摘 要

本文借助了OpenGL这一个工具，基于QT平台来进行程序设计。现如今，为了进行城市建设和地质开发，需要合理的地形模型配合显示来完工程上的进展。在目前的地下城市空间技术中，主要使用的是结构力学等学科技术，配合着现城市地下空间设计图等进行施工建设。而简单的平面图只能提供一个二维的参考的，表达效果仍不够理想，空间分析功能还不够强，对某些细节问题的分析还不能进行更加直观的操作。因此，需要更加直观立体的模型，更加直观的显示，来辅助工程的进展。

论文主要研究了如何使用OpenGL语言完成地质模型的生成和动态显示，采用了三角网生成法生成地质模型，结合OpenGL现有的函数完成场景渲染和三维动态显示，在完成这个设计的同时，还对比了现在已有的技术，选择了最适合的方法进行设计。

设计结果表明，现在有着多种方法去完成地质模型的动态显示。显示出模型后，更加直观立体，简单明了，还能进行一些动态显示操作，应该广泛，值得深入研究。

关键词：Qt；地形模拟；动态显示；OpenGL

Abstract

This paper uses OpenGL as a tool to design based on QT platform. Now, in order to carry out urban construction and geological development, we need a reasonable terrain model matching display to complete the progress of the project. In the present underground city space technology, the main use of the structure mechanics and other disciplines technology, combined with the present urban underground space design drawings and other construction . Plane map can only provide a two-dimensional reference, the expression effect is still not ideal, the spatial analysis function is not strong enough, and the analysis of some detailed problems can not be more intuitive operation. Therefore, a more intuitive and three-dimensional model is needed to show the progress of engineering more intuitively.

This paper mainly studies how to use the OpenGL language to complete the generation and dynamic display of the geological model, uses the triangulation net generation method to generate the geological model, combined with the existing functions of OpenGL to complete the scene rendering and three-dimensional dynamic display. At the same time, we have compared the existing technology and choose the most suitable technology. The method is designed.

The design results show that there are many ways to complete the dynamic display of geological models. After showing the model, it is more intuitive, three-dimensional, simple and clear, and can also perform some dynamic display operations. It should be extensive and worthy of further study.

Key Words：Qt, Terrain simulation,dynamic display, OpenGL

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 地质模型动态显示的含义 1

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 2

1.4 主要结构 3

第2章 地质模型生成 4

2.1地质模型生成技术综述 4

2.1.1栅格模型简介 4

2.1.2 TIN技术简介 4

2.1.3 空间插值技术 5

2.2 地质数据的处理 5

2.2.1 地质数据类型简介 5

2.2.2 随机生成数据 6

2.3 三角网格生成算法 9

2.3.1 生成算法简述 9

2.3.2 三角网生成算法实现 10

第3章 动态显示的实现 12

3.1 OpenGL概述 12

3.2 三维模型变换技术 13

3.3 总体实现框架与结果演示 17

第4章 总结和展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

随着人类社会的发展和人口的增加，对土地资源的需求越来越迫切。除了对未开发地区进行开发建设外，人们还需要对已有的城市空间进行再建设，充分利用地面以及地下空间，高效的安全地对城市进行建设，扩大人类利用的土地空间范围。在地下空间的利用方面，一般有地下管线、隧道、地铁、地下街、建筑地基基础、人防工程、地下室、地下停车场等地下空间对象^[1]。

在目前的地下城市空间技术中，主要使用的是结构力学等学科技术，配合着现城市地下空间设计图等进行施工建设。但是二维的设计图表达效果仍不够理想，空间分析功能还不够强，对某些细致问题的分析还不能进行更加直观的操作。此外在地下建设的过程中，若对地质分布不清楚，建设过程中会很容易发生事故，并且在后期维护监测上也没有便利的工具。已有的地下空间模型在表达具有三维连续性、不确定性较大的复杂地质对象时都存在各自的不足^[2]。并且建模过程中模型动态移动显示的自由度小，尚无有效的地质模型能够配合施工过程，因而，三维动态显示的地质模型技术有着很大的发展空间。

