技术领域
[0001] 本
发明涉及三维可视化领域和数值模拟领域，更具体地说，涉及一种三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法与系统(监视点替代法)，主要应用于工程地质、灾害分析、物理模拟、工程建设、建筑设计、交通设计与施工等领域。
背景技术
[0002] 三维可视化技术：三维可视化技术是通过三维模型直观表达、理解目标物体的数字化技术，是物理实体的数字化映射。
三维建模的一般过程包括：(1)获取研究对象或研究区域的各个层面的控制数据，如地表测绘数据、钻探获得的地下各个
地层的上限和下限数据等；(2)利用各个层面的控制数据模拟研究对象各个分界曲面，如地层曲面、构造面等，得到研究对象的每个单元体的边界面，如各个地层单元的上下、左右和前后分界面，其中上、下两个面一般用曲面表达，左、右、前、后四个面一般用竖直的平面表达；(3)依据各个单元的边界曲面建立研究对象的每个实体单元，可采用多种三维数据结构进行实体单元的构建，如三棱柱结构、四面体结构、八叉树结构、B-Rep结构、两种基本结构的混合结构等等；(4)各个单元实体的组合就是研究对象的实体三维模型。可以在三维模型上进行多种属性分析或空间分析，如工程开挖的工程量分析、滑坡等地质灾害的空间形态模拟等。
[0003] 数值模拟技术：数值模拟技术是一种对研究对象的发展趋势进行动态模拟的技术，在工程建设、物理模拟、灾害分析等领域应用广泛。进行数据模拟分析，一般会把研究对象划分成一系列的网格，通过网格间物理
力学参数的计算与传递计算，获得各个网格单元的运动趋势。如离散单元法，非连续
变形分析(DDA)方法、有限差分法等等。
[0004] 三维可视化技术关注三维空间实体的构建、表达与属性-空间分析，但是三维模型的建立过程，是一个多次判断、多次处理的复杂而耗时的过程，在这个过程中，需要多次进行
人机交互操作，而且，三维模型的各个实体单元之间联系密切，哪怕是一个单元的一个边界面上的一个控制点发生变化，对应的边界面、对应的实体单元、临近的一个或数个实体单元都要发生变化。这意味着甚至整个三维模型都要重建。因而，基于三维可视化技术对地质过程进行动态模拟面临严重的挑战。而数值模拟技术关注物理力学参数的计算、网格间参数的传递及过程的发展趋势模拟，但是在精细刻画三维实体以及属性-空间分析方面功能欠缺。两者具有很强的互补性。但是到目前为止，两者的有机结合还没有成功的先例。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题在于，针对
现有技术中数值模拟技术还没有与三维可视化技术有机融合的技术
缺陷，提供了一种三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法与系统。
[0006] 根据本发明的其中一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法，包括如下步骤：
[0007] S1、在三维建模过程中获得研究对象每个实体单元的每个边界面及边界面上的控制点坐标；
[0008] S2、以每个实体单元的边界面为边界，在数值模拟
软件中进行
块体及网格剖分，并把每个边界面上的控制点设为监视点；
[0009] S3、通过数值模拟技术进行研究对象的发展趋势模拟；
[0010] S4、根据模拟结果，得到监视点在不同时步时的新的
位置坐标，即得到控制点在未来不同时刻的新的位置坐标；
[0011] S5、根据所述新的位置坐标建立未来时刻的三维实
体模型。
[0012] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法中，所述步骤S5具体为：
[0013] 依据各个边界面上的控制点在未来不同时刻的坐标集，通过三维可视化中散点成面的方法，建立研究对象在未来不同时刻的三维模型。
[0014] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法中，还包括步骤：通过获得的未来时刻各个控制点的三维坐标和未来时刻研究对象的三维模型，以未来某个时间点的三维模型为初始条件，计算未来另一时间
节点的变化参数和进行发展趋势分析。
[0015] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法中，所述步骤S5中建立三维模型具体为：得到研究对象在某个时间点的瞬态三维模型和/或在所述瞬态三维模型上基于三维可视化技术的属性-空间分析功能进行关键时间节点分析。
[0016] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法中，所述步骤S5中建立三维模型具体为：基于步骤S4得到的未来时刻各个监视点的三维坐标，得到未来任意时刻瞬间的真三维静态实体模型。
