堤壩透視投影及圖形可視化研究.pdf

1、堤壩透視投影及圖形可視化研究是數(shù)字水利，實(shí)現(xiàn)水利工程設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的重要課題。它關(guān)系到水資源的合理開發(fā)利用、防災(zāi)減災(zāi)及工程建成后的實(shí)時(shí)管理。 該文針對(duì)眾多中小型堤壩設(shè)計(jì)施工中存在的堤壩坡腳線和基坑開挖線的快速準(zhǔn)確的確定、堤壩平面圖可視化輔助設(shè)計(jì)、堤壩三維透視圖全景顯示等迫切需要解決的問(wèn)題，從數(shù)值計(jì)算、透視投影的新視角開展了研究，建立了相對(duì)比較完整、簡(jiǎn)單易用的堤壩透視投影及圖形可視化方法。 主要研究?jī)?nèi)容和研究成果： (

2、1)求解堤壩坡腳線是堤壩計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的工程問(wèn)題，而這一問(wèn)題的求解一直采用傳統(tǒng)的圖解法。圖解法作圖繁瑣、費(fèi)時(shí)、不精確，不適合用計(jì)算機(jī)編程求解，從而限制了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的自動(dòng)化與集成化。為解決傳統(tǒng)圖解法所存在的問(wèn)題，提出堤壩坡腳線的數(shù)值解法，以地面數(shù)據(jù)和壩體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了數(shù)學(xué)模型，解決了判別交點(diǎn)真?zhèn)巍⑶蠼馄履_線上特殊點(diǎn)及其收斂等問(wèn)題。并按該文建立的堤壩坡腳線的數(shù)值解法，研究開發(fā)了相應(yīng)的求解系統(tǒng)及參數(shù)化二維圖形顯示系統(tǒng)

3、，可以實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)及求解結(jié)果的可視化。這種方法完全改變了傳統(tǒng)的圖解法手工作業(yè)的缺陷，為解決堤壩設(shè)計(jì)中坡腳線快速確定、壩型方案設(shè)計(jì)比較及施工放樣等問(wèn)題提供了一種簡(jiǎn)便易行的方法。此種方法對(duì)求解同類問(wèn)題普遍適用。 (2)針對(duì)大量中小型水利工程建設(shè)與施工的需要，提供一種新的堤壩三維模型構(gòu)建方法。將地形、壩體采取用點(diǎn)來(lái)描述的方法。指出地形地物數(shù)據(jù)的變換，就是點(diǎn)的變換。應(yīng)用標(biāo)高投影與透視投影，建立矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為透視數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，在點(diǎn)與點(diǎn)

4、之間建立拓?fù)潢P(guān)系后，采用壩體與地形相一致的三維透視數(shù)學(xué)模型，用面向?qū)ο蟮木幊膛c圖形動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，開發(fā)出堤壩三維透視圖可視化軟件。并以面板堆石壩為例，在壩體選型、方案比較上進(jìn)行了應(yīng)用研究，得出了相應(yīng)的圖形顯示效果。證實(shí)該方法在理論上是嚴(yán)密的，實(shí)用性強(qiáng)，可產(chǎn)生多種視角條件下的三維堤壩線劃透視圖。而且該方法具有繪圖速度快、經(jīng)濟(jì)、方便、快捷的特點(diǎn)，不需要其它商業(yè)軟件的支持，在普通微機(jī)上就能實(shí)現(xiàn)。對(duì)中小型水利工程設(shè)計(jì)、方案選擇、決策分析等經(jīng)濟(jì)適用

5、。 (3)結(jié)合大壩特殊地形，研究了重影點(diǎn)定位法和同高點(diǎn)隱顯(遠(yuǎn)近)判別法解決地物、地形透視圖消隱問(wèn)題。將確定隱藏線的工作轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定隱藏點(diǎn)的工作，將復(fù)雜的消隱問(wèn)題轉(zhuǎn)化為判斷空間點(diǎn)對(duì)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近距離問(wèn)題。并建立判別可見性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于山頭、山脊或隆起地貌的消隱，提供了同高點(diǎn)隱顯(遠(yuǎn)近)判別法，建立了同高點(diǎn)隱顯消隱的數(shù)學(xué)模型。給出了同高點(diǎn)隱顯消隱的判別式。 按該文建立的消隱方法，對(duì)土壩、面板堆石壩進(jìn)行了例證，用計(jì)算機(jī)生成了不

6、同方向、不同視角的堤壩三維線劃透視圖。該消隱模型理論正確，消隱原理簡(jiǎn)單、直觀、編程易于實(shí)現(xiàn)。與其他方法相比，避免了繁瑣計(jì)算等缺陷，加快了繪圖速度，提高了數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際工程建筑物消隱問(wèn)題的效率，為解決地形地物透視投影消隱提供了一種新的方法與手段的支持。 (4)研究了堤壩透視渲染圖的生成方法。解決了空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組織與管理問(wèn)題。提出按角優(yōu)選法建立地貌三角網(wǎng)，利用坐標(biāo)增量確定第一邊檢索范圍，利用傾角確定三角形起始邊的方向，并定義其左

7、右進(jìn)行第二邊檢索，具有計(jì)算工作量簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn)。研究了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成技術(shù)。建立了地形三角網(wǎng)類、壩體四邊形類和系統(tǒng)集成控制類的三大類共同完成系統(tǒng)的核心功能設(shè)計(jì)，解決了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成份復(fù)雜，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取要求高；三維模型的繪制模式較多，繪制函數(shù)程序編寫復(fù)雜；三維透視圖人機(jī)交互漫游和多角度觀察功能編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的困難。形象直觀地描述了堤壩設(shè)計(jì)效果，為中小型堤壩工程設(shè)計(jì)施工提供了新的表現(xiàn)方式和技術(shù)手段。 最后對(duì)全文作了總結(jié)，并對(duì)有待于進(jìn)一步研