研究意义

本文所研究的是一个关于地质方面的三维的动态显示。就像平时接触的动图和动画能给我们直观的视觉欣赏，动态显示技术可以显示随时间连续变化的三维世界，可以应用于军事，医疗，交通，建设等方面，帮助人们直观立体观察事物。本次设计的基于Qt的地质数据三维动态显示，将地质模型和三维动态显示结合起来，采用特定方法建立地质模型后，根据施工进度实时动态显示三维的地质模型，便于人们立体观察，获得全面信息。在动态显示的过程中，可以跟据三维模型跟进施工进度，便于实时监测，解决隐患，能减轻工作人员的负担，提高劳动效率，最大限度的增加智能性、科学化的操作，提高施工质量和安全性。该项技术还可以推广在动态数据处理和显示，建立逼真，实时，动态的地质环境，进行数据采集和方案留存。现在建筑体存在复杂性，而地质特征也存在中复杂性和局限性，如果有这一项技术，可以辅助解决工程上的问题，将来是有着非常大的作用。总而言之，该设计应用性强，使用度高，拥有广泛的应用前景，结合跨平台的Qt平台，使得应用更加广泛，值得我深入研究开发。

1.2 研究现状

1.2.1 地质模型动态显示的含义

现如今，随着测绘技术，计算机技术的发展，我们可以轻易的使用工具绘制我们想要的二维平面图或者是三维立体模型。但是这只是把模型显示出来，我们工程上更希望把模型应用起来，于是就有了动态显示这个技术。动态显示可以有平移，缩放，旋转，从不同角度显示外部情况和内部细节，更加深入的如切片显示，显示更为细致的地质信息等。通过地质模型延伸出种种应用是该技术的关键。

1.2.2 国内外研究现状

一直以来，针对地形建模，有通过直接观察，测绘等方式取得地形数据，结合地质层面生成算法进行三维模型的绘制。城市地质模型，根据其分类不同，可分为地下管线，地下水空间和地下建筑等几种类型。对于不同的类型，已经有相应的模型可以提供参考。目前能够很好地建立三维地质模型的软件有 Go-CAD、MieroLynx、Micromine、MVS CTech、Vulean、Surpae等^[2]。这些软件在地质建模方面所采用的数据模型主要有基于体表示的三维栅格模型、线框模型、实体模型和基于面表示的不规则三角网模型等^[3]。但是根据这些软件所产生的模型其不确定性大，三维连续性不高且动态自由度小。在绘制模型方面，还有用航空影像(或卫星遥感影像)制作正射图像，以及利用等高线数据或自动影像匹配方法生成数字高程模型(DEM)的技术^[4]。因此又有运用OpenGL工具或者3DS Max 进行三维模型设计，取得了较好的效果。这两种方式各有利弊。3DS Max 建模效果明显，编辑灵活，而OpenGL工具开发代码简便，移植性强，用这一方法能实现模型的旋转、缩放，三维动态显示。利用 Open GL 双缓存及显示列表技术，可以基于某数据库的数据，制造出三维模型动态显示技术，可以使三维图形随数据库的数据的改变而动态显示^[5]。现在的研究，会根据具体要求选择适合的技术，因为其应用广泛，所以我们现在可以学习和选择的技术也是多种多样。

1.3 研究内容

本文主要研究根据地质数据进行建模，以及基于模型进行动态显示的技术。经过浏览文献进行学习，本文的研究内容如下：

1. 现如今的建模技术和对比。通过了解和对比，学习现在已经有的技术，了解技术的发展和优缺点，并且根据本次设计选择合适的技术。
2. 本次设计所采取的方法是三角网生成算法，学习该算法的原理和详细代码实现，使用它生成三维地形模型。
3. 关于三维动态显示的设计，主要学习OpenGL语言，通过该语言和函数进行设计优化，做出如旋转，平移等动态显示效果。

1.4 主要结构

本文的主要结构如下：

1. 绪论中阐明研究内容和研究意义，并且概括叙述国内外研究现状，为下文研究方法的叙述做铺垫。
2. 主要写了本次设计的核心算法，具体说明了选择过程和实现方法。
3. 叙述了整个设计实现流程，在选择了方法之后，建立框架，初始化，继而完成显示的这个过程，以及实现结果。

第四章是结语部分，讲述了本次设计的完成情况和不足。

地质模型生成

关于本次地形模型的三维动态显示，首先要有地质模型。针对地质模型的生成技术，比如地质模型的类型以及生成方法的选择，都是生成地质模型的关键，在下文中，将详细的进行介绍和实现方案。

