三维建模范文
时间：2023-03-27 04:28:19
导语：如何才能写好一篇三维建模，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
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Abstract：This article establishes the mathematical model on the basis of knowing and grasping the hydrological condition, space structure of the water bearing medium of fengfeng mine in Handan, fusing the basic geography data and bore data. The boundary condition generalizing, the model time and spatial separate and the hydrological parameter selection are researched. The program is numerically simulated, including identification and optimization.
Key words: GMS; visualization; three-dimensional modeling
中图分类号：O343.2文献标识码：A文章编号：
三维可视化建模在20世纪90年代初期开始为人类所重视，并逐渐成为数学地质、石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化领域的研究与应用热点。所谓三维可视化地质建模，按照Simon W Houlding的观点是指运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析、地学统计与预测、实体内容分析以及三维图形可视化等技术工具结合起来，实现地质模型的三维显示，并用于地质分析的技术[1]。
一、GMS
GMS是地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)的简称, 是美国Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队排水工程试验工作站在综合已有地下水模拟软件的基础上开发的用于地下水模拟的综合性图形界面软件包。GMS是集各种软件于一体的，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件[2]。
二、三维可视化模型的建立
1、资料收集
工作所收集的资料主要包括区域及各流域水文地质报告、构造分布图、水文地质图、地貌图、水文地质剖面图、第四系埋深图、潜水埋深图、电子地理底图、地表高程等值线图、各含水层顶底板高程等值线图、二维剖面图以及最重要的钻孔数据资料等，为模型建立做准备。由于峰峰煤矿曾进行过不同目的、不同精度的地质调查与评价工作，积累了大量的资料。
2、资料分析
(1)在原有钻孔资料的基础上，加入从电子底图上提取的地面高程点数据，显示地表面的起伏状态；(2)当已有钻孔资料不足时，应在已有钻孔资料的基础上，依据剖面图、地质图和地质报告中的相关内容，虚拟一些钻孔；(3)结合工作区和现有资料，对钻孔数据进行修正和补充；(4)整理资料，录入GMS中。
3、三维可视化模型构建
利用GMS软件建模时，应先建立坐标系，即将地理底图导入到GMS中定位。然后，利用GIS模块将*.shp文件转化到MAP模块中，根据定位好的地理底图，绘制确定计算区域边界，再由这些边界生成TINs。将整理好的钻孔资料导入到GMS中的Borehole模块中形成钻孔数据，以便对钻孔资料进行管理。通过编辑钻孔岩性及对每个钻孔进行编号，将每个钻孔上不同岩性的连接处设置水平地质，创建钻孔剖面，进而显示地层（见图1、2）；在Borehole模块中选择Horizons->Solid命令，采用相应的插值方法，从而生成地质结构体，建立地质结构模型。Solid 则是水文地质结构模块。我们可以利用该模块来根据需要分解和组合不同的层，在任意层位、任意位置切剖面，查看剖面上地层的展布情况，并可对模型进行空间上的旋转，从不同角度观察模型结构[3]。
图1钻孔柱状图图2地层图
三、应用实例
1、研究区概况
研究区峰峰煤田位于太行山东麓武安盆地南端，鼓山与磁山之间，南洺河横贯井田。属暖温带、半干旱大陆性季风气候区，四季分明，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，春秋干旱多风沙。研究区地处丘陵地带，地势南高北低，东西部地形向中间倾斜，中间低洼地带为南洺河河床。井田内有季节性河流—南洺河，属海河流域子牙河水系滏阳河支流。
研究区地层由老至新有元古界震旦系（Z），古生界寒武系（ ）、奥陶系（O）、石炭系（C）、二迭系（P），新生界第三系（R）和第四系（Q）。万年矿井田的构造以NNE向、SN向、NE向断层为主，属于典型的帚状构造。井田断裂构造较为发育，褶皱次之。
2、含水层与隔水层
区内含水层有第四系卵砾石孔隙含水层，二迭系砂岩裂隙含水层，石炭系薄层灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系石灰岩岩溶含水层，闪长岩风化裂隙含水层；隔水层有二迭系泥岩隔水层、石炭系砂页岩隔水层、寒武系下统页岩隔水层、闪长岩隔水层。
3、补、径、排条件
大气降水是主要补给来源，其次是南洺河河床及灌渠的渗漏还有奥陶系灰岩水。补给途径一是在基岩区直接入渗，二是河流的渗漏，三是第四系孔隙水的渗漏补给，四是二迭系砂岩水通过断裂对该层的补给。
4、三维可视化建模
（1）边界条件
南部边界以F11断层为界，该断层具有阻水性质，奥陶系灰岩被其切割，与下盘的二迭系地层接触，隔绝了与南部奥陶系灰岩水的联系。
北部西段以F1断层为界，该断层使石炭-二迭系地层与上盘奥陶系灰岩对接，其构造简单，富水性差，不形成越流补给。
东部南段以F15断层为界，该断层具阻水作用，构成隔水屏障，中段为坚硬致密的岩浆岩体，隔绝了井田与外界的水力联系。
西部边界以F1断层为界，该断层与西部磁山岩体构成西部的南段边界；西部北段，该断层使煤层与奥陶系灰岩对接，但本区构造简单，富水性较弱，两侧的水力联系也较弱。
以上分析表明，本区形成一个基本封闭的水文地质单元。
（2）数学模型的建立
通过对矿区的地质条件和水文地质条件进行详尽系统的分析，本文建立了与矿区地下水
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的线特征匹配方法，进一步介绍了多源数据的融合方法。最后总结了当前发展特点及面临的挑战。
关键词 三维建模；摄影测量；城市
中图分类号 TU-0 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）112-0068-03
0引言
当前智慧城市建设正在成为地理空间信息产业的一个热点，智慧城市作为数字城市概念的进一步拓展，同样地需要将建筑物的三维建模技术作为重要组成部分。随着数据获取手段的更新以及数据量的急速增长，建筑物建模方法逐步从手工向人机交互甚至全自动化、从单个建筑建模到大规模场景批量建模发展。事实上，在摄影测量领域关于建筑物自动/半自动三维建模的研究已有二十余年历史。
然而，复杂建筑物的数字模型生成仍然是个颇具挑战性的问题。以影像为例，在实际生产中最为成熟的是人工编辑方法，例如使用Sketchup、Auto CAD等软件在影像基础上进行几何模型编辑以及纹理贴图，建立单个建筑物的三维模型。人工编辑虽然能保证重建模型的准确性和细节度，但是效率非常低下，无法适用于大规模场景建模的任务。而实现基于影像的全自动建模，需要在影像解译领域取得较大突破，而囿于当前的研究进展，许多学者提出了基于人机交互的半自动建模方法，而且也已经出现若干成熟的商业软件系统。例如瑞士联邦苏黎世理工大学推出的CyberCity-Modeler系统，利用航空遥感影像对多类地物进行三维点云生成、分割和多面片拟合，操作员只需对点云生成和分类步骤进行干预，因而效率较高，每天能完成500到1000个目标的工作量，该系统已经成功地应用于欧美多个城市的三维建模任务。另一类系统以德国Inpho公司推出的inJECT为代表，系统整合了一个包含多种常见建筑物线框模型的数据库，操作员只需根据图像的内容选择特定建筑物模型，系统能自动进行参数解算，使生成模型能够与输入影像保持相容性。同时该系统支持用户拓展数据库中的模型，以及由简单模型组合复杂模型，使其能更好适应复杂城市场景。全自动建模方法现在仍处于研究阶段，从计算机视觉的角度来看，三维建模可以转化为一个大型优化问题，需要在场景的局部以及全局约束中寻求平衡，由此引出“自上而下”（先验模型驱动）和“自下而上”（数据驱动）两类方法。由于这一问题的病态性，当前许多自动化方法都在多源数据融合中寻求解决方案。
