毕业设计论文Word格式.docx
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geologicalmodel；
visualization；
database,VC++programming.
目录
1引言
随着科技的发展,新的数字三维工程勘察报告以三维可视化形式提供应用于桩基工程,它直观的工程勘察成果,用户可根据需要对其进行全方位、动态的分析和利用。
因而能正确的掌握和认识地质体在空间上的分布特征和变化规律,选择合理的基桩施工参数。
桩基工程地质三维可视化系统的目标是建立以三维坐标信息为基础,能反映地质信息的三维地质模型,用以描述地质体的信息,并提供有效的、方便和直观的查询和显示手段,大大地提高计算分析结果的可靠性,强化工程决策的科学性。
建立工程地质信息三维可视化系统,在三维空间重构地质体的真实结构,为基桩参数设计和施工管理提供有效的依据,在施工过程中,对不协调的部分,及时修正和优化,在确保桩基质量的前提下,可得到明显的经济效益,本文阐述了桩基工程可视化管理的原理及其工程应用。
数据库技术是研究组织、存储、获取和处理数据的一门技术,是信息技术的核心和基础,它将大量数据按一定的模型组织起来,提供存储、维护、检索数据的功能,使信息系统能方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息,数据库及其相关技术的应用越来越广泛，桩基础是目前多+高2层建筑常用的基础型式,本文以文献川作理论基础、结合实际工程情况川,利用VisualC++将数据库技术应用于桩基工程,通过数据库保存桩型、截面尺寸、桩长、桩距、桩身材料、沉桩工艺、土层资料和分布等参数,初步建立了桩基工程数据库,下面简述其建立过程。
2 桩基工程的信息化和可视化
桩基工程处理的对象是经历了漫长的地质历史年代而生成的地质体,人们在长期的工程实践中积累了大量的数据资料,对这些数据和信息的数字化、定量化以及智能化的要求日益提高。
桩基工程的全过程,可以说是一项不断获取数据、分析数据和处理数据的过程。
相对于其他工程而言,桩基工程具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质把握的不准确性,始终需要在工程的勘察、设计和施工过程中获取各种各样的信息和数据,更需要对这些数量大、种类多的信息和数据进行快速处理,及时反馈,优化设计,指导施工。
数字地球技术体系的发展和新兴学科的交织渗透为桩基工程信息化奠定了坚实的基础,同时桩基工程的信息化也成为数字地球技术体系的重要组成部分。
可视化是近年来发展起来的一种计算机实用技术。
它融合了图形学、图像处理、数据管理、计算机网络和其它的相关领域技术,目的在于解决海量数据的处理和信息的综合表示问题,提高信息利用的效率。
岩土工程是一个复杂的大系统,科学计算可视化的应用将有助于对岩土工程的研究。
由于其对大规模数据处理和体现的高效性、直观性,科学计算可视化在多种领域得到了广泛的应用。
岩土工程的信息化和可视化需要大量的高新技术和广泛的专业知识,涉及多个学科和技术领域。
这些技术包括:
（1）三维数据结构及建模技术。
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。
（2）三维可视化技术。
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。
（3）三维空间分析技术。
有效的三维分析手段是三维地层信息系统进一步发展与深入应用的保证,也是进行评价决策的依据与基础。
3 岩土工程信息化与可视化应用领域
3.1在工程地质勘探中的应用
（1）建立工程地质数据库,方便查询检索。
（2）真三维图、平面图管理与显示。
（3）生成剖面图、断面图。
（4）根据钻孔、物探资料生成柱状图。
（5）管理岩土力学成果表和统计表以及地层统计表。
（6）进行承载力计算等分析。
（7）生成文字报告。
3.2在施工监测中的应用
（1）监测数据自动分析处理。
（2）建立施工检测数据库。
（3）施工平面图显示。
（4）监测点位置图显示。
（5）监测点布置优化设计。