2.1地质模型生成技术综述

之前有提到过平面绘制的地质模型，通过人们手工实现，我们甚至可以画出视觉上看起来立体的模型。但是，随着技术的发展，我们可以使用计算机这个平台，通过使用相关软件，将已知的与地质相关的数据，统计，属性等结合起来，去生成三维地质地形模型。在这些模型中，可以分为表面模型和实体模型^[6]。表面模型反映了地质体的表面，如使用颜色，纹理显示地表属性。实体模型必须插入空间属性，构成实体模型。建立这两种模型对地质分析，空间分析有着更为直观的体验。以下是对生成方法的简述。

2.1.1栅格模型简介

栅格模型即Grid模型。Gird是由许多连续且相同的正方形组成的组合面。这是一个空间上的模型，对于四边形所具有的四个顶点，它们不一定共面的，因此所构成的图形是可以扭曲的。通过简单的数据构造光滑的曲面，因此，该模型也能够创造视觉观看平滑的三维体。通过四边形构造组合，使之成为曲面，有两种形式：其一，简单地通过链接形式形成曲面，但是整体看来不够光滑；其二，通过一些平滑处理技术，对数据进行处理，使之显示出连续平缓的曲面。一般有选择配合相应的空间插值技术使曲面变得更加完美。

2.1.2 TIN技术简介

TIN(Triangulated Irregular Network)，不规则三角网的缩写，有着广泛应用，常用于地形模型的设计，进行数字地形建模。通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面^[7]。杂乱的数据点集进行三角剖分，使这些分散的点形成连续但不重叠的不规则三角面片，并以此来描述地形的表面^[8]。在设计中，如果使用这种方法，需要考虑内存问题，各个三角形之间，边与边之间的关系，以及效率问题。然而它拥有一些其他模型没有的优点：它能以不一样的精度来描述地形表面。与规则格网相比，它能减少数据冗余，使用更少的空间，拥有更高的效率来表示模型。在使用该技术时，要注意尽量接近正三角形，能保证最近的点形成三角形，确保三角形网是唯一的。为了满足这些要求，以此又延伸出一些规则，在下文中有提到。三角网模型有着多种应用，可以满足地质研究中绘图的基本需求，同时也可以完成地下空间三维模型。在学习到的多种案例中，不少案例是涉及到了这种方法。

2.1.3 空间插值技术

在我们获得数据时，这些数据可以是离散的，也可以是连续的。我们可以通过空间插值，在已经知道的数据中归纳相应的关系，进行插值，但是这些插值要满足我们之前找到的关系，要让这些数据尽可能吻合。接着再把这些数据插入相应的点集，即进行分区，再结合之前选中的模型，进行显示，这样能让显示出的模型更加精致。但是在使用插值法的时候要注意误差，因为毕竟是使用了新的数据，而且这个数据是我们估计的，并不是实际数据，所有我们需要提高一下精度。关于精度问题，就涉及到了各种方法的选择，不同的插值方法会产生不同的效果。具体的插值方法有线性插值、相似变形插值、克里金插值等，另外还有一些网格插值方法如最近距离法等^[9]。空间内插一般有以下几个过程：首先选择内插方法，其次是空间数据分析，包括对数据的均值、方差、独立性等进行估计，然后不断进行内插方法评价，重新选择内插方法，直到合理之后，进行内插^[10]。

2.2 地质数据的处理

2.2.1 地质数据类型简介

经过前面对地质模型的简述，我们知道要生成地质模型，除了选对模型的生成方法，还要进行数据的处理。一般来说地质数据是经过实际测量出来，采用特定的方式存储。根据技术近50年的发展，数据格式也变得多种样。具体有矢量数据，该种类型只能存储点线面的其中一种类型。另有影像数据格式，数据格式多种多样，有针对图片类型的，譬如JPEG和PNG，高位彩色图像格式。用于图像处理，页面排版，扫描、传真、文字处理、光学字符识别和其它一些应用等都支持这种格式。还有一种地形数据格式为网格数据，其中有一种Grd形式的数据，是通过提取高程数据得来的。如下图2.1的数据示例，在这个示例中DSAA是Surface的标准；8和11代表X轴方向，Y轴方向的采样点数；数据102.6605598899和102.7420948899代表X轴上最小和最大值；数据25.0562111272 25.1499849210代表Y方向的最小值和最大值；1891.8906134325 和2239.4623230170代表范围内的最小高程值和最大高程值。

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