航空影像作为传统摄影测量的数据源，在获取、储存和分发方面较于其他数据源有优势；近几十年随着高空间分辨率卫星遥感、近景摄影、地面移动测量、大倾角摄影等技术的进步，使得基于影像三维建模能够获取更多建筑物细节以及适用于大范围场景重建。值得注意的是，近年来有学者也在进行利用网络用户上传影像进行建筑物三维建模的研究。同时，LiDAR技术的出现也极大推动了建筑物自动建模的研究。通过记录后向散射激光束的时刻，借助机上的GPS/INS系统，该技术能直接测量地物点的空间三维坐标，从而回避了影像特征提取的步骤。LiDAR数据对建筑物的面特征描述效果较好，然而对于建筑物别重要的线特征效果欠佳，且依赖于扫描激光点云的密度，因此经常与包括影像数据在内的其他数据结合使用。此外InSAR数据也具有建筑物三维建模的潜力，但是当前研究尚在起步阶段。
本文将针对建筑物自动/半自动三维建模这一问题，从技术方案的角度介绍当前进展。
1三维参数模型
屋顶形状建模在城市三维重建中是关键步骤，在我国《城市三维建模技术规范》的LOD2模型和开放地理信息系统协会(OGC)CityGML2.0标准的LOD2模型中，屋顶形状都成为该层次主要描述的结构。一般通过航空影像或者机载LiDAR数据完成屋顶建模，大多数时候影像数据也是以生产的密集匹配点云作为三维建模的输入数据，因此本节将讨论广泛用于点云数据的参数化建模方法。
大多数建筑物顶层形状可以归类为平顶、单坡屋顶、四坡屋顶、尖峰屋顶、人字形屋顶、折线型屋顶、斜折线型屋顶等若干基本几何形状（如图 1），并区分成三个较大类别。如果忽略屋顶细部结构（如烟囱、采光窗），即使只能获取低密度点云，这类简单形状也能很好地拟合屋顶。
图 1屋顶基本几何形状
对于复杂建筑物屋顶，简单形状无法对其进行描述，一般需要将复杂形状分解为若干核不重叠的元胞，使得每个元胞能用简单形状基元进行拟合，最后在把各个元胞的建模结果组合成复杂建筑物模型。一般将包含建筑物的一个区块沿着建筑物特征线方向进行分解，并把划分的元胞与建筑物脚点叠合，认为元胞内的点云能用上述基本几何形状拟合。有学者提出了基于稳健估计RANSAC的预处理方法为模型拟合提供初值，另外有学者为了克服模型过分解问题，引入外部DEM数据重新合并过分解元胞。
2非参数模型
参数模型得到的是对点云整体最优拟合的模型，所以在建筑物特征线（如人字形房屋的脊线）上的拟合精度并不一定高。非参数方法很好地克服了这一缺陷，其无需先验假定潜在的几何模型。这一方法的一般流程为：首先分割点云并对拟合局部面片，然后建立面片间的邻域（拓扑）关系，根据邻域关系检测屋顶的特征线，最后进行三维模型表达。
点云分割方法可以分成四类：聚类，区域增长，模型拟合和能量函数优化。聚类方法利用点云数据的属性特征（如法线方向）进行聚类，一般可以采用K均值、均值漂移等成熟聚类算法，该方法缺点是对数据噪声较敏感。区域增长根据初始种子点增长面片，这种方法比较简单，其结果好坏取决于初始种子点的选取以及增长准则。模型拟合方法与参数拟合方法类似，然而拟合的对象一般为局部平面，RANSAC和Hough变换是这一类方法的有效工具，对于场景内的主要平面分割效果较好。能量函数优化方法灵活性较强，能根据事先给定的约束给出全局最优的分割结果，但是计算量较大。
分割后的点云面片需要建立相互的拓扑关系，通常可以用区域邻接图来表示（如图 2），各面片区域构成图中的结点，对于有公共交线的面片则建立相应的边表示它们的邻接关系。通过这种数据结构可以有效地检测数据中的交线、阶跃边甚至是屋顶的细小单元。一般采用阈值方法来判断邻接与否，例如面片边缘之间的最短距离。因此，交线便可以通过邻接面片相交求出。而借助外部DEM数据，可以用高差判断建筑物边缘点，当边缘点全部检测出来，使用二维的Hough变换就可以把建筑物屋檐线提取出来。
图2屋顶面片的拓扑邻域图
这一类方法最终得到了建筑物的多面片模型或者线框模型，不过也有学者提出对结果进行进一步的参数模型拟合。根据模型库里的基本屋顶基元建立相应拓扑图，然后使用非参数方法得到建筑物的拓扑图，并利用基元拓扑图对其进行子图分解，从而达到模型拟合的目的，有效回避了元胞划分的问题。
3基于线特征的方案
与基于点云的方法不同，此类方法利用影像中直接提取出来的直线特征进行三维建模。一般流程为：直线特征提取、直线特征匹配、三维直线特征生成、三维直线特征共面编组以及平面聚合和冲突处理。
图像处理领域提供了很多成熟的直线特征提取算法，例如分裂合并算法、RANSAC算法、相位编组算法、Hough变换算法，等等。直线提取中存在不确定性问题，因为影像噪声和地物遮挡等各方面因素的影响，使得提取的直线特征在完整性和准确性方面存在问题。完整性问题主要由于遮挡造成，此时提取的直线在不同视角中的属性不同，难以建立对应关系；准确性由影像质量决定，噪声较多的影像提取的直线特征无法准确地建立与实际空间三维直线的对应关系。当前解决这些问题的主要方法有左右匹配检查和不确定性统计建模。
直线立体匹配与点特征立体匹配相似，是从不同视角影像中寻找同名的直线特征，用于计算深度信息。由于线特征的不确定性较强，需要引入其他的约束条件衡量直线间的对应性，常用的约束包括：核线约束、视差连续性、有序性和拓扑性质。层次化的匹配策略也能有效改善匹配结果，通过由多条直线构造更加复杂的结构特征，利用高层直线结构的匹配和底层单条直线的匹配之间的相互支撑和约束，弱化匹配过程中的二义性。由于引入了多种约束条件，直线特征匹配通常应用多种数学优化算法，包括图优化、模拟退火法、松弛标记法、动态规划方法等，能够获得当前约束下的全局最优匹配结果。
特征共面编组对由匹配结果和成像模型计算的空间直线做后处理，以实现以下目的：合并冗余直线特征，剔除错误特征，恢复建筑物模型表面。而平面聚合和冲突处理作为高层次的后处理步骤，需要引入一些先验知识，通过几何推理进一步消除重建结果的不相容性。
4多源信息融合
利用多源数据进行三维建模已经成为摄影测量界的研究热点，这是因为单一数据源往往不能提供建筑物的完整信息。卫星影像虽然能提供大范围覆盖，但受基高比限制高程精度较差；航空影像作为三维建模的主要数据源，在地物遮挡处需要其他信息作为补充；机载LiDAR数据能提供高精度的三维信息，然而无法描述线性特征且细部表现能力受脚点密度制约，一般不作为单独的重建数据源。其他数据源如近景摄影测量、GIS数据等能够提供关于建筑物某一部分的信息。多源数据融合正是为了弥补单一数据造成的信息缺失，而实现信息互补。
影像和LiDAR数据的融合。利用前者对目标细节和边缘的表现能力，以及后者对目标表面的精确测量能力，为立体匹配提供了较强的先验知识和约束条件，进而提高自动化水平。这两类信息具有很强的互补性，因此是研究领域的热门，且有很强的实用性。
辅助GIS数据的应用。三维重建当中的GIS数据一般是指建筑物的地面规划图，能够提供建筑物的二维投影信息。前文提到参数模型拟合方法用于复杂建筑物时需要进行建筑物模型分解，而规划图数据恰能提供这一辅助信息。
多种影像信息的综合应用。最具代表性的是航空航天影像与近景影像的综合，前者可以获得建筑物的屋顶形状，然而遮挡和基高比的制约使其无法建立建筑物立面的细节，地面近景影像刚好能够提供这一信息，综合两者能建立建筑物完整的细节模型，满足《城市三维建模技术规范》的LOD3模型要求。两者间融合的关键问题在于异质相机内外方位元素的联合解算。另外也有学者引入数字正射影像，为立体匹配提供更精确的边缘信息。
5结论
以上从技术方案的角度对当前城市建筑物三维重建研究的状况进行了回顾，从这些案例中科院总结出当前发展的主要特点：数据源越来越丰富，多源数据综合利用水平越来越高，大大丰富了重建模型的细节度，提高了精确度和自动化水平；建筑物三维模型趋向于精细化，这是经济发展水平所推动的，也是传感器技术进步和多源数据融合的必然结果；商业软件的自动化水平越来越高，基于少量人机交互的半自动建模方法趋向成熟，自动化方法的研究突飞猛进。而这些发展也为研究者们带来了挑战：数据量增长以及对精细模型的需求，对建模方法的高效性提出了要求，也为三维建筑物模型数据库的管理和维护带来挑战；结合实际的应用需求，行业标准对建模方法的层次细节度提出了要求，使得建模过程需要同时考虑不同尺度下的模型表达；知识和语义信息亟待融入建模过程，正如前文所述，知识规则能有效提高三维模型的准确性和相容性，当前已有学者投入这方面的研究，然而离实用化尚有距离。