（6）绘制各种监测点位移变化图、应力分布图、荷载分布图。
（7）进行变形预测、支护选型计算等。
（8）监测报告。
3.3在工程设计及方案优化中的应用
（1）建立工程地质数据库。
（2）真三维图、平面图管理与显示。
（4）生成DTM（数字地面模型）。
（5）进行线路设计（含可行性分析）。
4 地层三维可视化
三维地层可视化系统有效的利用了工程勘察报告的成果:
钻孔柱状图和剖面图等,结合相关的地质专家知识,无需经过复杂的数据处理工作,充分利用了原始钻孔数据,且层次结构清晰、拓扑关系相对简单且实用,大大提高了三维地质建模的实用性。
运用计算机图形学和图像处理技术,将工程勘测数据和地质岩土力学数值模拟分析的计算结果转换为图形图像在计算机屏幕上显示出来,从3D空间的角度真实地再现现实世界。
为了有效的利用钻孔数据,本文从勘察报告的钻孔柱状图及剖面图等入手,对获得的勘测的离散钻孔数据进行预处理,即插值,转化为DEM数据源,构成单岩（土）层面DEM,再由地质体空间拓扑关系,进行叠加,并缝合相邻层面的界面,构成三维地质实体。
在此基础上,进行多角度,多手段观察和操作建立的模型,为工程地质条件的分析评价提供可视化的手段。
同时建立相应的地质信息数据库,将三维地质模型与数据库信息链接起来,实现工程地质信息的可视化管理与查询。
以VisualC++为平台,结合OpenGL,研究和开发了桩基工程地质信息三维可视化分析管理系统。
研究的主要讨论内容为基于OpenGL的双窗口的实现及地下地质体的建模与可视化方法,并进行相关可视化分析和属性的查询,为有效地指导决策和设计提供依据。
5 三维可视化技术基本原理
三维可视化技术的思路是用直观的图形输出来代替枯燥的数据输出,借助人类强大的视觉及形象思维能力,对数据进行本质上的理解,从而洞察、发现数据中隐藏的现象和规律,为获取深层次信息提供了强有力的手段,同时也极大地提高了工作效率。
它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。
目前,三维可视化技术与虚拟现实技术在公路建设与管理、石油勘探、地震研究等诸多领域得到应用。
本文研究的三维可视化体现在以下几个方面:
（1）用适当的图形表示方式显示数据场中各类物理量的分布情况;
（2）能对画面进行交互操作,可更改观测位置、缩放等,以使分析者可随时对感兴趣的部分进行仔细分析;
（3）实现动态显示,能连续地显示整体或部分的三维数据场在不同时刻的情况,以方便分析;
（4）在友好的可视化人机界面下,实现驾驭式计算可视化。
在可视化的数值模拟中,用户可以根据显示的图像交互控制模型的各个阶段,直到对所模拟的现象获得理解和洞察。
6 桩基三维可视化
6.1 桩基施工
桩基施工大都是按图进行的,其施工过程无法观察,成桩后也不能进行开挖验收。
施工中任何一个环节出现问题,都将直接影响到整个工程的质量和进度,甚至给投资者造成巨大的经济损失和不良的社会影响。
因此,要求基础施工队伍在施工技术措施上要落实,并加强施工质量管理,密切注意抓好施工过程中每一个环节的质量,力争将隐患消除在成桩之前或成桩的过程中。
因此在施工前要认真熟悉设计图纸及有关施工、验收规范,核查地质和有桩基施工方面的资料,对桩基在施工过程中可能会发生的一些问题进行分析后制订出施工质量标准、验收实施方案和每根桩的施工记录,以便有效地对桩基施工质量加以控制。
6.2 桩基三维可视化
桩基质量三维可视化的管理与分析分为三个主功能模块:
数据库处理模块、空间分析模块和显示模块。
为了实现桩基施工过程的三维可视化管理,虚拟施工设计将桩嵌入相应的地层,首先我们提出一个三棱柱单元图1:
这里所指的三棱柱并不是数学意义上的严格的三棱柱,它由六个点组成（点可以重合）,棱与棱之间可以不平行,它包含两个三角形和三个四边形（△p0p1p2、△p5p4p3、四边形p0p3p4p1、四边形p1p4p5p2、四边形p0p2p5p3）在显示的时候分别画出并且法线向外构成一个单元。
我们再以三棱柱为对象来显示地层和基桩。
我们可以把基桩分解成有限个三棱柱来显示,对一根桩的信息我们可以知道其直径、桩心坐标和桩长。
那么我们就可以通过一个循环把桩顶和桩底分解成有限个三角形,再将对应的三角形组成三棱柱并一一显示,就可以三维显示整根桩。
