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【摘 要】在信息化不断发展的时代，平面图越来越不能满足我们的要求，二位格式的图件变得越来越力不从心，这就要求我们用三维建模，三维建模有助于我们直观清楚的了解事物的信息。在隧道施工领域，隧道的设计和施工很容易受到地质构造，地质环境，水等周围环境的影响。隧道的建模工作有助于施工人员直观的了解隧道以及其周围地质环境的细节情况，起到很重要的作用，同时对隧道的设计也有指导作用。
【关键词】地下隧道；模型；工程
【中图分类号】U452 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）08-0146-02
三维建模在隧道的设计以及施工当中占有很重要的地位，也是这个领域很热门的课题，很多专家在建模方面做了行之有效的工作，建立了各种各样的三维模型，隧道模型和地层三维模型都是众多的三维模型之一，然而由于其采用的数学建模方法却不相同，很难做到两者的有机结合[1]。在隧道施工过程当中，各种勘察设计和地质勘测数据是很重要的数据资料，对他们进行有效的管理具有重大的社会效益的经济效益，同时，也有利于效率的提高和资源的共享。在现在的技术条件下，复杂的地质环境不断变化的外界环境使得很多信息不能直观的表达出来，因此现在的隧道施工主要依靠实地采集数据和地质人员的经验。隧道工程建设下环境的透明化可以有效的指导隧道工程的设计和施工。通过建立隧道的三维模型，有利于工作人员直观的了解隧道附近的地质情况，提高效率。我们设想将隧道模型和地质模型充分结合起来实现信息共享，以Nurbs（非均匀有理B样条）[2-3]为理论基础进行建模。
1.理论基础
一般建模方法是从低维到高维，人的思维的发展过程也服从这个规律，目前将所要研究的对象在计算机中能直观、真实、清晰的表达出来是21世纪研究的热点。今年来各个领域的研究人员都在不断的研究、实践、和创新，三维建模理论也越来越多，同时与之相对应的建模理论也层出不穷，本章基于面元、体元、混合元的三类数据建模，其次采用空间插值的方法和理论[4-5]，对隧道和地质的数据进行分析，选择合适的建模方法和方式。
建模过程当中有一个重要的环节就是空间插值，它是我们进行计算的前提。在实际的施工过程当中，地质人员采集到的数据很难直接用于曲面拟合，大部分情况下均是通过各种插值方式计算出其周围所需点的数值。最后隧道的实体就可以通过采集的点的数据和推算出来的数据进行描述，在拟合的过程中，拟合的曲面要尽量通过我们采集的点，这样才能准确的描述实体。插值结果的好坏和插值结果能否正确描述实体的特点的程度密切相关，这是一个很重要的标准。我们知道各种插值方法都是其在各自的领域时间的结果，都有一定的地域特点，都有一定的约束条件，在不同的领域插值方法也不同。
从80 年代以来，很多人加入了研究三维建模理论的研究，三维数学模型的提出，相应的建模方法也不断出现。基于剖面数据、多元数据和钻孔数据是地质建模的重要来源，钻孔数据模型建立利用高层分层，然后利用空间插值方法进行插值，最后用曲面拟合方法进行拟合，基于剖面数据建立模型是对原始勘察资料进行整理，然后做预处理，最后采用体元建模方法进行建模，点、线、面、体等元素几乎包含了三维建模的所有特性。构成了三维模型的基元。本文介绍了两种建模方法分别是似三棱柱的建模方法以及基于Nurbs的建模方法。
2.三维建模方法选择
隧道与地层一体化建模目标体现在当获取的数据建模数据很少时，以底层为例，对已经获得的数据点进行插值，然后采用基于Nurbs理论的建模方法进行地层的三维建模，设计人员和施工人员就能利用此模型准确的预测或者推断位置区域的信息，就可以达到节约成本的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一体化三维模型的建立与现有的勘察设计工作可以起到相辅相成的作用，还可以减少地址勘察设计人员的工作量，利用模型实时反馈的信息，发现工作中的缺点。还可以直观、清晰的了解隧道及其周围地质的变化情况。
