CN117218258B - 一种盾构地质与隧道可视化方法、系统、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构施工技术领域，本发明公开了一种盾构地质与隧道可视化方法、系统、介质及设备，包括：获取地勘数据，得到三维地质模型；获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，累积得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合。实现了多种模型的融合渲染展示，且能够直观的表示出地球物理数据在地质体中的传播过程。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，具体的说，是涉及一种盾构地质与隧道可视化方法、系统、介质及设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在城市地下工程盾构施工领域，盾构施工精细探测与智能掘进是破解复杂地质条件、多发灾害事故等问题的关键技术。在盾构施工精细探测与智能掘进的过程中，以直观的视觉表达形式呈现隧道掘进机掘进状态并实时监控数据对于了解盾构施工过程以及提供掘进智能决策有着重要作用；此外，利用地勘数据对隧道周围地质环境进行建模，并基于地质模型对施工地质异常体进行预测，有助于提高盾构施工安全，这一过程中地震波探测法所探测的地球物理数据为盾构施工精细化探测与超前地质预报提供了重要支撑。另一方面，混合现实技术为实现高度真实感的盾构施工全要素信息的透明化展示提供了技术基础，通过采用混合现实利用，可将盾构施工数字孪生应用部署到移动端，以全息图的形式让用户直观的感受三维模型以及三维仿真计算数据，这对地质异常体的判断和工程决策都有着积极的作用。
目前，盾构施工精细探测与智能掘进领域的盾构地质数字孪生系统以电脑端和网页端为主，并且这些应用都只关注上述整个体系中部分功能模块。例如，现有基于参数的隧道掘进机动画展示系统主要展示隧道掘进机的参数及掘进动画；基于地质勘探数据的三维地质建模则主要侧重于特定数据的三维建模方法；地球物理正反演可视化则侧重于关注地球物理数据的处理以及单个地球物理波场的绘制，无法与地质模型等进行关联。对于现有相关方法与系统，其一，无法做到在施工场所实时查看隧道掘进机参数以及调配现场员工的工作，无法实时查看基于真实数据的物理仿真掘进动画；其二，目前的三维地质建模方法难以对钻孔、剖面图、地质图等多源数据融合分析，无法得到地质异常体位置的精确位置，无法为后续工作提供高质量、易修改的模型；其三，是以往科研人员大都只能在收集的三维地球物理数据中选择一个截面查看二维的地球物理数据传播情况，无法展现立体信息，不能直观的表示出地球物理数据在地质体中的传播过程；其四，是现有的研究和工作都专注于上述某一模块，无法将所有内容融合渲染展示。
发明内容
本发明为了解决上述问题，本发明提供一种盾构地质与隧道可视化方法、系统、介质及设备，实现了多种模型的融合渲染展示以及对地质异常体位置的精细判断和展示，且能够直观的表示出地球物理数据在地质体中的传播过程。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种盾构地质与隧道可视化方法，其包括：
获取地勘数据，通过克里金插值算法得到高程数据，并基于高程数据建立地层分隔面，得到三维地质模型，并进行六面体剖分，基于剖分后的三维地质模型，通过超前预报，得到不规则异常体；
将所述不规则异常体和隧道素描过程得到的隧道模型，进行网格化后，通过布尔运算，更新到三维地质模型；
获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对所述三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，将采样点的透明度和颜色累积，得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合。
进一步地，所述采样点的透明度和颜色累积的公式为：
Ci ∆=(1- Ai-1 ∆) Ci+ Ci-1 ∆
Ai ∆=(1- Ai-1 ∆) Ai+ Ai-1 ∆
