三维露天采坑数据建模方法研究与实现

摘要

目前，科学计算可视化技术是图形学的一个热点研究方向。随着三维地理信息系统(3D GIS)的发展，三维数据建模作为科学计算可视化的核心和关键功能之一广泛地应用于自然科学和工程项目的各个领域。在地质采矿方面，三维数据建模广泛应用于数字高程地表建模、矿体表面建模，以及三维露天采坑建模等领域。在分析了各种数据模型特点的基础上，本文主要围绕两个问题进行了研究：一是三维采坑数据建模算法，包括交互式建立线框模型和基于线框模型生成实体模型；二是基于TIN的三维实体布尔运算算法研究。
　　 在三维数据建模算法方面，提出了在三维虚拟环境下交互式进行的三维线框模型的生成算法以及快速、稳定的三维实体建模算法。线框模型建模算法通过平面参数化方法将三维采坑线投影到二维空间，利用任意多边形缩放算法并结合参数控制，可以实时地生成三维采坑的线框模型，而且地质研究人员可以在三维可视环境下，进行参数化的设置，浏览三维建模的效果，并实时进行参数修正，达到最佳设计效果。在实体建模方面，同样采用平面参数化的方法，将三维线框数据投影到二维空间，然后利用本文新提出的最小搜索圆约束Delaunay三角剖分算法实现快速建模，快速生成三维实体模型。
　　 在基于TIN的三维实体布尔运算方面，提出了一种改进的快速、稳定的布尔运算算法。改进算法首先结合层次包围盒算法，利用复合OBBTree实现快速检测相交三角形，并求取交线，避免了大量不必要的求交运算；然后详细分析了三维布尔运算中由于精度产生计算误差的原因，采用改进的空间三角形求交算法求解离散空间交线段，并对单个三角形重新进行三角剖分；最后通过建立交线段与相交三角形间的拓扑关系对交线快速跟踪提取，通过局部区域快速分类组合，实现三角网格模型的稳定布尔运算。算法能有效地处理各种特殊情况，并巧妙地处理了三角面片共面的求交情况。算法不仅能够快速处理封闭实体间的布尔运算，而且还能够处理封闭实体与开放实体间的布尔运算。
　　 结合具体项目实现了论文中算法，在实验和实践中都取得了较为满意的效果，所开发的软件能有效地处理各种特殊情况，且运行快速、稳定。