参考文献
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【关键词】实体模型；块段模型；地质统计学；变异函数
三维可视化模型包括实体模型和块段模型，实体模型是一种表现实体表面形态的方法，它既可以用于表现地形、岩层层位面等小封闭的实体(DTM模型)，也可以用于表现矿体、不同岩性区域等封闭的实体(3DM)。无论表现哪种实体，线框模型的构建方法是相同的。即把面上的点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后把这些多边形拼接起来，形成一个多边形网格，以此来模拟矿体边界和空间形态[1,2]。文章借助Micromine软件建立某镍矿床的地质数据库，应用地质统计学理论建立矿床品位参数的变块块段模型，采用普通克里格法对矿体金属元素品位进行估值，得出矿石品位的空间分布状况，并运用估值结果进行储量计算，与矿山实际勘探获得的储量进行对比，结果表明，所建模型可靠，计算结果准确。
1 矿床地质概况
矿床赋存于铁质超镁铁侵入岩中，足一个隐伏矿床，共有4个主矿体，1#矿体走向北27°西～南27°东，与岩体底界近乎一致，以星点状贫矿为主，长约463m，宽约200m。矿体倾向南西，上部倾角较陡， 一般为50°～60°，沿倾斜矿体同样表现连续膨大-缩小的变化特征，膨缩的幅度一般为十几米，2#、3#矿体赋存在l #矿体的下盘，4#矿体是富矿体，Ni平均品位1.86％，需单独回采。
2 矿石品位三维可视化建模技术研究
2.1 地质数据库及样品组合
三维可视化地质数据库是将不同地质数据信息按照一定关系有机组合在一起，共同表示钻孔完整信息的数据集合。地质数据库主要包含的信息有：孔口位置、测斜信息、样品信息、岩性信息和工程地质信息(包括RQD值、地下水情况、节理裂隙状态等)。它是进行地质解析、品位推估、储量计算和管理，以及后续采矿设计等的基础；根据研究需要，选择该矿体的土要成矿元素Ni作为区域化变量。样品组合有多种方法，如沿钻孔组合、按台阶组合、混合组合等。组合样长度要考虑多种因素，如块段建模时，单元块的尺寸、原始样本容慑、平均原始样长等。本次研究中选用“沿钻孔组合”方法，采用平均原始样长作为组合长度，即组合样长为1m。
2.2 组合样品统计分析
对样品统计分析的目的， 一方面是为了掌握矿床Ni元素的分布情况，另一方面是指导后续品位推估时采用何种方法进行变异函数计算和分析。Ni元素组合样分布直方图及其参数可知Ni元素品位在0～8之间，但多数在0～4之间，占99.9％。整体服从对数正态分布，均值0.43％，标准差0.39。
2.3 组合样品品位结构性和变异性分析
变异函数分析可以得到的基本参数包括：各参数的基台值、各参数的块金值、各参数的变程(即其空间相关性，换句话说，指某一样品段在三维空间上能够影响的范围)。
2.3.1 分析方向。根据经验，一般在进行金属元素品位变异函数分析时，要按走向、倾向、厚度3个方向进行变异函数分析。
2.3.2 变异函数计算参数。在进行各个方向的变异函数计算分析时，一般是分布于某个方向一定范围内的样品点参与进行该方向的变异函数计算。本文结合矿区的实际情况，指定容差角为30°，不设定容差限，滞后距为15m，计算的最大距离为300m。
2.3.3 变异性和结构性分析结果。Ni元素试验及理论变异函数由试验及理论变异函数曲线图可以看出，Ni元素样品品位具有明显的结构性和变异性，即品位值既是随机的，又是与周围一定距离内的样品值有关。
2.3.4 变异函数参数交叉验证。计算变异函数的目的是为了应用计算的参数，根据已知样品数据对块段模型中单元块相应的属性采用一定的方法进行估值，建立的变异函数模型及其参数是影响估值精度的重要因素之一。可以判断：若变异函数较为准确，则误差较小，误差均值应接近于0，同时，误差的分布应满足正态分布，且误差的方差很小，在两个标准差范围内的估值误差占整个误差分布的95％以上。Ni元素品位变异性和结构性分析参数的交叉验证结果见表1。
误差在2个标准差范围内所占的比例 95.68%
由表1中关于Ni元素、变异函数参数的交叉验证结果可知，Ni元素的变异函数模型及其参数是比较准确的。这意味着：块段模型中Ni元素的品位值可依据已知样品数据。
3 矿体三维实体建模
矿体是由一系列相邻三角面，包裹成内外不透气的三维实体，其表面为不规则曲面。根据地质解译图，以地层和矿体在勘探线上的二维解译成果为基础，采用Delaunay三角形法形成矿体三维实体模型。
4 基于组合样品位的块段模型单元块品位插值研究
结合前面建立的矿床矿化区域三维实体模型，通过块段和线框嵌套技术，建立起反映矿区矿化区域的三维变块模型。同时，利用上述计算得到的矿区镍元素变异函数参数，根据钻孔组合样样品，采用普通克立格法对变块模型中单元块的品位进行插值，为进行矿区矿石品位空间分布研究奠定基础。
插值过程中，样品搜索半径的取值对应估计得到储量的控制程度，根据计算各方向变程的取值，本研究取25m、80m、160m三个等级，即探明、控制和推断各参数以及代表的意义见表2。
5 矿区品位及储量分布
矿区矿石品位统计分析结果可以看出，将储量计算结果与矿山实际勘探获得的储量(实际储量)进行对比，可以看出计算值与传统方法计算的储量基本吻合，绝对误差仅为0.52%。说明：①不按品位估值时，搜索半径大小对模型内全部单元块的品位进行统计；②对搜索半径不大于25m时，得以估值的单元块品位进行统计，得出探明储量；③对搜索半径为25～80m(不含②的结果)时，得以估值的单元块品位进行统计，得出控制储量；④对搜索半径为80m以上(不含①和②的结果)时，得以估值的单元块品位进行统计，得出推断储量。
6 结论
综合运用三维可视化建模技术和地质统计学理论建立某镍矿床的数学模型，采用普通克里格法对镍元素的进行估值，得出了镍元素的品位分布模型，并最终运用估值结果进行储量计算。结果表明，所建立的矿床三维可视化模型以及品位分布模型是可靠的，所选用的变异函数模型及参数计算正确，储量计算结果真实可靠，可用于辅助矿山进行资源评估、采矿设计以及计划编制等工作。
参考文献：
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关键词：地层尖灭；GTP退化；三维建模
三维地质建模是三维GIS在地学领域的应用。广义的三维地质建模是三维地质模型生成、可视化、空间分析和应用的集合体。由于地质体本身的复杂性：侵入体、断层、褶皱、地层尖灭、层序交错等情况的存在，使得地质体自动三维建模存在很大困难。
1、钻孔数据处理
为了便于自动建模计算，专门设计钻孔点数据结构表，该表包含钻孔的编号、名称、地理坐标、地层编号及其他钻孔信息。钻孔点位钻孔中各地层的分界点，是进行三维建模的基础数据。由于钻孔中的地层是自地表乡下递增的顺序编号的，
因此设定钻孔轨迹线上分界点的编号为该点邻接的地层编号，这将给地质建模的构造和自动建模带来极大的便利。
由于钻孔数据存在编号重复、地层缺失等情况，使地质体建模很难自动完成，因此，为实现地质剖面的自动绘制，引入了虚拟钻孔来补充缺失地层，保持地层的完整性。虚拟钻孔是相对真实钻孔而言，在建模过程中，根据需要在特定位置添加的假想性质的钻孔。根据地质勘察人员的经验，选取适当的模型参数，对已有钻孔数据进行插值加密，然后用所有钻孔数据与虚拟钻孔数据比对处理，完成虚拟地层的补充。
2、建模方法的研究
近年来国内外在三维地质体建模方法上做了很多研究，提出了几十种数据处理和建模方法。
目前广泛推荐的地质建模方法：
（a）以DEM为基础，根据地质数据的多层性，建立多层的地下DEM模型；
（b）基于三棱柱体体元的数字地层模型。解决了不同剖面之间轮廓线的分叉问题以及对应和拼接等问题，有效地显示三维层状地层的结构 ；
（c）以广义三棱柱（GTP）作为建模的基本体元，根据钻孔数据的特点和知识推理规则，进行断层等复杂地质构造的推理和自动建模，避免了不必要的人为干预，扩展了钻孔数据建模的适用范围和表现能力。
然而，对于复杂地质构造（断层、尖灭等），目前还没有有效的自动建模方法，本文采用基于GTP退化模型构建三维地质体。
尖灭是地层中常见的现象，即岩层的厚度在沉积盆地边缘变薄以至消失。对于地址建模中涉及到地层尖灭的问题，本文采用一种基于GTP退化模型的三维地质体尖灭够模方法，它是在一般GTP的建模基础上，对生产的模型进行进一步的优化处理，生产比较准确的地质模型。