其中，Ci ∆表示前i个采样点累积的颜色，Ai ∆表示前i个采样点累积的不透明度，Ci表示第i个采样点的颜色，Ai表示第i个采样点的不透明度。
进一步地，所述三维地质模型和地球物理数据融合的过程中，将三维地质模型用灰度表示，且灰度代表地球物理数据在地质中的传播速度。
进一步地，还包括：使用平面对三维地质模型进行剖切，显示剖面法向相反一侧的三维地质模型与截面。
进一步地，还包括：将隧道掘进机模型按组件分解，得到组件全息图后，获取手部位置以及朝向，使用光线投射算法发射光线，计算光线与组件全息图的交点，若相交，则展示交点处的组件全息图。
进一步地，还包括：对隧道掘进机模型及三维地质模型进行渲染，得到隧道场景，并响应于交互指令，在隧道场景中漫游。
进一步地，还包括：获取隧道掘进机传感器数据，得到关键帧的组件运动参数，并在中间帧插值，得到掘进动画。
本发明的第二个方面提供一种盾构地质与隧道可视化系统，其包括：
三维地质模型构建模块，其被配置为：获取地勘数据，通过克里金插值算法得到高程数据，并基于高程数据建立地层分隔面，得到三维地质模型，并进行六面体剖分，基于剖分后的三维地质模型，通过超前预报，得到不规则异常体；
三维地质模型更新模块，其被配置为：将所述不规则异常体和隧道素描过程得到的隧道模型，进行网格化后，通过布尔运算，更新到三维地质模型；
模型融合模块，其被配置为：获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对所述三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，将采样点的透明度和颜色累积，得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种盾构地质与隧道可视化方法，其不仅实现了多种模型的融合渲染展示以及对地质异常体位置的精细判断和展示，更重要的是，对地球物理反演结果进行体绘制，对体绘制结果与地质模型进行真实物理位置标记以及融合显示，能够直观的表示出地球物理数据在地质体中的传播过程。
本发明提供了一种盾构地质与隧道可视化方法，其通过对盾构机模型以及地质模型的渲染可以直观的介绍隧道掘进机的工作原理，组件的装配方式，可以有效提高用户对隧道掘进机以及地质的理解，真实感渲染场景可以让用户身临其境的感受隧道掘进机的工作状态，提高相关专业知识及培训效果。
本发明提供了一种盾构地质与隧道可视化方法，其通过获取隧道掘进机的实时参数等数据可以做到在施工地点实时查看工程信息以及工作人员位置，通过地球物理数据信息以及隧道掘进机实时参数对施工路线及时间进行更好的决策，对工作人员工作进行更好的调配，可以有效避免运渣车造成的施工事故。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明的实施例一的一种盾构地质与隧道可视化方法的流程图；
图2为本发明的实施例二的一种盾构地质与隧道可视化系统的框架图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例一的目的是提供一种盾构地质与隧道可视化方法。
本实施例提供的一种盾构地质与隧道可视化方法，可以应用于增强现实头戴式设备以及混合现实头戴式设备。
本实施例提供的一种盾构地质与隧道可视化方法，为一种盾构地质与隧道数字孪生混合现实可视化方法。
随着混合现实技术的发展，数字城市的兴起，混合现实隧道掘进数字孪生系统的需求不断增加，如隧道掘进机参数展示，隧道掘进机工作状态展示以及将地质探测结果实时投射到物理世界中等。
如图1所示，本实施例提供的一种盾构地质与隧道可视化方法，具体包括：
步骤1、创建三维地质模型，包括：获取地勘数据，根据地质勘探得到的钻孔等多元地勘数据，建立三维地质模型。
具体地，利用以钻孔为主的多元地勘数据（即，地质勘探活动中得到的多源数据），通过统一离散化处理后应用克里金插值算法，通过插值计算得到的高程数据建立地层的顶面和底面作为地层分隔面，最终得到建好的三维地质模型。
步骤2、获取工程信息数据；包括：分别获取隧道掘进机传感器数据、地质勘探地球物理数据、超前地质预报地质异常体数据（即，超前预报过程得到的不规则异常体）、工作人员位置数据。
具体地，通过连接本地数据库获取实时隧道掘进机传感器数据、地质勘探地球物理数据、超前地质预报地质异常体数据、以及依据工作人员所佩戴的定位装置接受工作人员位置数据、以及隧道掘进机关键组件位置数据。
