtReal2
i.在b)中所得的线位曲线中找到Stal与Sta2所代表的点所在的线位曲线及其 在此线位曲线中的线段区间； 解析Stal与Sta2的公里数与米数，并根据公里数与米数以及其所处的线段 区间端点的公里数与米数得出Stal与Sta2桩号所代表的点PtReal 1、PtReal2 ；d)将c)中得到的点PtReall、PtReal2的三维地理空间Z坐标赋为零，得到经过 PtReal 1、PtReal2的直线LineReal。则LineReal表示此地质剖面与三维地理空间坐标系 中高度为零的XY平面的交线；e)地质剖面图纸平面内任意点在三维地理空间坐标系中Z坐标的计算方法如下i.在零刻度3-1处拾取图纸平面内剖面定位的零刻度点PtOrient ；ii.量取零刻度点到任意刻度η处在图纸平面内y方向上的距离DistY，根据下述 公式算出比例因子Fscale Fscale = n/DistYiii.根据零刻度点PtOrient与地质剖面内任意点在图纸平面内y方向的距离 delt及全局比例因子Fscale得到待求点在三维地理空间坐标系下的Z值Z = FscaleXdelt2)钻孔孔口采样地质剖面采样位置选择在地层线变化剧烈的地方。在地质剖面图中最上层位置 拾取地质剖面图纸平面中的点PtSampleDrill。利用1)中所述的Ptl、Pt2、PtOrient、 PtReall、PtReal2、LineReal、Fscale计算出图纸平面采样点PtSampleDrill的三维地理空 间坐标PtRealDrill，具体计算方法如下a)由 PtSampleDrill、Ptl、Pt2 的图纸平面 χ 坐标信息得出 PtSampleDrill 与 Ptl 在图纸平面χ方向上的相对位置与距离DeltX，PtSampleDrill与Ptl的真实距离DeltReal 由下述方法计算得到DeltReal = DeltXXFscale ；b)LineReal表示经过PtReall与PtReal2的直线。结合a)中得到的Ptl与 PtSampleDrill的相对位置，计算出直线LineReal上从点PtReall开始距离为DeltReal处 的点的三维地理空间坐标，此坐标即PtRealDrill的平面坐标；c) PtSampleDrill与PtOrient在图纸平面χ方向上的坐标差记为DeltY，钻孔孔 口高程即PtRealDrill的Z坐标。计算方法如下Z = DeltYXFscale3)地层采样在地质剖面图中与钻孔孔口采样点对应的地层即为此钻孔的地层，采样的地层只 记录其层底标高，采样及计算过程如下a)在地质剖面图的钻孔采样点处保持钻孔采样点在图纸平面中的χ坐标不变，从 最上层地层开始依次拾取地层层底点，得到地质剖面图上的点PtStratuml、PtStratum2直 到PtStratumn，对于尘灭的地层也要进行采样，且确保采样点图纸平面y坐标与紧邻的上 一地层采样点图纸平面y坐标相同；b) PtStratuml、PtStratum2. . . PtStratumn的图纸平面χ坐标相同，各点图纸平面 y坐标与PtOrient点y坐标的差值乘以Fscale即为此钻孔各地层分界点三维地理空间Z坐
11标(即标高)，地层分界点分别记为 PtStratumlHigh、PtStratum2High. . . PtStratumnHigh, 其计算方法如下PtStratumlHigh = (PtStratuml. y-PtOrient. y) XFscalePtStratum2High = (PtStratum2. y-PtOrient. y) XFscalePtStratumnHigh = (PtStratumn. y-PtOrient. y) XFscale4)虚拟钻孔生成及入库由上述2)及3)生成钻孔与相应的地层信息即构成 孔数据表记录存储如下所示(其中ID为系统自动生成的唯-
钻孔编号X坐标
IDPtRealDrill. χ 对应的地层信息为多条记录。
钻孔编号地层编号
ID1
ID2
IDη
Y坐标
PtRealDrill.y 虚拟地层数据表记录存储如下所示 层底标高 PtStratumlHigh PtStratum2High
-个完整的虚拟钻孔。虚拟钻 标识号) 孔口标高 PtRealDrill. ζ。