当桩嵌入地层时,我们需要对其进行拓
扑计算,并重新划分网格再组成新的三棱柱。
当一根桩嵌入地层时,其在平面上的投影关系如图2所示:
这样就打破了原先地层的三棱柱组成关系,就需要重新计算三棱柱的组成,为此我们要首先计算出pi和qi（i=1,2,3,4）的坐标（具体的算法如下）。
再如图虚线所示的重新划分网格并且将圆与其外切的
正方形按1/4圆弧为单位来划分网格,最终再组成新的三棱柱并一一显示就可以得到基桩嵌入地层后的三维显示,进而我们可以单独显示基桩或单独显示嵌入后的地层。
7 可视化系统的建立
本文使用Microsoft的软件开发工具MicrosoftVC++6.0结合专业的3D程序接口OpenGL建立了桩基三维可视化系统。
步骤如下:
7.1 数据库的建立
本文采用MicrosoftAccess2000创建数据库及数据表。
打开该应用程序主界面对话框创建一个数据库。
选择“空Access数据库”,有了空数据库,可以用表、查询和其它部件来填充这个数据库。
在数据库操作窗口中,使用“数据表设计器”来定义数据表的字段名称、数据类型、字段大小、小数位数以及索引等内容来创建新数据表。
系统数据库包括钻孔信息数据表、指标信息数据表、桩基信息数据表、地层信息数据表。
以钻孔信息数据表为例。
本文采用直接通过ADO操作Access数据库。
ADO数据库访问技术使用的基本步骤及方法:
（1）添加#import指令打开stdafx.h文件,将下列内容添加到所有的include指令之后:
#include<
icrsint.h>
#import“C:
\ProgramFiles\CommonFiles\
System\ADO\msado15.dll”\no_namespacere-
name（“EOF”,“adoEOF“）
（2）初始化COM,创建ADO连接
AfxOleInit（）；
m_pConnection.CreateInstance（uuidof（_Con-
nection））;
//用try...catch（）来捕获错误信息,
try
{
//打开本地Access库Demo.mdb
m_pConnection->
Open（“Provider=Mi-
crosoft.Jet.OLEDB.4.0;
DataSource=*.
mdb“,"
"
"
"
adModeUnknown）；
}
catch（_com_errore）
AfxMessageBox（“数据库连接失败,确认数据
库*.mdb是否在当前路径下!
”）；
returnFALSE；
（3）打开数据表
定义_RecordsetPtr型变量,然后通过它调用
Recordset对象的Open方法,即可打开一个数据
集。
_RecordsetPtrm_pRecordset；
m_pRecordset.CreateInstance（_uuidof
（Recordset））;
try
m_pRecordset->
Open（“SELECT*FROM
Table”,
//查询Table表中所有字段
theApp.m_pConnection.GetInterfacePtr（）,//
获取库接库的IDispatch指针
adOpenDynamic,
adLockOptimistic,
adCmdText）;
catch（_com_error*e）
AfxMessageBox（e->
ErrorMessage（））
（4）读取表内数据
_variant_tvar；
CStringstrh1,strh2,strh3,strh4,strh5,strh6;
CMy3DViewDataApp*theApp
=（（CMy3DViewDataApp*）AfxGetApp（））;
try
if（!
theApp.m_pRecordset->
BOF）
theApp.m_pRecordset->
MoveFirst（）;
else
AfxMessageBox（“表内数据为空”）;
return;
while（!
theApp.m_pRecordset->
adoEOF）
var=theApp.m_pRecordset->
GetCollect
（“钻孔号”）;
if（var.vt!