基于GTP退化模型构建地质体模型的步骤：首先，对原始的钻孔数据进行处理，检查数据的完整性及添加虚拟地层数据，即每个钻孔必须包含所有地层的信息，信息不完整的钻孔上虚拟一点进行补充；其次，对新生成的数据进行地质体建模，生产具有拓扑关系的GTP模型；最后，对生成的GTP模型进行优化处理，GTP模型优化主要分为四种：无退化模型、单点退化模型、两点退化模型、三点退化模型。
为提高建模的准确性，对不同的GTP退化模型，将会有不同的建模方法，主要有2种：GTP边退化模型和GTP面退化模型。
3、应用实例
该方法在多项岩土勘察工程中进行了应用，以鹏利广场项目为例，该场地呈不规则四边形，场地宽83米，长265米，勘探孔按建筑物边角线布置，共布设钻孔36个，实际钻孔深度为25米，35米，36米及50米。采用基于GTP退化模型建立了该区域的三维实体模型，如图1所示。
4、总结
（1）针对复杂地质体现象，采用虚拟钻孔和虚拟地层的方法对钻孔数据进行处理，保证钻孔层序上的完整性。
（2）采用基于GTP退化模型进行三维地质体的构建，该方法能很好解决工程实际中复杂地质体建模问题，是三维模型更加精确。
参考文献：
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关键词:三维地学建模；方法；应用现状
中图分类号：K826.16文献标识码：A
1引言
一直以来，对于地学信息的表示和处理都是基于二维的，通常是将垂直方向的信息抽象成一个属性值，称为2.5维或假三维。随着地学研究的深入，二维分析日益显得不足，二维在具有三维特性的矿山与地质领域，应用也不够理想，现有二维数据结构的GIS工具直接应用到地质领域时，效果总是不太理想，难以表达复杂的地下三维地质与工程问题。所以在许多地学应用领域迫切需要真三维地学信息的表示、处理和分析软件。随着科学计算可视化技术和计算机模拟技术的发展,三维地学模拟逐渐成为数学地质、石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化领域的研究与应用热点[1]。本文主要探讨了三维地学建模技术方法，指出了三维地学模拟存在的问题，同时介绍了三维地质模拟方面的应用研究现状与前景。
2三维地学建模技术方法
地学模拟是一门综合运用现代空间信息理论来研究地质体几何结构及其内部物理、化学属性数据的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学计算可视化技术对其地学三维可视化进行真三维的再现与交互的科学与技术。因此，它包括两大部分的内容，即三维建模和可视化，其中前者是后者的基础，后者是前者的表现[2]。
目前，三维地学模拟技术方法概括起来有:断面(Section)构模法、表面(Surface)构模法、块体(Block)构模法、线框(Wire-frame)构模法、实体(Solid)构模法和体视化技术。断面法是三维问题二维化，其缺点是表达不完整。表面法是DTM(数字地形模型)的应用，缺点是不能表达在地质体内部的属性信息。块体法是三维Grid(Cubic)模型，较好地兼顾了精度与存储的矛盾。线框法是表面法和块体法的合成，优点是能描述任意形状的矿体，缺点是当控制点加密引起地质界面变化时，要重新修改表面并分割块体。实体法的实质是Network与块体法的混合，优点是能精确表达较复杂地质结构和进行体积计算以及储量估算。这几种方法在国外已有成功应用，而国内除了断面法和表面法等方法外，其它方法的应用尚不多见。体视化技术是在科学计算可视化基础上发展起来的一门技术。国内胡金星等[3]进行了三维地学模拟体视化技术的应用探索，提出三维地质模拟技术难题及体视化总体框架，并对三维地质模拟的体视化方法、算法显示、视觉模型等关键技术进行了研究。张熠等[4]对三维体绘制技术在工程地质可视化中的应用进行了研究。齐安文等[5]重点研究了基于三棱柱体体元在三维地质建模中的应用。黄文静等[6]对用体绘制方法实现地质数据场三维重构进行了研究。于万瑞等[7]对地球物理勘探数据的体视化应用系统开发进行研究。体视化技术的出现和发展给三维地质建模提供了有力的理论依据和良好的可视化途径。
3三维地学模拟存在的问题
3.1三维建模软件存在的问题
参考三维地学模拟理论、方法、技术和软件尚不十分成熟，地质软件还不能依据少数几个控制点建立一个复杂表面或依据地质规律建立表面模型，不能生成实际所需的不同种类的二维投影图件。对于海量地质数据、深度数据的可视化处理还不成熟，为地质学家提供解释3D地质环境、分析有关地学问题的技术有限。建模质量过多地依赖于地质建模专家的水平，不仅影响了软件的使用效力，也限制了建模自动化程度的提高。在我国尚未开发出融数据管理、信息可视化、交互操作和地质分析于一体的三维地学模拟软件。国外地学三维可视化软件价格昂贵，且不能很好地适应国内地质结构情况。我国有数百个从事地质勘探与研究的单位，若不开发拥有自主版权的地质三维GIS软件，一味地依靠国外软件，将是非常被动的。我们应该组织人力进行联合攻关，努力发展民族地学三维可视化软件，并与国际研究同步,尽快同国际接轨。
3.2三维地学模拟面临的困难
地质对象形状极为复杂，变化多样，多分支、不连续、各向异性，这种复杂关系既有空间结构方面的也有属性量变方面的。在地学应用领域中，大量的极其不规则的断层、地质体、钻孔、矿体、坑道等在三维描述与显示方面非常复杂。地质数据存在多解性，我们所得到的地质数据往往是离散的、局部的，有较大的片面性，不同的专家根据不同的地质理论对同一地质现象可得出不同的推断和结论。地质数据类型多样性，有规则的，也有不规则的，主要有重力数据、地磁数据、航磁数据、地热数据、钻孔数据(地质分类、地球物理勘探信息)、地震数据、航片卫片、构造场数据、区域地质数据(地质观测点资料、产状数据、岩层厚度、剖面数据等)、数字化地图等。数据向综合化、集成化方向发展,因此对数据的分类、解释和处理难度更大。
4三维地学模拟应用研究
80年代以来，三维地学模拟得到迅速发展，日本海洋科学与技术中心(JAMSTEC)利用国际数据库系统建立日本深海沟、岛弧壳和洋壳三维结构模型,以便为地震预报提供一定依据。de Kemp以太古代科帕蒂纳组阿比提比绿岩带为例，建立了构造场数据三维可视化模型。De Paor利用Bézier工具研究了复杂地质构造的可视化。Marschallinger应用可视化环境完成了地质材料微构造三维重建，利用图像、动画、视频、电影、虚拟现实等技术在网上实现了地质材料三维模型可视化。Johnson等利用微构造切片技术研究石榴石晶体中一系列弯曲的非圆柱状表面及叠加褶皱的3D可视化。国内在三维地质模拟方面起步较晚，多数只是探索性的研究，在研究成果转化方面速度较慢，对国外软件的应用也不够深入，多数是仅仅做了一些探索性的应用研究工作。如中国矿业大学吴立新等基于LYNX进行了三维地学模拟体视化技术在煤矿的应用研究。中国地质科学院区划室陈郑辉、肖克炎等基于Vulcan软件系统对阿舍勒铜锌矿床三维立体模型的研究。
三维地质模拟理论、方法、技术和软件目前尚不够成熟，国外软件也尚未完全解决实际应用中的许多问题。因此目前的发展趋势是:一方面针对具体的项目组织人力开发国产三维地质模拟软件，这样既满足了实际应用的需要，避免了购买国外软件带来的费用及系统集成问题，又可为今后开发自主知识产权的软件系统进行技术准备；另一方面利用国外软件进行应用研究是今后三维地质模拟应用的重要发展方向，借助国外软件进行应用研究既可以探索三维地质模拟究竟可以在多大程度上解决生产实际问题，又可以从应用研究中发现问题，以便于三维地质模拟软件的开发。
5结论
三维地学模拟理论、方法、技术和软件尚不十分成熟，地质软件还不能依据少数几个控制点建立一个复杂表面、或依据地质规律建立表面模型。地学工作者的任务是在分析比较国内外地学三维数据模型特点的基础上，结合中国地质构造实际情况，研究适合中国地球科学应用领域中三维地学数据模型的基本框架，构造三维数据结构。利用地理信息系统技术、可视化技术、虚拟现实技术等的最新成果，开发具有鲜明特色的面向地球科学应用的三维地学可视化软件产品。解决地质二维、三维空间数据输入、处理、管理、分析和显示问题,实现三维地质体逼真表达、动态显示、仿真模拟解决地学多维、动态、多源、交互、多时相、多精度、多目标等问题,为地学数据探索、地质信息查询和地学多维图解技术的实现提供可能。
参考文献：
[1] 郑贵洲,申永利.地质特征三维分析及三维地质模拟研究现状[J].地球科学进展,2004,19(2): 218 223.