ηPtStratumnHigh
以上记录涉及到的坐标信息均为三维地理空间坐标系下的坐标；第四步，三维地 层边界约束信息建库4 建模边界为首尾相接的一系列点构成的闭合多边形。三维地层边界约束信息是根 据真实钻孔信息、三维地层剖面约束信息在建模边界加密时生成的一类虚拟钻孔，以此做 为约束提高地层边界处模型的精度。三维地层边界约束信息建库方法如下1)边界加密设构成边界的点依次为PtRangel、PtRange2. · · PtRangen，前后相邻两点构 成的线段以及最后一点PtRangen与第一点PtRange 1构成的线段依次为LineRange 1、 LineRange2. . . LineRangen。假定力卩密距离为 Dist ；a)遍历所有边界线段得到线段两端点PtTempl、PtTemp2并求得线段长度(记为 LineLength)；b)记intPointNum为加密点个数，计算方法如下intPointNum = [LineLength/Dist](式中[]为取整操作)c)记DistDelt为当前线段的加密长度，计算方法如下DistDelt = LineLength/(intPointNum+1)d)以长度DistDelt平分以PtTempl、PtTemp2为端点的线段；e)重复上述b)到d)的步骤，得到所有线段的平分点。2)虚拟钻孔生成a)遍历上述1)得到的所有平分点，记当前线段平分点为PtCurrent ；b)遍历地质勘探钻孔数据库、三维地层剖面约束信息数据库中的钻孔位置信息。 求得距离PtCurrent最近的钻孔，同时得到其地层信息；c)复制上述b)得到的钻孔及地层信息，同时将钻孔的三维地理空间X坐标改为 PtCurrent. X，Y坐标改为PtCurrent. Y，相应的地层信息保持不变，以此生成加密点处的虚
12拟钻孔及地层信息；d)重复上述 b)到 c)的步骤，得到所有 LineRangel、LineRange2. . . LineRangen 线 段加密点处的边界约束虚拟钻孔及地层信息；e)求得PtRange 1、PtRange2. . . PtRangen各点对应的虚拟钻孔及地层信息。3)边界约束信息入库使用第二步骤中地质勘探数据库中钻孔与地层表结构建立边界约束点 虚拟钻孔数据库，并将上述2)得到的加密点边界约束虚拟钻孔以及PtRangel、 PtRange2. . . PtRangen各点处虚拟钻孔存入数据库。第五步，真三维隧道模型构建5 真三维隧道模型的构建是基于隧道线位信息以及隧道断面信息完成。其中隧道线 位信息用于构建隧道线位曲线。如图3所示(图3为图1中真三维隧道模型构建5的细分 图)，隧道断面分为外断面5-1、内断面5-2、隧道路面断面5-3，其中x、y表示隧道断面所在 的图纸平面坐标系。1)三维地理空间隧道线位曲线构建a)依次读取隧道线位数据库各中桩点坐标。b)根据隧道线位构建主洞或各行人横洞或行车横洞线位曲线。2)隧道断面实体拾取及断面实体空间变换a)根据隧道设计文件断面数据形成完整闭合断面。b)遍历隧道线位及断面，设原始断面分别为SectionOrtl、 Section0rt2. . . SectionOrtn。拾取隧道断面内中桩的测量基点，记为PtSectionOrient。c)计算从隧道线位第一点PtStart到第二点PtEnd构成的矢量VectorChunnel，计算方法如下VectorChunnel = PtEnd-PtStartd)设图纸平面坐标系中隧道断面法向量VectorSection为图纸平面坐 标系中的-ζ方向。计算出VectorSection到VectorChunnel的变换矩阵，同时加 入PtSectionOrient到PtStart的平移量。最终得到所有断面各自的变换矩阵记为 RtransformK Rtransform2. . . Rtransformn0e)利用d)所得到的断面变换矩阵可对隧道断面进行空间变换得到一组新断 面。新断面的测量基点位于线位起始点且断面垂直于线位。