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三維仿真范文第1篇

【關(guān)鍵詞】3D；sound

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來十分活躍的研究領(lǐng)域之一，是一系列高新技術(shù)的匯集，這些技術(shù)包括計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及高度并行的實時計算技術(shù)，還包括人的行為學(xué)研究等多項關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事、航天、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。為了讓用戶產(chǎn)生更加強烈的沉浸感，在生成’-圖形的同時，還可以提供逼真的’-聲音效果。作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中必須的部分，虛擬聲音系統(tǒng)的研究也受到了極大的重視。DirectSound 3D是微軟公司所推出的，它利用聲音大小的比例調(diào)整多卜勒效應(yīng)，來達到以軟件來模擬3D音效的效果，創(chuàng)立了在三維空間定位音效文件的標準方式。任何應(yīng)用程序透過它和支持DirectSound 3D的聲卡，便可以獲得所需的效果。由于這是許多聲卡廠商與微軟共同制定的，現(xiàn)在大部分的聲卡都支持這項技術(shù)。本文利用Directsound 3D技術(shù)實現(xiàn)虛擬環(huán)境實現(xiàn)聲音效果。

1.仿真原理

Directsound 3D是通過軟件模擬來實現(xiàn)3D音效的，所以要先講一下Dsound 的3D模擬空間。這個空間類似現(xiàn)實空間，可以用笛卡兒坐標系來描述Dsound 的3D空間，有x，y，z三個坐標軸坐標軸。

在這個模擬空間中Dsound提供了模擬的聲源對象和傾聽者對象（listener），聲源和聽者的關(guān)系可以通過三個變量來描述：在三維空間的位置，以及運動的速度，以及運動方向。

位置即聲源和聽者在三維空間的所在位置，隨著兩者的相對位置不同，則聽者便會聽到不同的聲音效果。

速度為聲源和聽者在三維空間中的移動速度，此項特性同樣會改變兩者在空間的坐標，以產(chǎn)生不同的聲音效果。

聲源和聽者相對運動的方向也會影響聽者聽到的聲音效果，因為聲音是具有方向性的。這個下面會談到。

知道了3D聲源以及3D環(huán)境中的聽者，那么怎么產(chǎn)生3D音效呢？一般來說，在產(chǎn)生3D音效的時候，主要有下面的幾種情況，一是聲源不動，而聽者在模擬的3D空間進行運動，二是聽者不動，讓聲源在模擬的3D空間進行運動，三是聽者和聲音同時在運動。如下圖1、2所示。

Directsound給我們提供了聽者和聲源對象的接口，我們可以通過上面提到的三種方式設(shè)置改變聲源或者聽者的位置，運動速度和方向就可以形成3D音效了在3D環(huán)境中，我們通IDirectSound3DBuffer8接口來表述聲源，這個接口只有創(chuàng)建時設(shè)置DSBCAPS_CTRL3D標志的Directsound buffer才支持這個接口，這個接口提供的一些函數(shù)用來設(shè)置和獲取聲源的一些屬性。在一個虛擬的3D環(huán)境中，我們可以通過主緩沖區(qū)來獲取IDirectSound3DListener8接口，通過這個接口我們可以控制著聲學(xué)環(huán)境中的多數(shù)參數(shù)，比如多普勒變換的數(shù)量，音量衰減的比率。

2.設(shè)計方案

3.仿真結(jié)果

根據(jù)上述介紹的方法， 采用D irectSound維聲音程序初始界面具， 在V isual C+ + 6.0 中實現(xiàn)了程序的具體實現(xiàn)。通過下拉菜單可以測試三維聲音在不同角度的效果。這樣就可以利用D irectSound 技術(shù)， 通過VC6. 0 編程對三維聲音進行了實時仿真， 程序較好地實現(xiàn)了聲音的三維效果。

參考文獻

[1]B radley Bargen，Peter Donnelly Inside D irectX[M].北京：北京希望電子出版社，1999.

[2]何正偉，楊宏軍，花傳杰.實時三維聲音仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用研究，2002，19（1）：23225.

三維仿真范文第2篇

關(guān)鍵詞：三維仿真 城市規(guī)劃 城市仿真技術(shù)

中圖分類號：TU98 文獻標識碼： A

前言

隨著三維建模與可視化技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是隨著虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality—VR)技術(shù)研究的不斷深入開展，當(dāng)前技術(shù)水平已能通過計算機整合圖像、聲音、動畫等將三維現(xiàn)實環(huán)境、物體等模擬成二維形式表現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實，再由數(shù)字傳媒通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生猶如身臨其境的交互式視景仿真，并可選擇任何一個角度，觀看任何一個范圍內(nèi)的虛擬現(xiàn)實場景。正是由于對身臨其境的真實感和對超越現(xiàn)實的虛擬性追求，以及個人能夠沉浸其中，超越其上進出自如交互作用的多維信息系統(tǒng)的出現(xiàn)，進一步推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用與發(fā)展。