步骤3、三维地质模型六面体剖分，包括：将三维地质模型进行六面体剖分，便于后续进行波场数据模拟。
具体地，对三维地质模型的部分区域设计了一种不规则六面体化方法，通过将连续的地质模型离散化为六面体的格点结构，使其适用于地震波法、电场法等科学计算的输入格式。
其中，将三维地质模型进行六面体剖分是指对三维地质模型的部分区域设计了一种不规则六面体化方法，在超前预报过程中，用户可以分多次指定剖分区域。对于指定的250m×100m×100m的区域进行初始剖分，剖分为1m×1m×1m的正六面体，通过计算得到网格顶点的波速值，该波速值可以判断该点是否位于地质异常体中，这样，可以划定出一个更加准确的区域；用户可以划定异常体可能存在的一部分长方体区域，将其剖分为0.5m×0.5m×0.5m的正六面体，然后通过一系列的科学计算（如地震波法、电场激发级化法），能够对异常体的位置更加确定；然后再指定更小的区域，剖分为0.25m×0.25m×0.25m的正六面体，对这个区域重复上面的流程。对于越精细的区域，能够计算的网格顶点越密集，这样，对地质异常体位置的判断可以做到更加精细。
步骤4、三维地质模型动态更新，包括：将超前预报、隧道素描等过程的结果更新到三维地质模型中。
具体地，将超前预报、隧道素描等过程的结果更新到地质模型是指，将超前预报过程得到的不规则异常体或隧道素描过程得到的隧道模型等结果进行网格化，然后通过布尔运算等操作将其更新到整个三维地质模型中，最终得到的三维地质模型符合当前真实的地质结构。
步骤5、三维地质模型剖切查看，包括：针对三维地质模型实现动态剖切功能，以查看地质模型的二维剖面结构。
具体地，针对三维地质模型实现了动态剖切方法是指，使用平面对三维地质模型进行剖切，根据剖面的法向，只显示剖面法向相反一侧的三维地质模型与截面。剖面可以由一个控制其坐标的轴拖动来改变位置，通过拖动剖面实现动态查看地质模型截面。
步骤6、获取用户手势及语音输入，包括：用户双手相对于头部设备的实时位置，手部关节的实时位置，麦克风阵列的输入。
具体地，依据头戴式设备的深度传感器以及深度相机，对用户手势进行实时追踪和识别，依据麦克风阵列的输入进行语音识别，得到交互指令。
步骤7、对隧道掘进机模型进行分解并通过交互获取组件详细信息，包括：将隧道掘进机模型按组件的功能模块进行分组，展示组件全息图；获取用户手势的输入，展示用户感兴趣的组件详细信息。
具体的，将隧道掘进机组件依据要求分组，对机械类领域，将隧道掘进机组件分为掘进部分、支护部分、运输部分、推进部分；对地质类领域，则对不同隧道掘进机所应用的地质情况进行分解，将隧道掘进机组件分为硬岩地质、软岩地质等；在对隧道掘进机组件进行分解之后，实时获取用户手势的输入（手部位置以及朝向），并基于用户手部位置以及朝向，使用光线投射算法发射光线，光线长度为10米，实时计算光线与全息图的交点，若相交，则展示该交点处的组件详细信息全息图。
其中，组件全息图是指隧道掘进机模型的零件，例如汽车模型，对应的组件全息图就是将汽车分解成一个一个的零件分开展示，例如引擎、轮胎、座椅等等，在隧道掘进机模型中，将掘进机组件按功能分为掘进组件，支护组件，运输组件，推进组件。
其中，组件详细信息指对组件的描述，例如，刀盘：通过旋转和高级压力在掌子面将岩体破碎成岩屑。
步骤8、对隧道掘进机模型及三维地质模型进行真实感渲染，得到隧道场景，并通过交互指令，在隧道场景中漫游。具体包括：对隧道场景赋予材质，对隧道场景添加光源，识别用户手势输入，在虚拟场景中漫游。
其中，通过将三维地质模型按真实场景对应的隧道位置，通过剖分，在三维地质模型中得到隧道，将掘进机放置在隧道对应的真实位置，通过将三维地质模型渲染模式设置成透明渲染方式，得到地质内部隧道的情况，即隧道场景。
具体的，将隧道掘进机模型及隧道模型（三维地质模型）缩放到真实场景比例，对隧道模型应用隧道场景贴图，对管片赋予材质，并对隧道场景添加点光源。通过在真实世界漫游来达到在虚拟世界（隧道场景）中自由漫游，并可以通过语音及手势交互展示限定视角漫游，通过将相机高度设置为1.7m来模拟正常人眼视线高度，通过将方向调整为从盾构机尾部到头部的最短路径来得到漫游的最佳视角，在需要上下楼梯时，将相机设置在楼梯左侧90度方向，以此来绕过爬楼梯时的局限视角，而90度方向还可以观测到盾构机的横截面，在用户体验上会有更好的体验，在最佳角度漫游隧道掘进机的全长，并可以通过手势识别来控制漫游达到在有限物理空间漫游的目的，在沉浸式场景中可以通过手势及语音来展示第三人称视角，以缩略图的形式查看在整个盾构机中的位置。