新断面记为SectionNewl、 SectionNew2. · · SectionNewn0 空间变换方法如下SectionNewl = SectionOrtlX [Rtransforml]SectionNew2 = Section0rt2X [Rtransform2]SectionNewn = SectionOrtnX [Rtransformn]3)隧道体建模a)上述 2)得到的 SectionNewl、SectionNew2. . . SectionNewn 分别沿隧道线位进 行拉伸即可得到隧道三维实体(拉伸函数由ObjectsARX库提供)。b)山上述a)过程得到的是所有断面的三维实体。三维实体分外部实体(由外断 面生成)与内部实体(内断面生成)。要经过一系列切割操作生成隧道衬砌环实体。符号 定义如下(实际情况可能不包括车行横洞及人行横洞，但运算方法不变。此处以最复杂的情况实施)EntityChunOut 主隧道外部实体EntityChunln 主隧道内部实体EntityChunEnd 主隧道衬砌环实体EntityCarOut 车行横洞外部体体EntityCarln 车行横洞内部实体EntityCarEnd 车行横洞衬砌环实体EntityPeopleOut 人 亍横洞外部实体EntityPeopleln 人行横洞内部实体EntityPeopleEnd 人行横洞衬砌环实体切割中用到的布尔运算由ObjectsARX库提供，切割过程如下iv.EntityCarEnd = Ent i tyCarOut-Ent i tyCarIn-Ent i tyChunInv.EntityPeopleEnd = Ent i tyPeop1eOu-Ent i tyPeop1eIn-Ent i tyChunInvi. EntityChunEnd = EntityChunOut-EntityChunIn-EntityCarIn-EntityPeop1 elnc)最终隧道体由 EntityChunEnd、EntityCarEnd、EntityPeopleEnd 相加组成。存 储 EntityChunOut、EntityCarOut、EntityPeopleOut 备用。第六步，真三维围岩模型构建6 :如图4所示(图4为图1中步骤6的细分图)，根据地质勘探的分层情况将约束 边界内真实钻孔6-1、剖面约束虚拟钻孔6-2、边界约束虚拟钻孔6-3生成标准化钻孔6-4。 在标准化钻孔6-4基础上生成钻孔孔口 Delaunay三角网6-6与地层分层面Delaunay三角 网6-5，根据钻孔孔口 Delaunay三角网6-6中的三角面生成三棱柱6_7，再利用地层分层面 Delaunay三角网6_5对其进行分离生成围岩模型体元6_8。具体步骤如下1)得到所有钻孔并对其进行标准化处理，具体过程如下a)根据地质勘探钻孔数据库得到真实钻孔6-1 ；b)根据三维地层剖面约束信息数据库得到剖面约束虚拟钻孔6-2 ；c)根据三维地层边界约束信息数据库得到边界约束虚拟钻孔6-3 ；d)根据地质勘探数据对作业区地层进行分类，得到标准地层；e)对钻孔数据标准化处理，具体过程如下i.遍历钻孔以及每一钻孔对应的地层；ii.以上述d)中得到的标准地层为依据对地层进行标准化处理。地层与标准地 层比较，如果缺少某一地层则根据标准地层的顺序在分类地层中找出合适的插入点加入新 层。新层的层底标高为紧邻的上一地层的标高，即插入零厚度地层，由此标准化所有地层最 终得到标准化钻孔6-4.2)在上述1)中得到的标准化钻孔6-4基础上，根据建模边界选择建模范围内的钻 孑L PointsMod ；3)以同一地层层底点基础，在三维地理空间坐标系下建立地层分层面Delaunay 三角网6-5。同时以钻孔孔口点为基础建立钻孔孔口 Delaunay三角网6_6 ；a)获取PointsMod内所有钻孔孔口点，根据Delaunay三角网构网法则建立钻孔孔口 Delaunay 三角网 6—6 ；b)获取PointsMod内同一地层点集，根据Delaunay三角网构网法则建立地层分层 M Delaunay H^ 网 6-5 ；4)以钻孔孔口三角网6-6为基础生成三棱住实体6-7 ；a)遍历所有钻孔及地层，求得钻孔孔口及地层标高的最大值与最小值，分别记为 HeightMax、HeightMin ；b)以上述3)中a)中得到的钻孔孔口 Delaunay三角网6-6为基础，根据三角网中 的三角面建立新三角面，新三角面三顶点的高程值设为HeightMin，三维地理空间X、Y坐标 保持不变；c)以上述b)方法得到的三角面沿三维地理空间坐标系Z轴正向拉伸(拉伸函数 由ObjectsARX库提供)，拉伸到HeightMax，以此生成Delaunay三角网内每个三角面对应 的三棱柱。