三維仿真技術(shù)的概述

三維仿真技術(shù)是利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學(xué)實驗的技術(shù)，以模擬的方式為使用者創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真環(huán)境中，獲得一種身臨其境的感受。例如《重慶市三維數(shù)字規(guī)劃管理系統(tǒng)》，利用地理信息系統(tǒng)、三維空間建模、遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)，以數(shù)字地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)以及三維城市要素模型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在三維虛擬空間內(nèi)實現(xiàn)局部的規(guī)劃和建筑設(shè)計方案與區(qū)域景觀的實時、多方案綜合分析與決策。

二、基本概念和意義

城市三維仿真是城市空間信息在計算機環(huán)境中的三維直觀表達，是數(shù)字城市概念城市規(guī)劃、建設(shè)、管理領(lǐng)域的延伸，同時也是數(shù)字城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。城市三維仿真技術(shù)在規(guī)劃中的應(yīng)用前景主要有以下幾個方面：

2.1 實現(xiàn)城市規(guī)劃精細化管理

實現(xiàn)從總規(guī)-控規(guī)-修規(guī)以及從項目的初步方案-正式方案-工程許可的全面三維數(shù)字化控制目標，在以往基于控規(guī)的規(guī)劃電子政務(wù)管理平臺的基礎(chǔ)上進一步細化、深化和優(yōu)化規(guī)劃管理工作，運用可視化的圖、表、文一體化界面配置工具，實現(xiàn)多個展示組件的互動包含：統(tǒng)計圖、表格、文書、GIS、三維仿真等內(nèi)容的綜合展示模型，使圖表展示工具、規(guī)劃業(yè)務(wù)文書展示工具、GIS展示工具、三維仿真展示工具之間通過配置實現(xiàn)動態(tài)調(diào)用和信息傳遞，完成從文到圖、從圖到表、從表到文的圖、表、文關(guān)聯(lián)互動，使各種統(tǒng)計分析結(jié)果融為一體，使城市規(guī)劃管理進入精細化管理階段。

2.2 提高規(guī)劃編制的科學(xué)水平

利用三維數(shù)字模型、GIS等信息化技術(shù)，為規(guī)劃編制過程中的信息采集、指標分析、方案決策、成果展示等工作提供高效，直觀，便捷的新方法，實現(xiàn)控規(guī)編制的技術(shù)方法信息化和過程管理信息化，體現(xiàn)規(guī)劃編制“科學(xué)性”、“過程性”、“動態(tài)性”特點。

2.3 展示現(xiàn)狀及規(guī)劃情況

通過利用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)形成的三維數(shù)字規(guī)劃管理系統(tǒng)，將現(xiàn)狀與規(guī)劃成果帶入城市景觀的電腦虛擬環(huán)境中，提供一個逼真的模擬環(huán)境，從而很好地向規(guī)劃管理者和市民展示該地區(qū)的現(xiàn)狀及規(guī)劃建設(shè)情況。此外，利用空間信息可視化技術(shù)可以實現(xiàn)分析、查詢大量數(shù)據(jù)信息并以直觀的方式顯示結(jié)果，將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫帶入到可視化空間中，以對各個方面的情況有一個全面的了解。

2.4 提高規(guī)劃項目的管理效率

通過制作項目模型或者提供靜態(tài)的三維效果圖來展示項目的整體規(guī)劃過程，這具有很大的局限性，無法完成規(guī)劃對象的修改和管理。城市三維仿真技術(shù)可以設(shè)計一個可操作的三維仿真系統(tǒng)，為開發(fā)機構(gòu)或城市規(guī)劃單位提供高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)和視覺質(zhì)量。在需要修改或增減項目工程的過程中，可以直接導(dǎo)入或更新相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可以及時做出方案調(diào)整和實施，提高規(guī)劃項目的整體管理質(zhì)量和效率。

2.5 多樣化的數(shù)據(jù)服務(wù)

利用三維仿真技術(shù)進行三維模擬和三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計，可以利用三維仿真系統(tǒng)查詢相對對象的信息資料，為規(guī)劃管理者提供城市單位或部門的信息資料。在重慶市三維數(shù)字規(guī)劃管理系統(tǒng)中，運用城市三維仿真、地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、工作流、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)，以現(xiàn)有的規(guī)劃電子政務(wù)平臺為框架，以分布式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多數(shù)據(jù)源海量精細化城市三維仿真數(shù)據(jù)的高效管理和服務(wù)，通過強大的三維仿真，GIS分析和輔助審批功能，為現(xiàn)狀調(diào)查、規(guī)劃編制、項目方案審批、行政決策提供了直觀、高效和科學(xué)的技術(shù)手段，實現(xiàn)了精細化建筑管理，提升了重慶市規(guī)劃局規(guī)劃管理技術(shù)水平。