步骤9、对隧道掘进机模型进行控制，制作关键帧动画，展示隧道掘进机的工作原理。即，通过实时获取的隧道掘进机传感器数据，对隧道掘进机工作状态进行实时控制；并基于隧道掘进机传感器数据，得到关键帧的组件运动参数，在中间帧插值，对掘进机实时数据模拟真实掘进动画，做到物理世界与真实世界的一一对应。
掘进动画包括：刀盘转动，液压杆推进，撑靴支撑，管片拼装等组件的位置，直观展示隧道掘进机工作原理。
具体的，设置关键帧的刀盘旋转角度，在中间帧插值，达到刀盘转动的效果，类似的用关键帧的方式，完成液压杆伸缩，撑靴支撑以及管片拼装的动画来直观的介绍隧道掘进机的工作原理，同时可以通过手势及语音的输入控制动画的播放和停止。
其中，对隧道掘进机工作状态进行实时控制是指，根据获取的真实隧道掘进机传感器数据，修改控制隧道掘进机模型中组件运动的参数，例如，依据真实转速控制隧道掘进机模型中刀盘旋转速度，依据推进速度控制隧道掘进机模型中隧道掘进机整体的位移。
步骤10、实时参数全息图展示，即，对掘进机实时参数进行实时的获取与展示并动态更新。掘进机实时参数包括：刀盘总推力、刀盘总扭矩、总功率、磨损量、围岩类型、围岩等级等。
具体地，通过获取到的数据，绘制相关实时变化的折线图等可视化图表，将实时参数使用全息图可视化。
另外，掘进机实时参数是真实场景中隧道掘进机传感器数据，隧道掘进机模型是依据掘进机实时参数展示对应的动画效果，例如，转速7r/min则掘进机模型刀盘每分钟转7圈，所以，掘进机实时参数是真实掘进机传感器参数，隧道掘进机模型是相当于把掘进机数字化，构造和物理世界一一对应的数字世界。
步骤11、地球物理数据体绘制结果展示。即，对大规模地球物理时序数据进行光线投射体绘制；将三维地质模型和地球物理数据融合显示，直观呈现地球物理数据在三维地质模型中的传播过程；显示垂直于x轴、y轴、z轴截面的地球物理数据可视化图像，并在截面中通过线框图高亮不同地质区域。
具体地，通过体绘制技术，将三维数据可视化，并通过对颜色传输函数及透明度传输函数的选择，来达到良好的可视化效果，并依据头戴式设备的GPS定位以及体绘制数据的真实物理位置，以头戴式设备为中心，将地球物理数据结果呈现在真实三维地质中。
其中，地球物理数据可视化内容。光线投射体绘制，首先将地球物理数据加载为三维纹理，获取地球物理数据的包围盒，从相机向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，应有两个交点，分别为进入点和出射点，对每一条射线，采样点初始为进入点，使用采样点的坐标对三维纹理采样，获得地球物理数据标量值，为该值设置透明度和颜色，得到当前采样点i的不透明度Ai和颜色Ci；然后采样点沿射线方向前进设定距离d，得到下一个采样点，d可以自行设置，值越小，体绘制结果越精准，但时间开销会更大，这里设为1。因此，每个地球物理数据的包围盒所覆盖的像素的颜色最终由各个采样点的颜色混合得到，公式如下：
Ci ∆=(1- Ai-1 ∆) Ci+ Ci-1 ∆
Ai ∆=(1- Ai-1 ∆) Ai+ Ai-1 ∆
其中，Ci ∆表示前i个采样点累积的颜色，Ai ∆表示前i个采样点累积的不透明度。这样当采样点在包围盒外后就停止采样，此时累积的颜色和不透明度就是该像素最终的颜色。
其中，将地球物理数据加载为三维纹理的方法为：地球物理数据是一个三维数组，如100×100×250大小的数组，三维数组中每个元素表示地质属性，将地球物理数据归一化到0-1之间后，存储到一个三维纹理中，三维纹理的坐标范围为[0,1]之间。
其中，获取地球物理数据的包围盒的方法为：通过地球物理数据的大小和位置，获取地球物理数据的AABB包围盒（轴对齐包围盒）。包围盒的大小就是地球物理数据的大小，为方便计算光线与包围盒的交点，在着色器中会将包围盒平移到世界坐标系的原点处，这样一个vx×vy×vz大小的地球物理数据，其包围盒的x坐标范围为[0,vx]，y坐标范围为[0,vy]，z坐标范围为[0,vz]，vx、vy和vz为地球物理数据的尺寸。