[2] Hu Jinxing,Wu Lixin,Gao Weizhen.Application study on volume visualization technique of 3D geoscience modeling[J].Journal of China Coal Society, 1999, 24(4): 345-349(in Chinese).
[3] Zhang Yu, Wen Guoqiang. Application of 3D volume visualization in geology of civil engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,21(4):563-567(in Chinese).
[4] Qi Anwen,Wu lixin.Analogicttri prism: A new 3D geology spatial modeling method[J].Journal of China Coal Society，2002,27(2):158-163(in Chinese).
[5] Huang Wenjing,Tang Long,Tang Zesheng. Volume rendering and 3D interaction techniques for visualozation of geological data [ J].Journal of Engineering Graphics, 1998,3:60-66(in Chinese).
篇6
关键词：三维地质建模；边坡工程；应用分析
Abstract: 3 d geological modeling for engineering is played a very important role, this article through to the interpretation of the principle and some examples to analyze and discuss the 3 d geological modeling technology in the slope engineering technology application.
Keywords: 3 d geological modeling; The slope engineering; Application analysis
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号
随着我国科技的迅速进步以及发展，现代工程地质学科正朝着综合的集成化以及数字化的大方向发展，其中三维地质建模是数字化发展方向中一个非常重要的方面，其最大的优势就是可以更为快速和准确的体现出地质的三维信息。一个更好的三维地质模型，对于工程的前期设计以及中期施工和后期验收工作提高效率都有非常大的意义，本文就对三维地质建模技术在边坡工程中的应用做出简要的分析和探讨。
建模的关键步骤分析
对于数据的分析和提前处理
在一般的情况下，建模需要用到的地质类资料主要有以下几点：首先就是钻孔数据资料，其次就是表面的离散点的数据资料以及剖面图的资料。一般来说钻孔和表现离散点的数据都是以表格的形式来呈现的，剖面图的数据信息是以cad格式呈现的，所以第一个关键的步骤就是要在建模过程中合理的对这些资料进运用。在对实际钻孔进行记录的过程中，地层、度那层以及结构面的其他信息等都是在每个钻孔中进行分别编号的，这样做的不好之处就在于每个钻孔中的一个地层到底是否属于同一个，这一点是很难去进行判断的，所以就会给建模带来很多困扰。根据笔者经验来看，主要要做到以下几点：第一就是对每个钻孔进行统一的编号，要尽量的保证在同一个地层中的钻孔有一样的编号；其次就是建立完善的用户数据库处理系统；第三就是抽取出具有统一编号的地层和断层来为之后的建立数据进行准备。
生成三维表面工作
在三维地质模型中，三维表面占有了很重要的地位，可以用来进行表达地形和地层界面以及断层等。还可以表现覆盖层、地下的水位线等，也是最后生成三维实体一个非常重要的前提。通过离散数据点来建立一个表面的模型，主要有这两种方式：第一就是通过数据插值方法来建立起一个规则的网络，第二就是直接根据原始的数据点，按照一定的规则来建立不规则的三角网络。其中第一种方式的核心技术就是插值。在空间数据中进行插值，其具体含义就是根据已知点或者是分区数据来推求出任一点或者是分区数据，继而可以在平面或者是三维中构建出一个连续特征的变化。最常用到的插值方法就是滑动你和方以及多面函数发，这种方法被称作是几何内插。其最关键的特点就在于引入了平滑性的约束条件。所以说这种情况下最后得到的规则网络就会具备更好的几何精度，但是一句集合内行重建的地形的主要缺点就在于其可视化的效果并不是很理想。
生成三维实体
这也是三维地质模型中一个非常重要的组成部分，跟三维表面等一起构成了三维地质模型，其质量的好坏直接决定了三维地质模型的质量。在gemgom中主要为我们提供了两种生成三维实体的方式。第一种方式就是放样技术，也就是首先确定其中一个底层的边界线，然后通过连接每个边界线的控制点，并且用直线把控制点进行连接，最后生成一个实体的模型。第二种方式就是首先要确定底层或者断层上下的两个变截面，然后用之前叙述的方法来生成两个不会相交的边界面。一般来说上面提到的第一个方法更实用于断层模型的生成，第二种更适合用了开地层模型的生成。
边坡工程中建模的难点以及处理分析
改善tin表面的光顺度
对于不规则的三角网络来说，tin的生成是不需要进行插值的，所以其好处就是可以保持原有数据的精度，并且三角网络可以更好的顾及到地形的特征性。但是直接根据原始数据生成出来的不规则的三角网络因为其过于稀疏所以其表面很可能会比较粗糙不能满足工程的需求。在实际的建模中，笔者根据自己经验更为推荐一种称为拉普拉斯插值法的插值放法，因为这种插值方式主要具有以下几个优势：第一就是更为完善，不管有无输入的数据点可以生成网络或者网格点。其次就是并没有针对数据点进行个数上的限制。第三就是对于输入的数据点不太敏感其分布情况。第四就是生成网格或者生成的时间不显著的对于数据点的个数有依赖性。第五就是用户可以控制插值的密度以及精度等。
但是也有较为明显的缺点，就是原始数据点并不是会精确的落到网格表面上。但是可以用这个方法来进行处理，在需要进行加密的区域进行拉普拉斯插值，然后根据差指点以及已经具有的数据点来构造tin表面。这样就可以既保持了原始据点的精确度，同时还可以保持tin表面的光顺度。
对于断层的模拟以及处理
在边坡工程中最为常见的现象就是断层，断层的特点就是会破坏点地质体的连续性，并且还会改变数据最为原始的分布。所以说在存在断层的情况下就必须要对有关层状地质体的影响进行考虑。断层的数据来源只有两个，第一就是钻孔数据，第二就是剖面图数据。
对于断层的模拟可以说是一个非常复杂的工程，一般来说要利用到在不同剖面上的断层线来才形成面，因为同一个断层在不同剖面上的表现形式是不一样的，一些情况下很难确定是哪一条线属于断层。在存在多条断层的时候就可以根据多条断层之间的无切割关系来具体分成两种情况，第一就是断层之间并不存在切割关系，第二就是存在切割关系。当存在切割关系的时候就可以通过优先级的排列关系来进行处理。这样一来就可以根据断层切割地层面的方法来进行逐级的处理，首先做出最高优先的tin面，其次就是做出次级的呗切割断层的整个tin面。被切割的断层可能是不止一个的，就要根据这种方法进行循环的处理，知道做出每一个断层两侧的边缘线为止。
结语：本文直接针对一些实例来阐述了三维地质模型技术在边坡工程中运用的主要问题以及技术难点，最后提出了笔者推荐的拉普拉斯插值方式以及不规则三角网格生成方法，对于三维技术在工程中的运用，还需要对此作出更多的探讨和实践。
参考文献：
[1]李培军.层状地质体的三维模拟与可视化[J].地学前缘,2000(S2)