5)分离出不同地层，得到隧道围岩模型体元6-8 a)读取上述4)中生成的三棱柱，同时遍历地层分层面Delaunay三角网[6_5]，得 到三棱柱对应的一系列三角面，记为Trianglel、Trianglel. . . Trianglen ；b)从三棱柱最底部开始，依次用三角面Trianglen、Trianglen-l. . . Trianglel去 分离不同地层。每次分离得到的下半部分赋以相应地层的颜色，上半部分则继续参与地层 分离，直到最顶层；c)对b)得到的三棱柱上半部分利用钻孔孔口 Delaunay三角网6-6对应的三角面 分离出下半部分实体，赋以相应的地层颜色，同时丢弃孔口以上部分；d)由上述b)与C)分离过程得到的实体体元是以真实地理坐标表示的。所有体元 则自动构成真三维围岩。第七步，基于围岩模型体元的隧道开挖与剖面实时切割显示7 遍历真三维围岩模型体元，将其与所有隧道模型进行实体布尔相减得到开挖隧道 后的围岩模型。步骤如下1)遍历上述第六步骤得到的隧道围岩模型体元。对每一围岩模型体元，用第五步 骤中第3)步骤中的EntityChunOut、EntityCarOut、EntityPeopIeOut实体进行切割(切割 中用到的布尔函数由ObjectsARX库提供)。记任一模型体元为Mod，新的体元为ModNew。 切割方法如下ModNew = Mod-Ent i tyChunOut-Ent i tyCarOut-Ent i tyPeop1eOut根据上述方法对所有围岩模型体元进行切割即可完成围岩的隧道穿越；2)基于上述1)中得到的围岩模型体元，同时加入由第五步得到的真三维隧道模 型，结合实体断面切割函数(由ObjectsARX库提供)即可切割得到任意垂直剖面处的围岩 以及隧道断面。
1权利要求
一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法，其步骤是A、隧道线位信息建库(1)整理得到隧道设计方案中的线位数据，得到线位中桩点桩号以及三维地理空间X、Y、Z坐标，对行人横洞与行车横洞得到横洞首尾两端与各线位的交点桩号，最后记录隧道线位类型及行人横洞、行车横洞信息并将上述线位信息存入隧道线位信息数据表；B、地质勘探数据建库(2)地质勘探数据包括钻孔数据及剖面数据，对于钻孔数据在数据库中建立钻孔数据表及地层数据表，钻孔数据表存储钻孔编号、三维地理空间X、Y坐标以及孔口标高，地层数据表存储该地层所属的钻孔编号、地层编号、层底标高等信息，将所有真实钻孔数据入库；C、三维地层剖面约束信息建库(3)在三维地层剖面图纸平面上采样并生成剖面约束虚拟钻孔，并将剖面约束虚拟钻孔入库，三维地层剖面采样及剖面约束钻孔生成方法如下1)地质剖面定位a)分别在图纸平面内拾取A桩号(3-2)、B桩号(3-3)处桩号信息记为Sta1、Sta2，同时拾取相应的标示线任意一端端点记为Pt1、Pt2；b)读取隧道线位信息数据库中各线位中桩点坐标，并依次根据其三维地理空间X、Y、Z坐标构建曲线，各线位曲线分别记为Line1，Line2直到Linen；c)根据下述方法得到Sta1与Sta2所表示点的三维地理空间坐标，点记为PtReal1、PtReal2i.在b)中所得的线位曲线中找到Sta1与Sta2所代表的点所在的线位曲线及其在此线位曲线中的线段区间；ii.解析Sta1与Sta2的公里数与米数，并根据公里数与米数以及其所处的线段区间端点的公里数与米数得出Sta1与Sta2桩号所代表的点PtReal1、PtReal2；d)将c)中得到的点PtReal1、PtReal2的三维地理空间Z坐标赋为零，得到经过PtReal1、PtReal2的直线LineReal。则LineReal表示此地质剖面与三维地理空间坐标系中高度为零的XY平面的交线；e)地质剖面图纸平面内任意点在三维地理空间坐标系中Z坐标的计算方法如下i.在零刻度3-1处拾取图纸平面内剖面定位的零刻度点PtOrient；ii.量取零刻度点到任意刻度n处在图纸平面内y方向上的距离DistY，根据下述公式算出比例因子FscaleFscale＝n/DistY；iii.