三、仿真技術(shù)在重慶市規(guī)劃管理的應(yīng)用

3.1通過建立建筑物及周邊環(huán)境的三維仿真模型，規(guī)劃管理人員可以在三維可視化環(huán)境下觀察和研究建筑物與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況，還可以通過模擬建筑物的日照陰影走向和計算陰影面積來研究建筑物的高度對周邊建筑物的日照的影響等（圖1）。對于規(guī)劃新區(qū)的建筑設(shè)計方案，由于沒有實際的周邊環(huán)境，可以用規(guī)劃的周邊環(huán)境來進行仿真模擬，還可以通過三維空間環(huán)境下的實時建筑物模型置換、建筑物紋理置換、建筑物高度調(diào)整等功能，來進行多方案的比較(圖2)。此外，還可以進行特定視點的景觀圖生成、空間坐標查詢、距離量算、屬性數(shù)據(jù)管理、實時的規(guī)劃指標統(tǒng)計等，實現(xiàn)對建筑方案的全面的審查（圖3）。

（圖1）

（圖2）

（圖3）

3.2 城市景觀設(shè)計的應(yīng)用。城市景觀設(shè)計反映城市的整體風(fēng)貌，城市的整體風(fēng)貌依靠科學(xué)的環(huán)境資源布局來實現(xiàn)。利用仿真技術(shù)對城市景觀進行設(shè)計和環(huán)境模擬，可以對城市建筑的空間形態(tài)、建筑形式、城市天際線、城市景觀、城市色彩等多方面進行綜合考慮，做出更為準確的、直觀的設(shè)計方案。仿真技術(shù)的應(yīng)用有助于城市規(guī)劃管理人員進行多功能技能操作，從整體上把握城市空間形態(tài)的展示要點和亮點的設(shè)計，體現(xiàn)出城市的整體風(fēng)貌和城市特色之處。同時，仿真技術(shù)利用計算機軟件進行實際景觀設(shè)計的環(huán)境模擬，創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，將設(shè)計的內(nèi)容和效果展示在大眾面前，實現(xiàn)人機交互，讓大眾和客戶有一種身臨其境的感受。對于城市規(guī)劃評審、公示、展覽、規(guī)劃項目的宣傳及招商引資等各方面都有著重要的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟效益。（圖4）

（圖4）

3.3城市規(guī)劃需要把握整個城市土地利用的決策動向，就需要對城市土地利用現(xiàn)狀信息資料進行完整的把握，所以城市土地利用現(xiàn)狀信息資料尤為重要。規(guī)劃管理人員可以依靠當(dāng)?shù)氐暮娇招l(wèi)星影像、DEM 高程數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，構(gòu)建仿真三維模型，通過三維模型，可以更廣泛的了解和把握整個城市的土地利用范圍、現(xiàn)狀以及城市周邊的概況，對城市的整體信息資料的掌握和城市規(guī)劃設(shè)計方案的確定有著重要意義。仿真技術(shù)還可以通過模擬建筑物的日照陰影走向和計算陰影面積來研究建筑物的高度對周邊建筑物的日照的影響等，通過三維空間環(huán)境下的實時建筑物模型置換、建筑物紋理置換、建筑物高度調(diào)整等功能，來進行城市土地利用現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計方案的篩選。

四、小結(jié)

總而言之，三維仿真在城市規(guī)劃中的應(yīng)用前景是廣闊的。我們有理由相信，三維仿真技術(shù)會使城市規(guī)劃的產(chǎn)生一次技術(shù)革新，會極大地拓展和豐富城市規(guī)劃的工作思路。三維仿真技術(shù)的應(yīng)用，明顯的提高規(guī)劃審批的效率和方案設(shè)計的科學(xué)科學(xué)性，避免了傳統(tǒng)規(guī)劃評審采用大量設(shè)計文稿的方式，極大提高了設(shè)計單位、業(yè)主單位和管理單位的溝通效率，協(xié)調(diào)了與周圍建筑群的空間、色彩、材料，有利于體現(xiàn)城市的特點，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1] 楊建國，黃玲，高劍鋒.三維仿真技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J]規(guī)劃信息化，2007

三維仿真范文第3篇

關(guān)鍵詞：電網(wǎng) 三維GIS 仿真 體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，簡稱GIS）在整個電力行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），并與用電MIS、負荷管理及SCADA等子系統(tǒng)相結(jié)合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網(wǎng)運行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主要還是基于二維坐標的GIS系統(tǒng)，其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。

近年來，計算機圖形學(xué)的發(fā)展和計算機硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術(shù)日益完善，通過這些技術(shù)能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實的三維地表模型和各類三維對象模型，使得GIS系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。該文通過運用三維視景仿真技術(shù)，結(jié)合面向?qū)ο笤O(shè)計方法，提出了一種構(gòu)建二維GIS與視景仿真技術(shù)相結(jié)合的方法并研究其在電網(wǎng)GIS中的應(yīng)用前景。

鑒于二維GIS在空間表現(xiàn)和分析能力上的局限性，該文提出基于3D-GIS的實現(xiàn)思路，針對3D-GIS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點和難點，該文給出了3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實現(xiàn)。