3.基于Nurbs的隧道地质模型构建
地层地质的三维模型构建是隧道与地层一体化三维建模的重要组成部分，建模过程大致可以分为以下几个步骤：首先进行钻孔获得每个地层的采样点的数据，然后采用克里金插值方法进行插值得到个地层的型值点;之后根据型值点进行参数化计算，根据节点矢量和地层曲面的型值点，求取曲面的奇函数矩阵，可以反算出地层曲面的控制点，最后，利用软件命令显示出地层曲面。
4.基于Nurbs的隧道三维模型构建
隧道主体主要由，隧道底面、中心线、顶面和左右侧面组成[6]。在上文已经从CAD图件中获得了隧道中心线的各点的数据，然后提出了更能准确测算隧道中心线的方法，然后根据隧道型值点的隧道的轮廓信息数据[7]，计算出隧道其他各个曲面的型值点，采用和拟合地层相同的方法拟合隧道体的曲面，最后拼接和隧道体相接处的地质层，然后实现了较好的效果，实现了基于Nurbs的隧道体三维模型构建。
5.隧道与地层一体化三维建模
隧道与底层一体化三维建模的实质是为在实际的运用当中，能够清晰，直观的反应隧道和地质层的各种信息，利用不同曲面的求交的方法和使用范围，采用分割法，将Nurbs曲面转化为Bezier曲面进行求交计算，顺利的解决了Nurbs曲面求交数值计算的困难，根据我们求出的底层交线，确定隧道曲线的纹理贴图，实现隧道与地层一体化三维建模。
6.总结
由此，我们实现了基于Nurbs的隧道和地层三维模型构建，实现了对钻孔数据的数据点的采集，而且还拟合了地层曲面和隧道面的接触，最后对地层采样点进行加密，采用基于Nurbs的曲面拟合方法实现地层特性的模拟，在隧道三维建模方面，实现了对隧道中心线数据的灵活选取，最后对隧道和地质层的连接处进行拟合，拼接隧道体相邻曲面。实现基于Nurbs的隧道体三维模型构建。此方法也较好地解决了Nurbs地层曲面和Nurbs隧道曲面的相交问题。
7.展望
虽然我们利用此方法已经获得了比较好的结果，将隧道模型和地层模型很好的联系起来了，实现了隧道三维建模和地层三维建模的有机结合，但是在实际的施工和设计当中情况相当复杂，我们不可能对实际情况进行相当好的模拟，比如：我们没有考虑复杂的地质环境，如褶皱，断层，等，地质层中的水的含量都会在实际的施工过程当中产生影响，还要考虑如何根据实际情况的不断变化，对现有模型进行不断的修改，以使模型更加接近实际情况，如何利用Nurbs实现比较复杂的隧道体的建模也是一个值得探讨的方向，总之，这方面还有比较大的提升空间。
参考文献
[1]栾悉道,应龙,谢毓湘,等.三维建模技术研究进展[J]. 计算机科学,2008,35(2):208-210.
[2]马清利,季民.基于三维GIS空间数据模型集成的概念框架研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2006,27(1):325-330.
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李德仁.地理信息系统导论[M].测绘出版社,1993.
吕希奎,周小平,张学军,等.基于参数化技术的隧道三维建模方法[J].图学学报,2011,32(2):26-30.
曹代勇,李青元,朱小弟,等.地质构造三维可视化模型探讨[J]. 地质与勘探,2001,37(4):60-62.
李建华,边馥苓.工程地质三维空间建模技术及其应用研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2003, 28(1):25-30.
论文作者:史伟,郑修文
论文发表刊物:《建筑知识》2017年8期
论文发表时间:2017/6/21
标签：隧道论文; 建模论文; 地层论文; 曲面论文; 模型论文; 地质论文; 方法论文; 《建筑知识》2017年8期论文;