根据零刻度点PtOrient与地质剖面内任意点在图纸平面内y方向的距离delt及全局比例因子Fscale得到待求点在三维地理空间坐标系下的Z值，计算方法如下Z＝Fscale×delt；2)钻孔孔口采样地质剖面采样位置选择在地层线变化剧烈的地方，在地质剖面图中最上层位置拾取地质剖面图纸平面中的点PtSampleDrill，利用1)中所述的Pt1、Pt2、PtOrient、PtReal1、PtReal2、LineReal、Fscale计算出图纸平面采样点PtSampleDrill的三维地理空间坐标PtRealDrill，具体计算方法如下a)由PtSampleDrill、Pt1、Pt2的图纸平面x坐标信息得出PtSampleDrill与Pt1在图纸平面x方向上的相对位置与距离DeltX，PtSampleDrill与Pt1的真实距离DeltReal由下述方法计算得到DeltReal＝DeltX×Fscale；b)LineReal表示经过PtReal1与PtReal2的直线。结合a)中得到的Pt1与PtSampleDrill的相对位置，计算出直线LineReal上从点PtReal1开始距离为DeltReal处的点的三维地理空间坐标，此坐标即PtRealDrill的平面坐标；c)PtSampleDrill与PtOrient在图纸平面x方向上的坐标差记为DeltY，钻孔孔口高程即PtRealDrill的Z坐标为Z＝DeltY×Fscale；3)地层采样在地质剖面图中与钻孔孔口采样点对应的地层即为此钻孔的地层，采样的地层只记录其层底标高，采样及计算过程如下a)在地质剖面图的钻孔采样点处保持钻孔采样点在图纸平面中的x坐标不变，从最上层地层开始依次拾取地层层底点，得到地质剖面图上的点PtStratum1、PtStratum2直到PtStratumn，对于尘灭的地层也要进行采样，且确保采样点图纸平面y坐标与紧邻的上一地层采样点图纸平面y坐标相同；b)PtStratum1、PtStratum2直到PtStratumn的图纸平面x坐标相同，各点图纸平面y坐标与PtOrient点y坐标的差值乘以Fscale即为此钻孔各地层分界点三维地理空间Z坐标，地层分界点分别记为PtStratum1High、PtStratum2High直到PtStratumnHigh；4)虚拟钻孔生成及入库由上述2)及3)生成钻孔孔口与相应的地层信息即构成一个完整的虚拟钻孔，虚拟钻孔数据表的记录存储结构如下所示钻孔编号 X坐标Y坐标孔口标高对应的地层信息为多条记录，地层记录存储结构如下所示钻孔编号地层编号层底标高；D、三维地层边界约束信息建库(4)建模边界为首尾相接的点构成的闭合多边形，三维地层边界信息是根据真实钻孔信息、三维地层剖面约束信息在建模边界加密时生成的一类虚拟钻孔，作为约束提高地层边界处模型的精度，三维地层边界约束信息建库方法如下1)边界加密设构成边界的点依次为PtRange1、PtRange2直到PtRangen，前后相邻两点构成的线段以及最后一点PtRangen与第一点PtRange1构成的线段依次为LineRange1、LineRange2直到LineRangen，加密距离为Dist；a)遍历所有边界线段得到线段两端点PtTemp1、PtTemp2并求得线段长度；b)记intPointNum为加密点个数，计算方法如下intPointNum＝LineLength/Dist，并对intPointNum取整数；c)记DistDelt为当前线段的加密长度，计算方法如下DistDelt＝LineLength/(intPointNum+1)d)以长度DistDelt平分以PtTemp1、PtTemp2为端点的线段；e)重复上述b)到d)的步骤，得到所有线段的平分点；2)虚拟钻孔生成a)遍历上述1)得到的所有平分点，记当前线段平分点为PtCurrent；b)遍历地质勘探钻孔数据库、三维地层剖面约束信息数据库中的钻孔位置信息，得到距离PtCurrent最近的钻孔，同时得到其地层信息；c)复制上述b)得到的钻孔及地层信息，同时将钻孔的三维地理空间X坐标改为PtCurrent.X，Y坐标改为PtCurrent.Y，相应的地层信息保持不变，以此生成加密点处的虚拟钻孔及地层信息；d)重复上述b)、c)步骤，得到所有