1 3D-GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點及難點

從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個合乎人們認識深化和技術(shù)發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。二維GIS經(jīng)過30多年的發(fā)展，理論和技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用已深入到測繪、土地、環(huán)境、電力、交通等諸多領(lǐng)域，在對地理信息的分析功能上有著無可比擬的優(yōu)勢。一些宏觀的地理信息，一維的地理信息如河流、公路等；二維的地理信息如植被、湖泊等，在對這些地理信息的分析和處理上，比較適合采用二維GIS系統(tǒng)進行處理和分析。三維GIS系統(tǒng)是近幾年才發(fā)展起來的地理信息系統(tǒng)技術(shù)，它的最大優(yōu)點是可以真實地再現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三維GIS技術(shù)可以實現(xiàn)具有真實感的三維模型生成功能以及實時漫游功能等，還具有特有的三維空間分析功能。

相對于二維GIS系統(tǒng)，三維技術(shù)在電網(wǎng)GIS中的實現(xiàn)過程有著明顯的特點及難點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）三維虛擬地形環(huán)境是構(gòu)成三維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)和框架，首先需要解決建立場景所需要的海量地形數(shù)據(jù)的存儲問題。如在輸電線路GIS系統(tǒng)中，一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百公里，這使得相應(yīng)的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬計的輸電設(shè)備模型，導(dǎo)致整個三維場景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能將全部數(shù)據(jù)一次性地載入主內(nèi)存甚至是虛擬內(nèi)存，因此如果沒有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)就難以達到預(yù)定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在目前的二維GIS配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，一般用點狀或線狀等抽象符號表達電力設(shè)備，無法直觀地顯示設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián)性；而在三維GIS系統(tǒng)中，模擬真實的電力設(shè)備（如變壓器、桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實的基本要求，這使得模型變得比較復(fù)雜，甚至要進行組合構(gòu)造。因此，選用合理的建模方式和組織方法來處理電力設(shè)備也是實現(xiàn)三維GIS系統(tǒng)的一個重點。（3）當(dāng)前三維GIS還存在技術(shù)上的限制，如在三維數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量處理與存儲、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好地性價比滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。如果完全采用三維GIS，勢必將花費高昂的系統(tǒng)建設(shè)費用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒有必要去一味追求高性能。

從前面關(guān)于三維GIS的特點、功能，結(jié)合在電力系統(tǒng)實施中面臨的機遇與困難，筆者認為當(dāng)前三維GIS研發(fā)應(yīng)以開發(fā)二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標，不宜開發(fā)單純的三維GIS。

2 基于二維GIS與視景仿真技術(shù)的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

2.1 電網(wǎng)GIS中3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對三維GIS的技術(shù)特點和線路管理的基本需求，在參考了其它一些商業(yè)GIS軟件和電網(wǎng)管理應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由于目前還沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫解決方案，在三維GIS系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)（如數(shù)字地表模型、地表特征物模型及電力設(shè)備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關(guān)屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中?？紤]到模型在場景中的變化主要是位置變化，為每一類設(shè)備或地物建立相應(yīng)的三維模型原形，形成模型原形庫；然后在系統(tǒng)運行時為場景中要顯示的每個設(shè)備或其它要參與交互操作的模型個體建立一個實例，該實例從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標）和設(shè)備屬性信息，并同時記錄著一個或多個指向三維模型原形庫中的模型索引。采用這種體系結(jié)構(gòu)，不但可以很好地保證交互式操作的要求，而且大大節(jié)約了存儲空間（多個實例可公用一個模型原形），使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在一定程度上可以共享。

2.2 二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及其特點

二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)使用戶可以在三維的空間中認識和管理線路，它不但包含了二維GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依賴于高程信息的查詢和管理功能成為可能，可實現(xiàn)如下主要功能：

（1）將目標范圍內(nèi)的地表特征和輸電網(wǎng)用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。（2）結(jié)合對應(yīng)的二維GIS系統(tǒng)，可在三維和二維系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)互動，即通過二維圖上的精確定位來實現(xiàn)桿塔、變壓器等設(shè)備的管理和維護。（3）通過飛行或漫游，查詢線路經(jīng)過的跨越物，并對跨越物進行統(tǒng)計和管理。（4）通過模擬淹沒，可查詢洪水災(zāi)害對電力設(shè)備的影響。（5）能選出最佳搶修路線，以便盡快恢復(fù)供電。（6）建立三維的污區(qū)分布圖，準確確定自然污穢對架空線和變電站電瓷外絕緣強度的影響程度。（7）通過飛行或漫游，可制定直升機巡線的飛行路線及重點巡視點。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

對于三維模型可視化及用戶交互界面開發(fā)，筆者選擇Java語言，該語言具有良好的跨平臺特性，而且?guī)缀醪挥米龈嗟墓ぷ骶涂梢砸浦驳侥壳爸髁鞯幕赪EB的應(yīng)用。這些特性將使基于Java開發(fā)的三維GIS具備了廣泛使用的基礎(chǔ)；同時Java自身也提供了支持三維圖形開發(fā)的應(yīng)用編程接口Java3D，在三維可視化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技術(shù)，便于三維GIS應(yīng)用開發(fā)。存儲二維空間數(shù)據(jù)和三維對象屬性數(shù)據(jù)采用支持空間數(shù)據(jù)管理功能的Oracle大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

三維模型顯示和三維場景中的漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等功能程序設(shè)計流程如圖2所示。