[0017] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法中，所述步骤S5还包括步骤：通过未来不同瞬间的三维模型来实现研究对象的三维动态逼真模拟。
[0018] 根据本发明的另一方面，本发明解决其技术问题，还提供一种三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统，包括如下模块：
[0019] 控制点获取模块，用于在三维建模过程中获得研究对象每个实体单元的每个边界面及每个边界面的控制点；
[0020] 实体单元处理模块，用于以每个实体单元的边界面为边界，在数值模拟软件中进行块体及网格剖分，并把每个边界面上的控制点设为监视点；
[0021] 发展趋势模拟模块，用于通过数值模拟技术进行研究对象的发展趋势模拟；
[0022] 坐标获取模块，用于根据模拟结果，得到监视点在不同时步时的新的位置坐标，即得到控制点在未来不同时刻的新的位置坐标；
[0023] 模型建立模块，用于根据所述新的位置坐标建立未来时刻的三维实体模型。
[0024] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统中，所述模型建立模块具体为用于：
[0025] 依据各个边界面上的控制点在未来不同时刻的坐标集，通过三维可视化中散点成面的方法，建立研究对象在未来不同时刻的三维模型。
[0026] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统中，所述模型建立模块中建立三维模型具体为：得到研究对象在某个时间点的瞬态三维模型和/或在所述瞬态三维模型上基于三维可视化技术的属性-空间分析功能进行关键时间节点分析。
[0027] 优选地，在本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统中，所述模型建立模块中建立三维模型具体为：基于坐标获取模块得到的未来时刻各个监视点的三维坐标，得到未来任意时刻瞬间的真三维静态实体模型。
[0028] 本发明通过研究并确定三维模型上各个实体单元的各个边界面上控制点的三维坐标，把得到的这些控制点坐标在数值模拟过程中设为监视点，使得三维可视化的控制点与数值模拟的监视点一一对应起来，用监视点代替实体单元的边界控制点，实现了三维可视化与数值模拟的网格对接，使两者可以有效融合：在三维建模过程中获得研究对象每个实体单元的每个边界面及边界面上的控制点，以每个实体单元的边界面为边界，在数值模拟软件中进行块体及网格剖分，并把每个边界面上的控制点设为监视点，得到这些控制点与数值模拟监视点的一一对应关系，通过数值模拟技术及模拟结果，得到这些控制点在未来不同时刻的新的位置坐标。依据各个边界面上的控制点在未来不同时刻的坐标集，通过三维可视化中散点成面的方法，建立研究对象在未来不同时刻的三维模型。由于可以建立未来不同时刻的研究对象的三维模型，因而既可以得到研究对象在某个关键时间点的瞬态三维模型，也可以在此瞬态模型上基于三维可视化技术丰富的属性-空间分析功能进行关键时间节点分析。进而可以通过未来不同瞬间的三维模型来实现研究对象的三维动态逼真模拟。
[0029] 本发明通过研究对象各个实体单元的各个边界面上的控制点与数值模拟的监视点之间的一一对应关系，用监视点代替边界控制点的方法得到这些控制点在未来不同时刻的新的位置坐标，实现了三维可视化与数值模拟的网格对接，使两者可以有效地融合起来，并得到研究对象在未来不同时刻的三维模型，为研究对象的过程模拟提供更好的技术支持。
附图说明
[0030] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0031] 图1(a)是三维可视化的地层结构及边界面上的控制点示意图；图1(b)是图1(a)数值模拟划分的块体及网格示意图；
[0032] 图2是本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法的一优选实施例的
流程图；
[0033] 图3是本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法的另一实施例的流程图；
[0034] 图4是本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统的模块组成图。
具体实施方式
[0035] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0036] 下面以某个滑坡为例进行说明。为便于说明，以图1中的二维示意图代替三维进行说明，数值模拟软件以Flac 3d软件为例。其他软件的处理方法类似。