篇7
【关键词】3DMAX；三维GIS建模；应用与研究
随着计算机多媒体技术、空间技术、可视化技术、数字测绘技术、计算机图形技术等的飞速发展，“数字地球”的概念深入人心，GIS技术日趋成熟，运用三维GIS技术实现虚拟可视化场景已经成为现实。
一、三维GIS的研究内容
1.研究与发展
GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，应用己深入到测绘、土地、环境、电力、交通等诸多领域。但是目前的GIS主要局限于2维或2.5维空间数据的表达和处理，难以真实再现人们所生存的现实的三维客观世界，不能满足人们对三维地物的查询分析要求。在应用需求和计算机技术、图像图形处理技术等相关技术发展的多重推动下，GIS从二维进步到三维成为其发展的必然。
但是三维GIS的理论和技术远比二维GIS复杂，其研究还处于探索阶段，很多实际问题有待解决。由于三维GIS的巨大的应用潜力，众多科研机构、高等院校、公司积极投身于三维GIS的开发研究之中。
2.研究内容
三维GIS的研究对象可以归纳为4类，即点、线、面、体。其中的线不仅包括二维GIS中的平面曲线，还包括三维有的空间曲线，面不仅包括二维平面，还有三维中的空间曲面，而体则是三维有的研究对象。
由于二维GIS中缺乏三维实体操作以及处理三维几何和拓扑的能力，因此无法完整地描述三维地理现象，也无法实现三维的查询和空间分析。为了描述三维地理现象，三维GIS需要解决一系列的问题，如如何获取三维GIS的数据信息、三维实体模型中三维拓扑数据的描述等。而这些问题基本都是围绕三维数据模型而展开的。
对于三维空间数据模型的研究，首先由于GIS中需要处理的地理数据在几何特征、几何结构以及分辨率等方面的复杂性使得现有的模型和方法难以应用地质、海洋和大气等方面的模型构造中，这些应用方面的数据难以用简单的单元或函数进行模型化，其需要空间理论的扩展；其次是目前数据获取技术的不断发展对于三维数据模型的构造也提出了更高的要求，如何使用三维数据获取立体重建以及多种数据源的有机集成等问题的研究。
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种
（1）由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样，是从可视化角度出发的。
（2）另一方面，GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此人们又从数据库的角度出发向三维GIS发展。他们从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中，或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS，如GODOT， Geo02， GEO++， SmallWorld GIS。一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。
二、模型构建
三维GIS系统通过建模将地物模拟成可视化的三维地理空间数据，三维地理空间数据被赋子信息属性之后，与三维GIS的管理、分析功能相结合，从而构成三维GIS系统。三维GIS系统的数据是由大块区域的建筑、设备、地面及辅助设施模型组成，其中主要以大块区域的建筑、设备为主体，该部分的模型数据可采用3DMAX建模，结合建筑、设备的外观、模型赋色来实现。三维GIS的项目开展流程如下图所示。
三、3DMAX在三维GIS建模中的应用
目前，3DMAX是PC机上应用最为广泛的一款三维软件，和其他同类软件相比，它具有容易掌握、操作简单的特点。因此，应用三维GIS数据中的整个制作步骤可分为数据获取、数据预处理和三维建模三大部分。
1.数据获取
通过图形和图像两种方式获取三维GIS数据，收集整个厂区的AutoCAD图，以及后期人土拍摄的厂区中各个区域物体的实景照片。
2. 数据预处理
为了保证三维GIS建模土作的并列、有序进行，在三维GIS数据制作的前期阶段，将整个厂区的AutoCAD图划分多个区域，多个区域分别进行三维建模，对十三维建模所需要的数据进行预处理。依据三维GIS数据的内容，数据预处理分为二维矢量数据预处理和实景照片预处理两个步骤：
首先是二维矢量数据预处理。二维矢量数据是三维建模的基础和依据，但是二维矢量数据受表达方式限制，在二维矢量Au-toCAD图形中存在很多缺乏特征描述的信息，比如文字、地物符号、等高线、注记、标尺等一些辅助线。由十这些信息没有高程属性，在导入3DMAX之后，容易产生空间位置上的偏差与错位，故AutoCAD图形在导入3DMAX之前，需要以化繁琐为简单的原则，突出建筑、设备的外部特征，对二维矢量数据中非关键要素的点、线、注记、填充图案等信息进行删除和简化。
其次是实景照片预处理。通过人土拍摄的方式获取实景照片，不仅能表现建筑、设备外部特征的具置关系信息，还能制作出在3DMAX中用十表现虚拟模型外观的颜色。但是在实地拍照过程中由十相机像素、人为因素、天气情况等影响，实景照片中的建筑、设备与现实中对应的实景，极易在亮度、色调、饱和度等因素上产生差异。针对以上问题，采用Photoshop软件进行实景照片的亮度、色调、饱和度处理，最终实现模型颜色数据表现物体真实实景的颜色。
总结：
目前，三维GIS建模和可视化技术的各项工作都处于探索和实验阶段，还有许多的问题和想法需要在将来的学习和工作中继续追求和解决。真正的三维GIS软件还较少，现有的软件也只能完成显示和进行简单的分析。
随着三维GIS的发展，将会出现4D GIS，即在三维的基础上加上时间序列。随着计算机与空间技术的进步与发展，GIS将由各自分开独立的系统走向兼容与集成；从二维走向三维、四维，从单机走向网络，并最终走向社会和家庭。现有成熟的科学计算可视化技术己经为三维可视化要求打下了较为坚实的理论技术基础，三维GIS和可视化技术必将在更多的领域发挥它们更大的作用。
参考文献：
篇8
关键词:SolidWorks三维建模;应用技巧;个性工具栏;机械设计软件
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0027-02
一、定制个性工具栏
SolidWorks具有的CommandManager ,是一个上下文相关工具栏,它可以根据您要使用的工具栏进行动态更新,很好的将大量绘图命令分类存放。但是在调取相应命令时需要先单击分类,增加了鼠标点击的次数,降低了速度。鉴于大多数使用者都有自己单独的设计方向不需要使用很多绘图命令,因此可以在工具、自定义、工具栏标签中关闭CommandManager,并选取经常使用的工具栏这样该工具栏将出现在界面中,通过拖拽操作可以编辑该工具栏,删除不经常使用到的命令,使工具栏更具有针对性,做到高效便捷。
二、指派快捷键
SolidWorks允许用户依据个人习惯指派所有命令的快捷键,这样可以减少了鼠标点取命令的次数从而加快了作图速度。可以通过单击工具、自定义、键盘标签找到自己的高频命令,并指派某单键或组合键为其快捷键。笔者推荐一些常用命令如:“正视于”、“剪裁”、“智能尺寸”、“中心线”等。至此SolidWorks的个性定制已经完成,利用鼠标查找选取特征、观察模型。使用快捷键快速建立草图、几何关系,利用定制的适合自己的工具栏建立新的特征最终完成三维模型的建立。在熟练了SolidWorks基本绘图命令后,通过以上个性的定制之后一定能让你的操作摆脱繁杂快捷。
三、使用中心线和基准面
很多教程在讲解创建草图时并没有强调具体创建草图的步骤,只要所创建的草图满足形位尺寸要求即可。草图是创建特征的基础,中心线隶属草图的范畴,在草图中起参考的作用,对模型的形状并不起作用。由于SolidWorks具有参数化造型的特点,如果我们在创建草图时使用中心线配合几何关系来约束所创建的二维草图的形状,利用智能尺寸约束整个草图的形位尺寸,表面上看这样做增加了建模步骤,但对以后零件的修改是非常有益的。因为机械零件有很大一部分是具有对称结构的,建立中心线和基准面能很好的保证零件的对称性,同时方便特征建立。下面以汽车起重机的前挂钩(如图1所示)建模为例,阐述学习中心线和基准面建模的思想带来的便利。