由于二維GIS直接采用CAD的平面數(shù)據(jù)，容易獲得平面上某一點的GIS坐標，通過該點的GIS坐標找到三維視景的視點位置，就可以建立相應(yīng)的三維視景。在該實例中當(dāng)用戶需要查詢某區(qū)域三維虛擬場景時，可點擊“GIS管理”中的“三維視景仿真”，在界面中就會出現(xiàn)該區(qū)域的視景仿真界面，在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。

4 結(jié)語

該文初步討論了二維GIS和三維視景仿真技術(shù)的結(jié)合及其在電網(wǎng)管理中的應(yīng)用，兩者的有機結(jié)合使系統(tǒng)具有二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優(yōu)點；同時又克服了二維電子地圖的三維信息缺乏和三維虛擬場景漫游的方向迷失感，真正做到了兩者的優(yōu)勢互補。隨著計算機圖形技術(shù)的飛速發(fā)展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個電力行業(yè)GIS的發(fā)展方向?，F(xiàn)實生活是一個充滿三維物體的世界，只有基于三維的GIS系統(tǒng)才能讓人們更加直觀、形象地認識和理解地理和設(shè)備信息，從而提高管理水平和工作效率。

參考文獻

三維仿真范文第4篇

關(guān)鍵詞：隧道施工位移場應(yīng)力場三維仿真

Abstract: with the widespread construction of subway tunnel, geological conditions, more and more complex, the tunnel, subway construction accurate 3D simulation and analysis is very important. This paper describes the use of large-scale finite element software ANSYS software for tunnel construction simulation analysis of excavation and support, realizes the simulation, analysis of the tunnel construction process of rock stress field and displacement field change.

Key words: Construction of tunnel displacement field stress field simulation

中圖分類號：U455文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1.隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算方法

隧道結(jié)構(gòu)的動靜力學(xué)計算是一項比較困難的課題。地層巖土介質(zhì)和隧道結(jié)構(gòu)相互作用過程相當(dāng)復(fù)雜。只有那些具有規(guī)則幾何形狀和理想的材料特性，且載荷形式與邊界條件是簡單的線彈性體系，才能得到較為精確的解答。但是，對于非線性巖土體內(nèi)的連續(xù)或不連續(xù)介質(zhì)和任何幾何外形的隧道結(jié)構(gòu)，其力學(xué)計算必須借助于近似的數(shù)值方法。

用于隧道開挖、支護過程的數(shù)值分析方法有：有限元法、邊界元法、有限元-邊界元耦合法。

有限元法的優(yōu)點在于可以考慮巖土介質(zhì)的非均勻性、各項異性、非連續(xù)性和材料與幾何非線性等，且能適用于各種實際的邊界條件；缺點在于需要將整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散化，進行相應(yīng)的差值計算，以至于數(shù)據(jù)量大，精度相對低。

邊界元的優(yōu)越性在于只在所關(guān)心問題的邊界上，對于隧洞計算問題，只需對分析對象的邊界做離散處理，而的無限區(qū)域則視為無邊界。缺點在于要求分析區(qū)域的幾何、物理延續(xù)性。

有限元-邊界元耦合法使上述兩種方法互為補充，取長補短，實踐證明可以得到較好的計算結(jié)果，對于隧道結(jié)構(gòu)主要關(guān)心的區(qū)域是隧洞附近，可用有限元法：對于外部區(qū)域可按均質(zhì)、線彈性模擬即可，這樣對襯砌結(jié)構(gòu)的計算可以得到很好的計算性。

2. 隧道施工過程模擬的ANSYS實現(xiàn)原理

2.1初始地應(yīng)力的考慮

在ANSYS中有兩種方法可以用來模擬初始地應(yīng)力：

（1）只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應(yīng)力場。這種方法的不足之處在于計算出的應(yīng)力場與實際應(yīng)力場有偏差，而且?guī)r體在自重作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析后續(xù)施工時，得到的位移結(jié)果是累加的初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實中初始位移早就結(jié)束，對隧洞的開挖沒有影響，因此在后面的每個施工階段分析位移場，需要減去初始位移場。

（2）在進行結(jié)構(gòu)分析時，ANSYS中可以使用輸入文件把初始應(yīng)力指定為一種載荷，因此當(dāng)具有實測的初始地應(yīng)力資料時，可將初始地應(yīng)力寫成初應(yīng)力載荷文件，然后讀入做為載荷文件，就可以直接進行第一步的開挖計算，所得應(yīng)力場和位移場就是開挖后的實際應(yīng)力場和位移場，無需進行加減。

2.2開挖與支護的實現(xiàn)

在ANSYS中可以采用單元生死技術(shù)來實現(xiàn)材料的消除與添加，對于隧道的開挖與支護，采用此項技術(shù)即可有效的實現(xiàn)開挖與支護過程模擬。殺死單元時，ANSYS程序?qū)λ廊サ膯卧膭偠染仃嚦艘砸粋€非常小的數(shù)，并從總質(zhì)量矩陣消去單元的質(zhì)量來體現(xiàn)“單元的死”，同時無活性的載荷（壓力、熱應(yīng)變等）被設(shè)置為零。