[0037] 同时参考图2，本实施例的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法首先基于三维可视化软件建立滑坡各个地质单元的边界曲面，获得各个边界曲面及边界曲面上各个控制点的坐标：图1(a)中有三个地层，地层I为粘土，II为碎石土，III是基岩。S为滑坡的滑面，位于基岩顶面。ZK1、ZK2等是钻孔。在三维可视化软件中建立地表、地层I、II的底面曲面，滑面与地层II的底面是同一个曲面。建立的数据依据包括地表测绘数据、钻探数据、地质剖面数据等，建面的方法是散点成面法。如ZK1S、ZK2S等钻孔与滑面S的交点和PMS1、PMS2等剖面PM与滑面S交线上的控制点共同构成了滑面S上的控制点，依据这些控制点(空间散点)，通过不规则三
角网方法或Grid格网方法或GOCAD中的DSI方法等等，都可完成滑面S的构建。在滑面S上标注ZK1S等钻孔控制点和PMS1等剖面上的控制点。并记录每个控制点坐标。其他面的构建方法类似。如图1(a)中的圆点和三角点。
[0038] 其次，调用Flac 3d软件进行数值模拟：由于Flac 3d软件不能直接接收三维可视化格式的数据，我们通过Ansys或其他软件中转一下，具体过程包括①三维可视化软件的曲面文件以通用的ACIS格式.sat存储，这种格式很多软件都可以打开，如Auto CAD、Rhino、Catia、Ansys等等；②把.sat文件导入到Ansys中；③利用Ansys-Flac
接口程序导入到Flac 3d中，进行块体及网格的划分，并准备计算。如图1(b)所示：地层I、II、III把研究对象划分为三个块体。块体划分好后，需要对每个块体进行网格剖分，一般会依据研究的关注点对不同块体进行疏密不同的网格剖分，如滑面附近的网格剖分较密。
[0039] 然后确定计算前各个控制点对应监视点的编号和坐标：计算之前依据前面记录的各个钻孔控制点(ZK1S点等)和剖面控制点(PMS1点等)的坐标，把图1(b)中地表、地层I底面和滑面上的各个控制点设为监视点，使控制点与监视点一一对应起来。这样可以获得每个曲面上每个散点(即每个曲面的控制点，包括钻孔控制点和剖面控制点等)的坐标及对应监视点编号。如滑面上的ZK1S点、ZK2S点......等和PMS1点、PMS2点......等的监视点编号及坐标。这种用数值模拟的监视点来代替三维可视化曲面上各个控制点的方法，本发明称其为监视点代替法。
[0040] 再确定不同时步各个监视点的新的坐标：在Flac 3d计算过程中，设置记录监视点新坐标的时步间隔，进行计算。可以得到不同时步时散点对应监视点的新坐标，即可以获得不同时步时钻孔控制点和剖面控制点的新的位置坐标；
[0041] 再建立不同时步时的新曲面：这些控制点在不同时步时的新坐标就是三维可视化系统建立不同时步新模型的建面散点。把不同时步的散点坐标导入到三维可视化软件中，就可以建立不同时步时的三维模型，即得到未来不同时间瞬间的三维模型。
[0042] 从而完成三维可视化技术与数值模拟技术的融合。
[0043] 参考图3，其为本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现方法的另一实施例的流程图。本实施与上述实施例的不同之处在于，在建立了不同时刻的三维模型后，可以以已经建立的某个时刻的三维模型为初始条件，采用相同的方法，计算未来另一时间节点的变化参数，从而对某个关键节点的参数与模型进行多次交叉验证。即步骤S1-步骤S5可以循环进行，直至得到理想的结果。
[0044] 参考图4，其为本发明的三维可视化技术与数值模拟技术融合的实现系统的模块组成图，该系统包括顺次连接的控制点获取模块11、实体单元处理模块12、发展趋势模拟模块13、坐标获取模块14以及模型建立模块15。控制点获取模块11用于在三维建模过程中获得研究对象每个实体单元的每个边界面及每个边界面的控制点；实体单元处理模块12用于以每个实体单元的边界面为边界，在数值模拟软件中进行块体及网格剖分，并把每个边界面上的控制点设为监视点；发展趋势模拟模块13用于通过数值模拟技术进行研究对象的发展趋势模拟；坐标获取模块14用于根据模拟结果，得到监视点在不同时步时的新的位置坐标，即得到控制点在未来不同时刻的新的位置坐标；模型建立模块15用于根据所述新的位置坐标建立未来时刻的三维实体模型。
[0045] 在本实施例中，模型建立模块15具体为用于：依据各个边界面上的控制点在未来不同时刻的坐标集，通过三维可视化中散点成面的方法，建立研究对象在未来不同时刻的三维模型。模型建立模块15中建立三维模型具体为：得到研究对象在某个时间点的瞬态三维模型和/或在所述瞬态三维模型上基于三维可视化技术的属性-空间分析功能进行关键时间节点分析。模型建立模块15中建立三维模型具体为：基于坐标获取模块14得到的未来时刻各个监视点的三维坐标，得到未来任意时刻瞬间的真三维静态实体模型。
[0046] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