接到一个模型我们首先就是要分析模型的几何特点以及可能会出现修改的尺寸。由图1将该零件分解为1侧板、2底板两部分,他们可以通过绘制草图拉伸构建;不同型号的汽车起重机所选材料的厚度不同、安装孔的形位尺寸会变化、45mm的尺寸也会有所不同,根据其三维特征并考虑以上可能需要编辑的参数我们确定建模步骤为:(1)首先根据2侧板的轮廓建立草图拉伸形成三维实体;(2)根据1底板的轮廓建立草图,并建立相应的几何关系智能尺寸,以后需要修改形状时只需编辑这些尺寸数值即可,拉伸形成三维实体;(3)选择2的草图所在面和1草图棱的中点建立新的基准面,镜像2完成零件的三维建模。至此我们已经完成了前吊钩的三维建模,通过以上建模过程我们能很好的去进行编辑,模型不会因尺寸变化而出错,绘制的草图是直接使用图1的dwg文件粘贴的经过简单的修改既可以进行拉伸操作,对于已经有了dwg文件的零件转化为三维模型十分的方便。
四、快捷复制命令
选择需要复制的特征按住ctrl键拖动可复制出所需的特征,在草图环境下选中需要复制的草图按住ctrl键拖动可快速复制出草图,在装配体体中您可以按住ctrl键,拖动一个装配体中的零部件,如此可以在装配体上生成该零部件的另外一个实例,同理对于新建基准面仍可以应用按住ctrl拖动的办法,在双击修改具体的尺寸数值。
五、巧妙添加约束
草图绘制过程中使用最多的就是如何绘制带中心线的对称图形,我们可以使用智能尺寸添加两个尺寸数值;也可以使用绘制一点,添加点与中心线重合约束;使用放样命令时,会发现模型生成错误,不能完成请求,原因在于solidworks的放样命令要求路径与放样轮廓必须相交,如果两个草图之间没有相交则造成建模错误,对于3D草图通过添加重合约束很难保证要求,这时我们添加穿透命令,就一定能保证路径与轮廓相交,顺便强调一下,很多初学者虽然做到了路径与轮廓相交但是人不能放样,这可能因为建立了多个路径,这些路径是在同一个草图上建立的,solidworks要求放样路径为不同草图才能完成建模。
六、使用相机视图
使用photoworks渲染产品最终效果图时,一定要使用相机视图,普通视图渲染出来的图片会出现近小远大的情况,使人看起来不舒服,有一种失真的感觉。调整相机的位置得到的相机视图能真实的表现模型。
七、复杂耦合模型的建立
对于复杂的耦合模型,如果我们分别建立,会使建立过程难于掌握,需要通过大量计算,有时仍不能做到完全配合,这时我们可以考虑整体建模,当构建好整个模型后,通过两次应用拉伸切除命令得到耦合的两个模型如减速机箱体的模型,这样得到的模型能保证完全重合。
八、调整最佳视图
Solidworks为我们提供了多种视图模式,如线框图,隐藏线可见等模式,通过切换可以找到适合建模的视图,如我们需要引用某些不易选择的线时就可以使用线框视图将其选中。但有时需要创建的模型具有比较复杂内部结构仍不能满足需要,这时我们可以定向剖视图,用来观察内部的结构。
九、快速查找断裂的约束关系
在solidworks的使用过程中往往因模型的需要而更改一些特征的建立顺序或是删除一些特征,这样由于父子关系、草图约束条件的存在,可能对后续特征造成影响,这时就需要找到并删除已经不存在的约束限制,只需编辑出错的草图,单击工具栏中的“显示/删除几何关系”的图标找出草图中过定义或是悬空的几何关系。当对话框出现时,单击准则并从其下拉清单上选择过定义或悬空删除所有即可,悬空的几何关系就被取消了。
十、添加工程图模板
Solidworks的默认工程图模板并不符合我们国家的制图标准,通过修改原来的模板为符合我国制图标准的模板格式如标题栏、图层、箭头等,另存为drwdot的模板格式文件,保存位置为安装目录/date/template/文件夹中。另外如果愿意可以加上属性链接,这样可以和实体相关连,重量、文件名等相关的东西在做工程图的时候可以自动生成了。
参考文献
篇9
关键词：三维建模；虚拟现实；园林景观
随着信息技术和三维建模软件的发展，虚拟现实技术己经开始广泛应用于教育、城市规划、园林景观、旅游、娱乐等众多领域。三维虚拟漫游技术是虚拟现实技术的最新发展，它实现了对三维景观和现实环境的虚拟化和数字化，从而成为互联网和计算机科学发展的重要方向之一，它以高质量、具有真实感、以及实时生成的现实环境，成为可视化、交互性视觉媒体[1]。
目前，基于三维建模的虚拟现实技术主要有两个范畴：一是基于三维模型和VRML的技术，二是以图像为基础的全景技术。二者均可灵活地应用于虚拟导购、导游、导医、地图指示、园林建设等各个方面[2]。本文主要围绕第一种方法展开论述。
1.建模软件及VRML语言简介
VRML(Virtual Reality Modeling Language)是虚拟现实建模语言，是一种在计算机上广泛使用的三维形体和交互环境的场景描述方式。它提供了三维建模应用系统中常用的规范和描述标准，实现了计算机虚拟现实的真实性，可以把三维、二维、脚本描述语言、文本、声音、图片等多媒体信息融合于一体，在层次转换、光源的添加、几何图形的绘制、动画的实现、材质特性的选取、纹理映射的表达等方面，都具有简单、灵活的表现方式，使信息非常便于在同一个交互式的三维系统中展现出来，产生一种全新的交互式应用。
VRML虽然是基于文本信息的描述，并且需要在网络上传输三维场景，但是完全可以由本地机上安装的VRML浏览器来解释并生成三维系统，这种工作机制，避免了在网络上直接传输较大的图形文件，相当于把复杂的任务交给本地机器完成，减轻了网络传输的负担，使得在网络上的快速交互式三维传输成为可能。
与一些专业建模软件相比，VRML的不足之处是在构造三维模型时，一般需要大量的参数，特别是在构建复杂的模型时效率降低[3]。一些三维建模、动画软件如3DS MAX在这方面则具有明显的优势，可以高效、方便地建立起真实感强烈的三维模型，并且与VRML软件具有良好的兼容性。所以，一般作法是把VRML与3DS MAX加以结合，在实现虚拟现实的动态、交互式表达方面往往能收到事半功倍的效果。就实现步骤上，这可以分为两个方面：模型的建立和漫游系统的实现。下面以某展览馆虚拟漫游的实现为例加以详细介绍。
2.模型库的建立
2.1虚拟场景的建模及整合
建立模型是实现三维漫游的第一步。出于人的信息感知主要来源于视觉，而虚拟现实是否能逼真地还原现实，直接影响到观察者对整个虚拟系统的沉浸感。因此，三维场景模型构造在整个系统中占有非常重要的地位。
三维场景建模可分为规则物体建模和不规则物体的建模。模型的外表真实感主要依靠造型时的数据真实性、表面光源的反射和纹理、贴图的真实性。根据提供的几何尺寸，结合实地观察和测量，首先要对建模的场景整体上进行宏观的定位和整合。
定位与整合，其实就是把单独建立的不同模型组合成一个完整的虚拟场景。一种方法是使用软件的Inline内联节点功能把场景和复杂模型导入到主文件，成为非实时的可视化编辑，每导入一个模型都要考虑其坐标值，比较麻烦。另一种做法是在3D max软件中布置各个模块，这是一种可视化的编辑，可以实时定位对象的空间坐标。其缺点是调试一个复杂的场景时较为困难，万一发生错误，就会引发严重的不良后果。
对于内部复杂的特殊物体，如花草、树木等的建模，可以利用相近的纹理贴图以提高模型的细节水平和真实感，还能大大简化造型的复杂程度。无论采用什么样的纹理,只要看起来相似就可以，不必要精确模拟。这一做法已经被广泛应用于虚拟现实系统的场景建模方面。因为对于要实时显示的VR系统来说，减少系统生成的计算量是至关重要的因素。当然，需要注意的是，图片的格式必须要采用透明处理的gif格式。
2.2人物和雕塑的添加