LineRange1、LineRange2直到LineRangen线段的加密点处的边界约束虚拟钻孔及地层信息；e)求得PtRange1、PtRange2直到PtRangen各点对应的虚拟钻孔及地层信息；3)边界约束信息入库使用B步骤中地质勘探数据库中钻孔与地层表结构建立边界约束点虚拟钻孔数据库，并将上述2)得到的边界约束虚拟钻孔以及PtRange1、PtRange2直到PtRangen各点处虚拟钻孔存入数据库；E、真三维隧道模型构建(5)基于隧道线位信息以及隧道断面信息完成真三维隧道模型的构建，其中隧道线位信息用于构建隧道线位曲线，隧道断面分为外断面(5-1)、内断面(5-2)、隧道路面断面(5-3)，其o、x、y表示隧道断面所在的图纸平面坐标系，真三维隧道模型构建方法如下1)三维地理空间隧道线位曲线构建a)依次读取隧道线位数据库各中桩点三维地理空间坐标；b)根据隧道线位中桩点三维地理空间坐标构建主洞或各行人横洞或行车横洞线位曲线；2)隧道断面实体拾取及断面实体空间变换a)根据隧道设计文件断面数据形成完整闭合断面；b)遍历隧道线位及断面，设原始断面分别为SectionOrt1、SectionOrt2直到SectionOrtn，拾取隧道断面内中桩的测量基点，记为PtSectionOrient；c)计算从隧道线位第一点PtStart到第二点PtEnd构成的矢量VectorChunnel，计算方法如下VectorChunnel＝PtEnd-PtStart；d)设图纸平面坐标系中隧道断面法向量VectorSection为图纸平面坐标系中的-z方向，得到VectorSection到VectorChunnel的变换矩阵，同时在变换矩阵中加入PtSectionOrient到PtStart的平移量，得到所有断面各自的变换矩阵记为Rtransform1、Rtransform2直到Rtransformn；e)利用d)所得到的断面变换矩阵对隧道断面进行空间变换得到一组新断面，记为SectionNew1、SectionNew2直到SectionNewn；3)隧道体建模a)上述2)得到的SectionNew1、SectionNew2直到SectionNewn分别沿隧道线位进行拉伸得到隧道三维实体，拉伸用到的函数由ObjectsARX库提供；b)由上述a)过程得到的是所有断面的三维实体，要经过一系列切割操作生成隧道衬砌环实体，切割中用到的布尔运算由ObjectsARX库提供，切割过程如下i.EntityCarEnd＝EntityCarOut-EntityCarln-EntityChunln；ii.EntityPeopleEnd＝EntityPeopleOu-EntityPeopleln-EntityChunln；iii.EntityChunEnd＝EntityChunOut-EntityChunln-EntityCarln-EntityPeopleln；c)最终隧道体由EntityChunEnd、EntityCarEnd、EntityPeopleEnd相加组成，存储EntityChunOut、EntityCarOut、EntityPeopleOut备用；F、真三维围岩模型构建(6)根据地质勘探的分层情况将约束边界内真实钻孔(6-1)、剖面约束虚拟钻孔(6-2)、边界约束虚拟钻孔(6-3)生成标准化钻孔(6-4)，在标准化钻孔(6-4)基础上生成钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)与地层分层面Delaunay三角网(6-5)，根据钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)中的三角面生成三棱柱(6-7)，再利用地层分层面Delaunay三角网(6-5)对其进行分离生成围岩模型体元(6-8)，具体步骤如下1)得到所有钻孔并对其进行标准化处理，具体过程是a)根据地质勘探钻孔数据库得到真实钻孔(6-1)；b)根据三维地层剖面约束信息数据库得到剖面约束虚拟钻孔(6-2)；c)根据三维地层边界约束信息数据库得到边界约束虚拟钻孔(6-3)；d)根据地质勘探数据对作业区地层进行分类，得到标准地层；e)对钻孔数据标准化处理，具体过程如下i.遍历钻孔以及每一钻孔对应的地层；ii.