=VT_NULL）
strh1=（LPCSTR）_bstr_t（var）......
（“钻孔时间”）;
strh6=（LPCSTR）_bstr_t（var）;
m_Grid.SetItemText（0,0,strh1）;
……
m_Grid.SetItemText（0,5,strh6）;
MoveNext（）;
ErrorMessage（））;
（5）记录的移动以及修改、添加、删去数据
使用以下类似函数:
m_pRecordset->
MoveFirst（）;
AddNew（）;
Update（）;
Delete（）;
（6）关闭库连接,释放资源
if（m_pConnection->
State）
m_pConnection->
Close（）;
m_pConnection=NULL;
7.2 三维地层模型的建立
三维空间中有形的物质（如岩石、土壤）和无形的物理场（如声场、磁场、应力场）的分布,构成充满三维地下空间的数据场-数量场或矢量场。
按照这些不同类型的数据场就可以对三维空间进行不同的划分。
系统的三维地层模型是建立在以岩性为要素的单一体划分的基础之上的。
采集到的数据样本主要是各岩层、土层的分界点,这些采样点具有有限、离散、稀疏、不规则等特点,借鉴已有二维空间数学建模的理论和实践经验,本文提出了多层DEM建模的概念,即按DEM的方法与思路对每个岩层、土层根据这些分界点进行插值或拟合。
数字高程模型DEM（DigitalEvaluationMod-el）是区域地形的数字表示,由规则水平间隔处地面点的抽样高程矩阵组成。
函数的形式描述为:
Vi=（Xi,Yi,Zi）（i=1,2,3,…,n）
式中:
Xi,Yi是平面坐标,Zi是（Xi,Yi）对应的高程,当该序列中各平面向量的平面位置呈规则格网排列时,其平面坐标可省略,此时DEM就简化为一维向量序列∣Zi,i=1,2,3,…,n∣。
内插是指根据已知点的实测值来推求采样空白区的元素含量的空间插值运算,实质上就是从已知样点的实测数据出发,按照一定的数学准则,选用特定的数学曲面来最大限度地拟合逼近并代替元素含量的实际地学曲面。
根据拟合的数学曲面可以求得研究区域中任意一点的元素含量值。
DEM内插就是根据若干相邻参考点的高程求出待定点上的高程值。
将采样到的各岩层、土层的分界点,分别进行空间插值或拟合运算,形成每一岩层、土层层面的DEM,即得到不同地层面在三维空间的展布情况。
这样,在空间中形成了多层的DEM,对应于规格网中的[x,y]坐标,不再是只有一个Z值与其对应,而是可以存在多个高程值。
这些多层DEM都有完全一致的参照系并能互相准确地匹配,严格一一对应。
这时,假若在理想状态下,各个地层面在空间中都不发生相交的情况,就可以将各个相邻层面上的格网一一联接,生成三棱柱体元,建立拓扑关系,形成局域拓扑模型（LTM）,这样就由多层DEM构成了一个整体的三维地层模型。
但在实际应用中,地层界面之间不可避免地会出现交叉拼接等现象,因而一般在形成多层DEM之后,首先,需要对各地层面进行相关判断,完成地层划分,然后在此基础上建立三维地层模型。
7.3 系统的可视化管理
为了能对画面进行交互操作,即可视化管理,以使分析者可随时对感兴趣的部分进行仔细分析;
往往需要控制和修改所显示的图形,因此需要进行一系列的图形变换,而这些变换都是通过坐标点的几何变换实现的。
常用的变换方法有三维平移变换、三维旋转变换、放大、缩小等。
（1）三维平移变换
在三维坐标系中,一个点的平移变换是从点P
（x,y,z）移动到点P′（x′,y′,z′）,其变换运算为:
x′=x+Tx
y′=y+Ty
z′=z+Tz
平移参数Tx,Ty,Tz是定义平移距离的坐标。
（2）三
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