其中，初始时，相机位置为(0,-543,0)，相机位置由人为设定。
其中，射线的生成方法为，包围盒每个片段的世界坐标减去相机的世界坐标。
其中，使用采样点的坐标对三维纹理采样的方法为：因为采样点的坐标范围是地球物理数据大小，而三维纹理的坐标范围为[0,1]，所以，要先将采样点转换到[0,1]，方法为：若采样点坐标为(sx,sy,sz)，地球物理数据大小为(vx,vy,vz)，则转换后的采样点坐标为(sx/vx, sy/vy, sz/vz)；用转换后的采样点坐标去采样三维纹理，获得该点处的地质属性，是一个地球物理数据标量值。
地球物理数据可视化内容。三维地质模型和地球物理数据融合显示通过设置两者的透明度来获得恰当的融合效果，同时为了防止三维地质模型的颜色干扰地球物理数据的颜色，将三维地质模型用灰度表示，并且其灰度代表了地球物理数据在该地质的传播速度，传播速度越慢，该种地质颜色越黑。
其中，地球物理数据可视化。显示截面的可视化图像是通过在着色器中先对地球物理数据纹理进行采样得到截面上标量值，再将标量值与颜色表结合得到的；地质交界处的边框线是先用截面截取地质模型数据生成一张纹理，再在着色器中对地质纹理进行采样，如果一个采样点与其相邻的采样点地质属性不同，那么它就是地质边框线。
步骤12、数据真实位置标注；包括：地质异常体数据在真实位置的标注以及工作人员位置以及隧道掘进机关键组件位置在真实位置的标注。
通过实时获取的地质异常体数据，在真实位置标记地质异常体信息；对工作人员及隧道掘进机关键组件位置进行实时标记；对隧道场景进行真实感渲染，并通过交互在虚拟场景中进行限定视角漫游及自由漫游。
具体地，通过获得的真实定位信息，以及超前地质预报结果的预测信息，可以计算出需要标记的组件的真实物理位置，通过定位头戴式设备，可以计算出标记信息相对于头戴式设备的位置及朝向，并通过该信息渲染真实物理位置的全息图。
其中，在真实物理位置展示是通过传输的位置信息以及头戴式设备的GPS定位信息，将地球物理数据、地质异常体数据、以及工作人员及隧道掘进机关键组件位置转换为以头戴式设备为原点、朝向为z轴、人站立方向为y轴的坐标系中，并在该坐标系中将数据以全息图的方式进行渲染，得到全息图与真实场景的一一对应。
其中，通过交互在虚拟场景中进行限定视角漫游及自由漫游包括手势交互以及语音交互，通过手势交互可以通过点击菜单执行限定视角漫游操作，以及打开第三人称视角操作。通过语音菜单中的任务可以使用语音交互完成上述命令。
其中，限定视角漫游操作，通过控制虚拟相机在虚拟场景中的移动，使全息影像按照我们设定的限定路径移动，以达到在虚拟场景中漫游的目的，自由漫游操作及通过戴上头戴式设备在真实物理空间中漫游来一一映射到虚拟空间中的漫游。
本实施例提供的一种盾构地质与隧道可视化方法，通过获取隧道掘进机的实时参数等数据可以做到在施工地点实时查看工程信息以及工作人员位置，通过地球物理数据信息以及隧道掘进机实时参数对施工路线及时间进行更好的决策，对工作人员工作进行更好的调配，可以有效避免运渣车造成的施工事故；通过对盾构机模型以及地质模型的渲染可以直观的介绍隧道掘进机的工作原理，组件的装配方式，可以有效提高用户对隧道掘进机以及地质的理解，真实感渲染场景可以让用户身临其境的感受隧道掘进机的工作状态，提高相关专业知识及培训效果。
本实施例提供的一种盾构地质与隧道可视化方法，包括：获取模型资源、超前地质预报结果、实时位置、实时参数、地球物理反演结果等数据；对获取的模型资源进行分解和真实感渲染；对钻孔数据使用克里金插值算法进行三维建模；对超前地质预报结果、实时位置、进行真实物理位置标记；对地球物理反演结果进行体绘制，对体绘制结果与地质模型进行真实物理位置标记以及融合显示；对实时参数动态更新展示，根据实时参数实时控制隧道掘进机模型工作转态及动画；对用户手势输入和语音输入进行识别；对识别后的语音和手势完成相应的命令；对不同应用场景设计不同工具栏及图形用户界面；在工程上可以使用户在施工场景查看工程信息以及人员调配帮助用户进行工程管理决策，在施工场景外也可以动态感知掘进机状态，工程进度等。
实施例二
本实施例二的目的是提供一种盾构地质与隧道可视化系统，如图2所示，具体包括：
（1）数据层，包括：模型资源，超前地质预报结果，实时位置，实时参数，地球物理反演结果。即，数据模块，被配置为实时获取隧道掘进机传感器数据、地球物理数据、地质异常体数据、工作人与及隧道掘进机关键组件位置数据、地质模型及隧道掘进机模型数据。
