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堤坝透视投影及图形可视化研究

王子茹  
【摘要】:堤坝透视投影及图形可视化研究是数字水利,实现水利工程设计现代化的重要课题。它关系到水资源的合理开发利用、防灾减灾及工程建成后的实时管理。本文针对众多中小型堤坝设计施工中存在的堤坝坡脚线和基坑开挖线的快速准确的确定、堤坝平面图可视化辅助设计、堤坝三维透视图全景显示等迫切需要解决的问题,从数值计算、透视投影的新视角开展了研究,建立了相对比较完整、简单易用的堤坝透视投影及图形可视化方法,主要研究内容和研究成果如下: (1) 求解堤坝坡脚线是堤坝计算机辅助设计中一个十分重要的工程问题,而这一问题的求解一直采用传统的图解法。图解法作图繁琐、费时、不精确,不适合用计算机编程求解,从而限制了计算机辅助设计的自动化与集成化。为解决传统图解法所存在的问题,提出堤坝坡脚线的数值解法,以地面数据和坝体设计数据为基础,建立了数学模型,解决了判别交点真伪、求解坡脚线上特殊点及其收敛等问题。并按本文建立的堤坝坡脚线的数值解法,研究开发了相应的求解系统及参数化二维图形显示系统,可以实现交互式设计及求解结果的可视化。这种方法完全改变了传统的图解法手工作业的缺陷,为解决堤坝设计中坡脚线快速确定、坝型方案设计比较及施工放样等问题提供了一种简便易行的方法。此种方法对求解同类问题普遍适用。 (2) 针对大量中小型水利工程建设与施工的需要,提供一种新的堤坝三维模型构建方法。将地形、坝体采取用点来描述的方法。指出地形地物数据的变换,就是点的变换。应用标高投影与透视投影,建立矢量数据转换为透视数据的数学模型,在点与点之间建立拓扑关系后,采用坝体与地形相一致的三维透视数学模型,用面向对象的编程与图形动态显示技术,开发出堤坝三维透视图可视化软件。并以面板堆石坝为例,在坝体选型、方案比较上进行了应用研究,得出了相应的图形显示效果。证实该方法在理论上是严密的,实用性强,可产生多种视角条件下的三维堤坝线划透视图。而且该方法具有绘图速度快、经济、方便、快捷的特点,不需要其它商业软件的支持,在普通微机上就能实现。对中小型水利工程设计、方案选择、决策分析等经济适用。 (3) 结合大坝特殊地形,研究了重影点定位法和同高点隐显(远近)判别法解决地物、地形透视图消隐问题。将确定隐藏线的工作转变为确定隐藏点的工作,将复杂的消隐问题转化为判断空间点对视点的远近距离问题。并建立判别可见性的数学表达式。对于山头、山脊或隆起地貌的消隐,提供了同高点隐显(远近)判别法,建立了同高点隐显消隐的数学模型。给出了同高点隐显消隐的判别式。 按本文建立的消隐方法,对土坝、面板堆石坝进行了例证,用计算机生成了不同


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