以上述d)中得到的标准地层为依据对地层进行标准化处理。地层与标准地层比较，根据标准地层的顺序在分类地层中找出合插入点加入新层，新层的层底标高为紧邻的上一地层的标高，即插入零厚度地层，由此标准化所有地层最终得到标准化钻孔(6-4)；2)在上述1)中得到的标准化钻孔(6-4)上，根据建模边界选择建模范围内的钻孔PointsMod；3)以同一地层层底点基础，在三维地理空间坐标系下建立地层分层面Delaunay三角网(6-5)，同时以钻孔孔口点为基础建立钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)；a)获取PointsMod内所有钻孔孔口点，根据Delaunay三角网构网法则建立钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)；b)获取PointsMod内同一地层点集，根据Delaunay三角网构网法则建立地层分层面Delaunay三角网(6-5)；4)以钻孔孔口三角网(6-6)为基础生成三棱住实体(6-7)a)遍历所有钻孔及地层，求得钻孔孔口及地层标高的最大值与最小值，分别记为HeightMax、HeightMin；b)以上述3)中a)中得到的钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)为基础，根据三角网中的三角面建立新三角面，新三角面三顶点的高程值设为HeightMin，三维地理空间X、Y坐标保持不变；c)以上述b)方法得到的三角面沿三维地理空间坐标系Z轴正向拉伸，拉伸到HeightMax，以此生成Delaunay三角网内每个三角面对应的三棱柱；5)分离出不同地层，得到隧道围岩模型体元(6-8)a)读取上述4)中生成的三棱柱，同时遍历地层分层面Delaunay三角网(6-5)，得到三棱柱对应的三角面，记为Triangle1、Triangle1直到Trianglen；b)从三棱柱最底部开始，依次用三角面Trianglen、Trianglen-1直到Triangle1去分离不同地层，每次分离得到的下半部分赋以相应地层的颜色，上半部分则继续参与地层分离，直到最顶层；c)对b)得到的三棱柱上半部分利用钻孔孔口Delaunay三角网(6-6)对应的三角面分离出下半部分实体，赋以相应的地层颜色，同时丢弃孔口以上部分实体；d)由上述b)与c)分离过程得到的实体体元是以真实地理坐标表示的，所有体元则自动构成真三维围岩；G、基于围岩模型体元的隧道开挖与剖面实时切割显示(7)遍历真三维围岩模型体元，将其与所有隧道模型进行实体布尔相减得到开挖隧道后的围岩模型，步骤如下1)遍历上述第(F)步骤得到的隧道围岩模型体元，对每一围岩模型体元，用第(E)步骤中第3)步骤中的EntityChunOut、EntityCarOut、EntityPeopleOut实体进行切割，记任一模型体元为Mod，新的体元为ModNew，切割方法如下ModNew＝Mod-EntityChunOut-EntityCarOut-EntityPeopleOut；2)基于上述1)中得到的围岩模型体元，同时加入由第(E)步得到的真三维隧道模型，结合实体断面切割函数切割得到任意垂直剖面处的围岩以及隧道断面。
全文摘要
本发明公开了一种交互式隧道及围岩体三维模型快速构建方法，其步骤是A、隧道线位信息建库采集隧道线位信息并建立线位信息库；B、地质勘探数据建库对地质勘探得到的钻孔数据进行标准化处理；C、三维地层剖面约束信息建库采集三维地层剖面约束信息；D、三维地层边界约束信息建库采集自定义的建模边界；E、真三维隧道模型构建根据隧道线位、隧道洞体外断面、内断面信息精确构建隧道三维模型；F、真三维围岩模型构建根据钻孔与地层信息构建围岩模型；G、基于围岩模型体元的隧道开挖与剖面实时切割显示。提高了隧道仿真与数字化设计的建模效率与精度，实现了隧道穿越围岩及任意垂直剖面的实时切割显示，实现了模型快速重构。
文档编号E21D9/14GK101882171SQ20101018496
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者余绍淮, 张霄, 明洋, 梁诚, 王丽园, 陈楚江 申请人:中交第二公路勘察设计研究院有限公司