具体地，在数据层中，包括了整个系统所需要的所有数据，其中模型资源分别为隧道掘进机模型以及地质模型，实时位置数据包括工作人员位置以及关键组件位置数据，实时参数包括隧道掘进机传感器参数和岩体感知参数所有数据都从本地数据库中获取。
（2）应用层；包括：盾构地质隧道掘进数字孪生可视化应用。即，应用模块，被配置为盾构地质与隧道掘进数字孪生可视化应用，应用可以对地质模型及隧道掘进机模型进行查看并展示隧道掘进机的工作状态和原理；可以对隧道掘进机组件进行分解并展示各个组件的详细信息；可以进入真实感隧道掘进场景进行沉浸式漫游；实时查看隧道掘进机的传感器数据，查看地球物理数据体绘制结果，查看工作人员及重要组件的实时位置，以及查看超前地质预报结果。
具体的，在盾构地质应用中，主要分为地质模型及掘进机模型的展示和查看；隧道掘进机组件分解介绍，用于介绍隧道掘进机的工作原理，组件构成等；隧道掘进机真实比例体验及沉浸式隧道场景漫游应用，在该功能中可以在虚拟隧道场景中漫游，参观真实隧道掘进机的工作状态；隧道掘进机实时参数展示，地球物理反演结果展示，超前地质预报结果展示，工作人员及组件实时定位等应用。
其中，应用模块包括：
三维地质模型构建模块，其被配置为：获取地勘数据，通过克里金插值算法得到高程数据，并基于高程数据建立地层分隔面，得到三维地质模型，并进行六面体剖分，基于剖分后的三维地质模型，通过超前预报，得到不规则异常体；
三维地质模型更新模块，其被配置为：将所述不规则异常体和隧道素描过程得到的隧道模型，进行网格化后，通过布尔运算，更新到三维地质模型；
模型融合模块，其被配置为：获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对所述三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，将采样点的透明度和颜色累积，得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合。
（3）用户界面层，包括：登录界面，主菜单界面，模型展示界面，沉浸式体验界面以及手势交互和语音交互。即，用户界面模块，被配置为登录界面，主菜单界面以及模型展示界面和沉浸式体验界面，所有的用户界面都实时追踪用户的手势以及语音输入，已达到与系统交互的目的。
具体的，在登录界面中用户通过手势输入输入用户名和密码，获取不同应用权限，登录完成之后进入主菜单界面，主菜单界面可以选择不同类型的掘进机模型从而进入模型展示界面，在模型展示界面，我们可以同时看到由钻孔数据生成的三维地质模型，以及在地质模型中工作的盾构机，还有由科学计算结果得到的地质异常体模型以及地球物理数据可视化图像，所有物体都在同一场景下进行融合显示，通过人员位置信息还可以实时展示工作人员位置，用户可以通过语音命令以及对工具栏的操作进行交互，同时模型展示界面可以与沉浸式界面进行切换，在沉浸式场景中，用户可以进入正在施工的隧道内部，在隧道中漫游，或选择指定视角漫游，用户可以通过语音命令或工具栏从沉浸式体验界面切换回模型展示界面。
在本实施例中，获取隧道掘进机实时参数以及地震波法探测的地球物理数据以及超前地质预报数据之后，基于实时参数生成图表进行参数检测，对地球物理数据进行体绘制并在真实物理位置展示，对超前地质预报结果进行真实位置标记，然后基于手势及语音交互面对虚拟图像进行交互，使用户可以在施工场所查看工程信息并做出决策和部署；对三维地质模型以及隧道掘进机模型进行渲染可以使用户直观的感知隧道掘进模型，对隧道掘进机动画的控制可以向用户展示隧道掘进机的工作原理，对隧道场景及隧道掘进机的真实感渲染可以让用户沉浸式认识隧道掘进机的工作状态及原理，提高了用户对抽象知识的理解能力。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，包括：
获取地勘数据，通过克里金插值算法得到高程数据，并基于高程数据建立地层分隔面，得到三维地质模型，并进行六面体剖分，基于剖分后的三维地质模型，通过超前预报，得到不规则异常体；
将所述不规则异常体和隧道素描过程得到的隧道模型，进行网格化后，通过布尔运算，更新到三维地质模型；