可以使用软件中的Billboard节点实现雕塑和人物的添加。方法是在整体坐标系统下重新生成一个新的局部坐标系，选中一个合适的旋转轴,即可在该节点下的子节点上添加虚拟对象，当观察者从不同的方位观察、行走或旋转时，对象的正面会永远自动地面对观察者 [4]。总体建模效果示例如图1所示。
图1整体建模效果示例
3.漫游系统的实现
完成了上述准备工作后，就可以通过VRML软件，进行文件格式转换和输出。
VRML软件中的缺省背景颜色为黑色，用户要想显示出逼真的现实效果，可以通过设置背景为 Sky Color、Ground Color，二者分别为天空的颜色和地面的颜色。还可以通过Image栏设置漂亮的天空盒 [5]，在Back、Bottom、Front、Left、Right、Top六个面上分别进行设置，为系统自动添加相应的贴图。通过这种六面体式的全景设置，更能够产生完美的背景效果。
在虚拟系统中,人的视点是通过虚拟相机来表达的。可以控制相机在虚拟空间中进行交互，相机所拍摄到的也就是用户所能看见的。VRML软件中的虚拟导航,可以用来指定相机在虚拟空间中的运动方式以及移动的速度等特性[3]。还可以指定一些距离数值，这些数值决定了在考虑碰撞检测和视点随地形起伏时的可移动范围。其第一个值是碰撞被探测出以前用户位置与碰撞几何体间的允许距离；第二个值是视点与地面应保持的距离；第三个值是相机视角可以跨越的障碍物的最高高度。通过Speed可以设定相机（观察者）在场景中漫游的速度。
观察者要想能够在漫游场景中自由切换，要使用Anchor节点在虚拟场景中设置导航锚点，将视点切换到另一指定视点。当用户点击锚点时， VRML浏览器将根据锚点链接所关联的VRML文件，可以很方便地在不同的虚拟空间中相互切换[3]，如图2所示（图中的蓝色箭头即为视点跳转时的锚点）。
图2某展览馆展厅造型效果及锚点示意图
4.结束语
本文对建模及虚拟漫游技术进行了研究，限于篇幅，对碰撞检测等方面没有做深入的阐述，只是说明了构建漫游系统的关键环节，总结了相应的经验。通过虚拟漫游系统的实现，将可视化和虚拟现实技术有机地结合起来，建立了一种三维可视化的虚拟环境，场景逼真，漫游功能齐全，通过动态的交互，使用户有身临其境的真实感。
参考文献：
[1] 张龙．3DS MAX建模技术实例精讲[M]．北京：人民邮电出版社，2009．
[2] 张武军，田海，尹旭日。 VRML虚拟现实技术基础与实践教程 [M].北京 : 冶金工业出版社，2008
[3] 申蔚，曾文琪。虚拟现实技术 [M].北京:清华大学出版社
[4]张善涛，姜昱明。可漫游的虚拟战场环境建模与实现[J]
篇10
[关键词]影视动画 3D建模技术
1、引言
谈3D建模之前，我们先来放眼一下我们时代生活的大环境，如同生活在电影黑客帝国中一样，没有什么东西不沾上数字化的痕迹，我们生活的周围事物，如：报纸杂志、影视光盘、电子游戏、甚至每一个电视广告，每一张海报招贴都是通过电脑图像处理加工出来的。虽然计算机图形经历了很长时间的发展，但看到大量三维视角的东西还是近十年的事情。在如今的电影中，3D也扮演着越来越重要的地位，国内的IDMT用了4年时间打造的纯三维电影《莫比斯环》就是一个成功的例子。影视动画方面更是如此。越来越多的电影或电影特技都采用三维动画技术完成。从《星球大战》和《指环王》中数千个镜头的特效制作，到《玩具总动员》、《鼠园流浪记》和《怪物史莱克》纯三维电影的诞生，3D的应用已经成为整个影视产业的票房利器，国产电影《英雄》就凭借其优秀的三维特效技术连续两周北美票房排名第一，这里可以罗列的大片数不胜数。
建模(modeling)在3D中的位置无疑是重要的。模型是材质的载体，是灯光和渲染的对象，是3D世界的主人。但是。建模远远不是3D的全部，特别是在电影特技中，某些镜头画面根本看不到模型的痕迹，这对于电影是成功的。说明特效骗过了观众的眼睛。作为建模师也没有必要因此而感到失落，因为它的特效也是建立在正确模型的基础上的。
2、三维影视动画中的物体分类
3D中的物体基本上有两种：规则物体和不规则物体。在3D软件中。物体的形态可以通过某种形态规则加以描述。在外观上有明显特征并能够精确再现的物体属于规则物体。比如：建筑、车船、家用电器等等。这些物体在规格上有明确的指标，因此可以批量生产，在3D中称之为克隆复制。从常理上说，两个模型一模一样的规则物体放在一起不会令人奇怪。不规则物体在细节上甚至大形上都具有任意性。山峦地貌、植物动物以及天象的变化。没有绝对一样的可能，在作为三维对象制作的时候，通过人为的修改使其有如自然天成的原则是不可能的。
这样分类有什么实际意义呢?因为二者在动画模型的制作上差异很大。
规则的物体可以按照标准制作。不同的人完全可以做出相同的结果。制作水平的差异完全在于作者制作时间的长短。不规则的物体没有唯一的标准，如何做到生动自然依赖于作者对三维物体的理解，依赖制作者的经验和悟性。所以这个类型的模型的制作特别考验人的能力。就拿生物建模中最典型的人物建模来说。最基本的要求是解剖学知识，不能在肌肉和骨骼上范基本原则性的错误。还要有美学基础，在人物形态上要比例合适。各部分要有整体感。这些要求本身又是不能量化的，因为它不是规则的物体，所以学习起来就更加困难了。植物比起我们熟悉的人类就更陌生，其规律看似有迹可寻，实则充满混沌。制作这类题材，还要把大量的观察研究计算到里面去，这已经不是简单的3D范畴的工作了。
3、绘画结构分析与3D建模的联系
建模的过程开始于结构分析，当我们面对一个复合对象时，可以先设想它是有哪些基本几何体构成的，也许我们可以利用软件所提供的现有的几何体来摆出它的大致形状，细节部分可进行进一步加工。这种思路与绘画前期的打稿画出画面构成是差不多的。素描结构线的走向是我们制作3D模型早期最应该注意的东西。然而对于一个经验丰富的建模师。他不必总是从头到脚按照这种方法去分析对象，而会根据自己的习惯以最快的速度涉入细节，但是，除了速度的优势外，这种做法可能很难保证网格布局的合理与整体结构的准确。这样，有时候会返工，有时候会停留在某一个棘手的环节，反而影响了速度。对于陌生的对象，不得不重新进行结构分析。所以，对于一个成功的建模师来说，具备过人的分析能力和总结归纳能力是十分关键的。当我们用绘画一样去审慎地观察对象并作出合理的判断。建模就变成一项简单而又有乐趣的工作了。
4、三维影视动画中的3D建模方法
三维影视动画中的3D建模方法主要有多边形(POLYGON)建模、非均匀有理B样条曲线建模(NURBS)，细分曲面技术建模(SubdivisionSurface)。通常建立一个模型可以分别通过几种方法得到，但有优劣、繁简之分。
4.1 多边形(POLYGON)建模
多边形(POLYGON)建模适于创建形状规则、无曲面的对象。使用多边形建模，可先创建基本的几何体，再根据要求使用编辑修改器调整物体形状，或通过布尔运算、放样、曲面片造型组合物体来构建对象，多边形建模主要优点是简单、方便快捷，但难以生成光滑的曲面。对于用POLYGON创建好的模型，还可通过调整建模参数以获得不同分辩率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要。
4.2 NURBS建模
NURBS是Non－Uniform RationalB-Splines(非均匀有理B样条曲线)的缩写，它纯粹是计算机图形学的一个数学概念。NURBS建模技术是最近几年来三维影视动画最主要的建模方法之一，特别适合于创建光滑的、复杂的模型，而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其它技术无可比拟的优势。但由于NURBS建模必须使用曲面片作为其基本的建模单元，所以它也有以下局限性：NURBS曲面只有有限的几种拓扑结构，导致它很难制作拓扑结构很复杂的物体(例如带空洞的物体)；NURBS曲面片的基本结构是网格状的，若模型比较复杂，会导致控制点急剧增加而难于控制，NURBS很难构造“带有分枝的”物体。