隧道開挖時，可直接選擇將被挖掉的單元，然后將其殺死以實現(xiàn)開挖的模擬。增加支護時，可首先將相應(yīng)支護部分在開挖時被殺死的單元激活，單元被激活時具有零應(yīng)變狀態(tài)。

此外，單元的生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS來計算結(jié)果（如應(yīng)力，應(yīng)變）來決定，在模擬過程，可以將超過許用應(yīng)力或許用應(yīng)變得單元殺死，來模擬圍巖或結(jié)構(gòu)的破壞。

2.3 連續(xù)施工的實現(xiàn)

ANSYS程序中的荷載功能可以實現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計算，可以有效地模擬隧道的連續(xù)施工過程。首先建立整個有限元模型，包括將來要被殺死（挖去）和激活（支護）的部分，模擬過程無需重新劃分網(wǎng)格。在前一個施工完成后，可直接進行下一道工序的施工，即殺死新單元、激活老單元，再求解，重復(fù)步驟直至施工結(jié)束。

3. 隧道施工過程模擬實例

3.1 仿真計算模型及參數(shù)

圖2-1所示的是某隧道圍巖計算模型的斷面示意圖，考慮圣維南原理，取周圍巖土的尺寸為隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程結(jié)構(gòu)屬于細長結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面現(xiàn)對于縱向長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移。

圖3.1-1 斷面圖

材料性能：圍巖巖體彈性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；錨桿加固巖體彈性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；襯砌單元彈性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。單位：m 、N 、s 、kg 、Pa

Ansys仿真分析中單元選?。篠OLID45單元用于模擬圍巖巖體結(jié)構(gòu)和錨桿加固巖體結(jié)構(gòu)，SHELL63單元用于模擬襯砌結(jié)構(gòu)。三維模型如右圖2：

仿真分析成果

仿真過程計算步驟如下：

第一步，初應(yīng)力場和初位移場計算；第二步，開挖后支護前應(yīng)力場和位移場計算；第三步，支護后應(yīng)力場和位移場計算。

應(yīng)力場變化情況

由等效應(yīng)力圖3、圖4、圖5知隧道開挖前應(yīng)力為0.35MPa左右；開挖后支護前洞身周圍的應(yīng)力為0.69MPa左右，增幅為97%；支護后洞身周圍的應(yīng)力為0.47MPa左右，減幅為22%；

位移場變化情況

由等效位移圖6、圖7、圖8知隧道開挖前地表位移為43.4mm左右；開挖后支護前洞身周圍的地表位移為47.1mm左右，增幅為8.5%；支護后洞身周圍的地表位移為48.1mm左右，增幅為2.1%；

4. 結(jié)束語

隧道開挖是一個三維力學(xué)問題,本文分析了隧道施工中巖體應(yīng)力場和位移場變化情況,利用通用有限元程序ANSYS軟件，綜合考慮了土體分層、土體與支護體系作用以及巖體自身的非線,并結(jié)合劉陽河隧道工程實際,對施工過程進行了動態(tài)仿真模擬。通過計算得到了施工過程中周圍土體的位移場、應(yīng)力場及地表土體的變形規(guī)律,并與實測數(shù)據(jù)進行比較,計算值和實測值吻合良好,表明本文提出的三維有限元模擬隧道施工的方法是可行的。

通過上述數(shù)據(jù)知隧道開挖后對巖體的擾動大，巖體應(yīng)力釋放后仍有很大的殘余應(yīng)力，洞體周圍的應(yīng)力比開挖前增加了97%，支護后隧道周圍土體的應(yīng)力比開挖后減少22%，支護后巖移明顯減小并趨于穩(wěn)定。因此在施工過程中應(yīng)遵循“短進尺、弱爆破、勤支護、早封閉”的施工原則。

參考文獻：

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[3] Ito T, Hisatake K. 隧道掘進引起的三維地面沉降分析[J]. 隧道譯叢, 1985.

三維仿真范文第5篇

關(guān)鍵詞：變電站 三維仿真系統(tǒng) 仿真場景

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在電力系統(tǒng)的輸送配電過程中，變電所是其重要環(huán)節(jié)，適用于調(diào)整電壓的場所。其運行操作隨著變電站系統(tǒng)不斷發(fā)展，其自動化進程也趨于復(fù)雜，也使得對工作人員業(yè)務(wù)熟練程度及技術(shù)水平的要求越來越高。在系統(tǒng)實際運行中，因變電站系統(tǒng)具有特殊性，難以對工作人員開展培訓(xùn)工作?，F(xiàn)如今仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要有兩種：軟件仿真與物理仿真模式。軟件仿真主要是對現(xiàn)場錄像、實體圖片、平面接線圖與數(shù)據(jù)圖表等進行仿真，其過程沉浸感較為缺乏。物理仿真主要是依靠于專業(yè)設(shè)備，但其又具備可移植性較差、系統(tǒng)龐雜與實施時成本略高的缺點。目前，在變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中最為常用的就是三維虛擬變電站的仿真系統(tǒng)，因其具有靈活多變的培訓(xùn)方式，且造價較為低廉，在運行上也較為便捷，在三維虛擬的變電站仿真系統(tǒng)中培訓(xùn)，其培訓(xùn)過程存在較強沉浸感與真實感。此外，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的實現(xiàn)不僅需對電氣設(shè)備幾何模型進行建模，建模中還需加入對變電站周圍環(huán)境的仿真模擬。