获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对所述三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，将采样点的透明度和颜色累积，得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合；
所述使用采样点的坐标对三维纹理采样的方法为：因为采样点的坐标范围是地球物理数据大小，而三维纹理的坐标范围为[0,1]，所以，要先将采样点转换到[0,1]，方法为：若采样点坐标为(sx,sy,sz)，地球物理数据大小为(vx,vy,vz)，则转换后的采样点坐标为(sx/vx, sy/vy, sz/vz)；用转换后的采样点坐标去采样三维纹理，获得该点处的地质属性，是一个地球物理数据标量值。
2.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，所述采样点的透明度和颜色累积的公式为：
Ci∆=(1- Ai-1∆) Ci+ Ci-1∆
Ai∆=(1- Ai-1∆) Ai+ Ai-1∆
其中，Ci∆表示前i个采样点累积的颜色，Ai∆表示前i个采样点累积的不透明度，Ci表示第i个采样点的颜色，Ai表示第i个采样点的不透明度。
3.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，所述三维地质模型和地球物理数据融合的过程中，将三维地质模型用灰度表示，且灰度代表地球物理数据在地质中的传播速度。
4.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，还包括：使用平面对三维地质模型进行剖切，显示剖面法向相反一侧的三维地质模型与截面。
5.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，还包括：将隧道掘进机模型按组件分解，得到组件全息图后，获取手部位置以及朝向，使用光线投射算法发射光线，计算光线与组件全息图的交点，若相交，则展示交点处的组件全息图。
6.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，还包括：对隧道掘进机模型及三维地质模型进行渲染，得到隧道场景，并响应于交互指令，在隧道场景中漫游。
7.如权利要求1所述的一种盾构地质与隧道可视化方法，其特征在于，还包括：获取隧道掘进机传感器数据，得到隧道掘进机组件实际运动参数，通过设置关键帧并在中间插值的方式，得到掘进动画。
8.一种盾构地质与隧道可视化系统，其特征在于，包括：
三维地质模型构建模块，其被配置为：获取地勘数据，通过克里金插值算法得到高程数据，并基于高程数据建立地层分隔面，得到三维地质模型，并进行六面体剖分，基于剖分后的三维地质模型，通过超前预报，得到不规则异常体；
三维地质模型更新模块，其被配置为：将所述不规则异常体和隧道素描过程得到的隧道模型，进行网格化后，通过布尔运算，更新到三维地质模型；
模型融合模块，其被配置为：获取地质勘探地球物理数据，并加载为三维纹理，提取地球物理数据的包围盒，并向地球物理数据的包围盒发射射线，若射线与包围盒相交，则得到进入点和出射点，对于每一条射线，采样点初始为进入点，并沿射线方向前进设定距离，得到下一个采样点，使用采样点的坐标对所述三维纹理采样，得到地球物理数据标量值，并为每个地球物理数据标量值设置透明度和颜色，将采样点的透明度和颜色累积，得到像素的颜色后，将三维地质模型和地球物理数据融合；
所述使用采样点的坐标对三维纹理采样的方法为：因为采样点的坐标范围是地球物理数据大小，而三维纹理的坐标范围为[0,1]，所以，要先将采样点转换到[0,1]，方法为：若采样点坐标为(sx,sy,sz)，地球物理数据大小为(vx,vy,vz)，则转换后的采样点坐标为(sx/vx, sy/vy, sz/vz)；用转换后的采样点坐标去采样三维纹理，获得该点处的地质属性，是一个地球物理数据标量值。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种盾构地质与隧道可视化方法中的步骤。
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