1國內(nèi)外對三維變電站仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，電廠仿真培訓(xùn)首先對仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進行了運用，變電站的仿真培訓(xùn)也因電網(wǎng)調(diào)度的仿真培訓(xùn)而逐漸展開。計算機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，促使變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)也逐漸發(fā)展起來，其發(fā)展進程由于變電站中自動化水平的提高而起到了推動作用。

20世紀60年代～70年代左右，電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)興起并在火電廠中被應(yīng)用，之后隨著發(fā)展其范圍擴增至變電站及電網(wǎng)的培訓(xùn)中。早期的火電培訓(xùn)仿真機投入使用于日本及英國與美國，最具代表性的為日本的關(guān)西電力公司“變配電的技術(shù)培訓(xùn)中心”的建立。我國首套火電仿機組的研發(fā)建立時間為1982年，變電站及電網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)直至80年代末期才開始建立。我國首套DTS為東北電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，研制時間為1990年。早期應(yīng)用的變電站的仿真系統(tǒng)由于其運行操作較為簡便，變電站的數(shù)量增大，但容量較小，再加上自動化的水平過低，從而導(dǎo)致其應(yīng)用的效率不高。

2三維變電站的仿真系統(tǒng)研究成果

通過研究三維建模、計算機圖形與仿真場景生成這三種技術(shù)，從而使渲染和生成三維仿真場景、環(huán)境與變電站設(shè)備的建模及二維場景保存與繪制得到實現(xiàn)。三維場景圖漫游與渲染、場景圖由二維向三維的轉(zhuǎn)變通過OSG技術(shù)都得以實現(xiàn)。通過研究應(yīng)用系統(tǒng)子模型，三維變電站的仿真場景實現(xiàn)優(yōu)化，具體研究如下。

2.1變電站中其設(shè)備建模的實現(xiàn)

電壓互感器、變壓器、隔離開關(guān)及電路器等組成了變電站設(shè)備。用三維方式將變電站設(shè)備的仿真場景進行表示。通過對三維建模技術(shù)研究，變電站的設(shè)備建模是使用 ， 的模型文件是通過 的插件將其以IVE三維格式導(dǎo)出，在OSG的編程中可方便調(diào)用。

2.2繪制二維變電站的場景圖

變電站周圍的建筑環(huán)境與其各設(shè)備表示為二維圖元，圖元的編輯操作與其繪制使利用MFC所封裝各類的繪圖函數(shù)來進行的。讀寫操作是通過二維圖形文件的格式研究，在設(shè)計中將二維場景圖的文件格式與文件存儲設(shè)置成自定義來實現(xiàn)的。

2.3生成三維變電站的場景圖

通過研究現(xiàn)有仿真的生成技術(shù)，三維變電站其場景圖的設(shè)計是通過OSG技術(shù)來實現(xiàn)的，在這一過程中還對變電站的場景圖由二維向三維轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)，由此證明，生成三維變電站的場景圖是以其二維場景圖為基礎(chǔ)的。

2.4渲染三維變電站的仿真場景

渲染三維變電站的仿真場景實現(xiàn)是利用OSG技術(shù)，在此過程中還實現(xiàn)了場景的碰撞檢測與漫游等。通過研究粒子系統(tǒng)，使其仿真場景天氣模擬得以實現(xiàn)（如雪與霧及雨、風(fēng)等），使模擬效果更為逼真。

3什么是三維仿真場景

通過對現(xiàn)實環(huán)境形象的三維模擬技術(shù)，在虛擬場景中，用戶可對于其中的信息進行查詢與預(yù)覽，還可對虛擬物體進行場景交互的操縱，使用戶在使用過程中仿佛身臨其境，無需處于真實環(huán)境中即可有相同效果的感受。三維的仿真場景涉及多門學(xué)科，如人工智能、現(xiàn)實虛擬及計算機的圖形學(xué)等，在人機工程的工作環(huán)境、培訓(xùn)及教育等仿真領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，除此之外，該技術(shù)還應(yīng)用于規(guī)劃領(lǐng)域、動畫的制作領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、產(chǎn)品的展示領(lǐng)域及園林領(lǐng)域等。

4三維仿真場景結(jié)構(gòu)

仿真場景應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實中，一般為是用來描述場景圖。三維場景的元素存儲就是場景圖，在場景中對所有物體與物體相互間的關(guān)系有保存作用。本身場景圖就屬于一種層次結(jié)構(gòu)，其空間的數(shù)據(jù)集所使用的是自上而下樹狀結(jié)構(gòu)圖，以此為組織形式來達到渲染效率得到提升的目的。

諸多類型不同的節(jié)點構(gòu)成了場景圖，物體是由節(jié)點表示的。根節(jié)點是全部三維的仿真場景圖，場景圖位于樹形結(jié)構(gòu)頂端；場景圖最底端為葉節(jié)點，物體在場景中實際的幾何信息包含其中，葉節(jié)點場景效、光源、實體及地形等基本單元構(gòu)成；組節(jié)點位于根節(jié)點下一層，包括的控制信息為物體的外觀渲染狀態(tài)及其幾何信息，每個組節(jié)點與根節(jié)點都對子成員擁有零個或者多個（注：組節(jié)點為零個子成員，則不對其進行任何的操作），組節(jié)點中場景幾何體的排列是通過OSG的程序進行的。在此種層次的結(jié)構(gòu)中各節(jié)點可準確將其環(huán)境中的父子關(guān)系與其位置進行描述，在場景圖生成前，各圖層數(shù)據(jù)都要分別建模。如圖1所示，各節(jié)點間與場景圖層次結(jié)構(gòu)位置關(guān)系。

圖1 各節(jié)點間與場景圖層次結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

場景圖中所包括的節(jié)點其功能是不同的，比如說，開關(guān)節(jié)點 對其子節(jié)點的設(shè)置作用是可用或不可用，LOD細節(jié)的層次節(jié)點，其不同子節(jié)點的距離調(diào)用是依據(jù)觀察者對其作出的觀察決定的， 變換節(jié)點可對其幾何體坐標根據(jù)子節(jié)點的改變來對其狀態(tài)進行更換。所有的節(jié)點類都有相同的基類，又各具不同的功能方法，場景圖的繼承機制，可為節(jié)點提供多樣性。

5三維仿真技術(shù)

通過對計算機技術(shù)的使用，生成一個具備觸覺、聽覺及視覺等包含多種感知、虛擬且逼真的環(huán)境，用戶可通過虛擬環(huán)境中虛擬對象與外設(shè)裝置的相互作用來體會，此種技術(shù)就是三維仿真技術(shù)。其技術(shù)包括粒子的系統(tǒng)模擬、碰撞檢測及包圍盒技術(shù)。

5.1粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)在三維的計算機圖形學(xué)中，是對某些特定模糊的現(xiàn)象進行模擬的技術(shù)。在此系統(tǒng)中，粒子模擬過程通過OSG實現(xiàn)了較為復(fù)雜的過程，比如雨天特效、雪天特效及霧天特效等。粒子行為在粒子系統(tǒng)中的控制是通過對其空間的扭曲實現(xiàn)的，對粒子流施加仿真特效的影響，如風(fēng)力、阻力及重力等，可對天氣現(xiàn)象在三維場景中被有效的模擬出來，從而使視覺效果更為逼真。

5.2碰撞檢測

碰撞檢測隨著分布交互及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)發(fā)展，已成為該領(lǐng)域中的熱點研究對象。在虛擬的環(huán)境中，培訓(xùn)者沉浸感隨碰撞檢測精度越高而越強，促進虛擬環(huán)境中真實性的提高。虛擬場景仿真場景渲染率與實時性受實時碰撞的影響很大，所以，在該領(lǐng)域中，碰撞的檢測技術(shù)也是難點之一。需要碰撞檢測解決的核心問題就是虛擬場景中漫游實時性的保證、算法效率的提高及相交測試中對象數(shù)目的減少，碰撞檢測基本任務(wù)就是確定物體之間（多個或兩個）是否有穿透或者接觸。碰撞檢測的算法有空間分解法與層次包圍盒法。這兩種算法加速碰撞檢測都是通過相交測試的幾何數(shù)目減少為基本思想的。

5.3包圍盒技術(shù)

包圍盒技術(shù)在計算機幾何領(lǐng)域與計算機圖形學(xué)中，在虛擬場景將幾何體（簡單且規(guī)則）對象進行包圍，簡化其計算方法，以此促進幾何運算效率的提高。

5.3.1碰撞檢測

判斷兩個包圍盒或者物體包圍盒和檢測線是否有相交，無相交，物體間則無碰撞發(fā)生；相交，則有碰撞發(fā)生。

物體在場景中的構(gòu)建是以實體為依據(jù)的，一般幾何體為不規(guī)則，但物體包圍盒的幾何體一般都是規(guī)則的，因此碰撞檢測不對物體本身直接使用，碰撞檢測的檢測效率提高是通過物體包圍盒直接碰撞進行的。

5.3.2光線渲染與跟蹤

包線盒用于光線跟蹤時，其功能為相交檢測，用于渲染算法，則是檢測視體。如包線盒與視體或者光線無相交，則盒內(nèi)物體不相交。物體列表可通過相交檢測來獲得，如果場景中物體在列表中顯示，就說明被柵格化或者渲染。

6結(jié)語

三維變電站的仿真場景生成系統(tǒng)，可使其開發(fā)周期有效縮短，避免重復(fù)性的開發(fā)工作，利于開發(fā)成本的降低。此外，該仿真場景的實現(xiàn)，不僅提供了高效且安全的培訓(xùn)平臺，也促使變電站工作人員對其各部分有了更為深刻的了解，從而使其業(yè)務(wù)能力與操作技能得到提高。

參考文獻

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