三维动态地质模型变形过程信息化视觉表达★

陈 静 谢飞鸿 董建辉 朱要强 邹银先 丁 恒

(1.成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106; 2.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004)

0 引言

三维动画制作技术随着计算机技术的飞速发展也取得飞速发展并且得到了广泛应用。其中3DMAX是近年来在三维建模中比较常用的软件，它拥有完善的建模、材质制作等功能。利用该软件制作的三维表达作品已经广泛应用于建筑艺术、隧道工程、工业设计等各个领域[1]。在传统表达方式上，增加一项利用三维动态地质模型来对复杂地质条件的变形过程做出信息化的视觉表达[2]。对工程上的施工原理及施工技术或是对复杂地质条件的地区可能发生的地灾变形过程进行演示。

随着现代科技飞速发展，表现手段与技术的出现与更新，各类制图软件层出不穷。作品联动多种制图软件，做到技术创新、表现形式创新、美感创新。主要涉及软件：CAD，Sketchup,PS,3DMAX,Pr等。

1 数据导入

首先，利用无人机在需要观察的地区进行拍摄取证，再利用Acute3D Viewer查看无人机拍摄的被观察地区全景图，见图1。通过利用Acute3D Viewer内旋转、移动和缩放等操作来达到仔细观察的目的。

第二步，利用AutoCAD绘制的具有高程的地形图，截取施工部分及施工影响部分的CAD图，见图2，将其导入Sketchup，利用Sketchup生成一个三维模型[3]，见图3，此三维模型将为后续建模工作打下必要基础。具体步骤为:在CAD中，使用命令“wblock”，将所需部分创建为“块”进行保存；将保存下的CAD图导入Sketchup中，利用插件，将具有高程的等高线生成面，最终做出一个三维的模型。

第三步，利用PhotoShop制作需要的图片素材和对已有图片素材进行加工处理。

第四步，利用3DMAX对我们正在研究的地质灾害的发生、发展以及后续的处理进行动态表达。利用基础的三维地形及处理好的图片素材，导入3DMAX 后，在3DMAX中建立三维模型，并利用3DMAX做成动态效果。

第五步，将各个片段的动画，利用Pr剪辑软件进行剪辑合成，形成一个连贯的视频作品。

2 模型建立

2.1 煤矿开挖的动画演示

在几何体工具栏中选择[长方体]，绘制一个矩形，在右侧参数一栏对长度分段、宽度分段进行复制，分段越多，细节把控越准确，然后在平面的顶点上选取合适点位，上拉或者下沉，制作出大致山体模型。利用构建出的采煤工作面二维画面，在3DMAX中将该截面地表以下部位描绘出来。其次，山体内部构建好之后，对模型的关键结构添加关键帧，做出采煤过程的动画演示。通过3DMAX先做出采煤机，令采煤机在煤层上朝前移动，后方有碎石块掉落，开挖过的地方形成采空区；由上往下开挖，每一层煤开挖过后，山体都会产生沉降，并且伴随着会产生裂缝；表达一个塌陷的过程，即挖煤的顺序是由上至下，依次能做出开采煤矿的顺序以及煤矿开挖后山体产生沉降等效果演示动画。对于不同的地质灾害，我们结合该地的历史情况以及用先进勘测设备勘测出来的时事情况，来分析它的产生原因、发展过程以及当地质灾害爆发时，灾害产生的位置、影响范围以及涉及到的房屋、人员安全和对当地地形地貌的影响等，见图4。

2.2 滑坡过程演化

通常情况下，长时间的降雨比较容易导致潜水型和层间水型滑坡的发生，而暴雨容易导致承压水型滑坡的发生[4，5]。

本作品中表述的主要原因是降雨：在3DMAX中，点击[创建]-[几何体]-[粒子系统]-[粒子流源]，在其中设置颜色、雨滴大小、数量、喷射方向、密集程度等参数。制造降雨特效，房屋建筑和公路等，模拟当地的实际情况。首先，利用之前做好的三维模型，切出会出现山体滑坡的区块，分离成为一个完整的块。适当时机添加设置好的降雨特效。其次，利用3DMAX的插件对分离出来的块进行碎块，再给碎块添加下滑、旋转和滚动等动作，使其下滑掉落至地面。再对各部件添加关键帧，制成地表隆起、碎石影响周围房屋及交通道路的动画演示[6]。调节整合各个部件的关键帧，使之连贯成一个山体滑坡的动画，见图5。

3 材质贴图

在3DMAX中，使用收集的高清图像，通过调整模型材质，可以增加模型质感，使模型更接近真实情况。

在界面上方，点击[渲染]-[材质编辑器]，对构建的模型的面或者整体进行贴图。模型材质选用“位图”，将调整的外观图像贴到指定面上[7]。再根据实际观察画面进行微调。随着情节的发展，会出现新的角色场景和道具，需要创造者们充分发挥创造力为角色设计合适的场景和道具。新元素的外观必须要与新建好的动画整体外观相吻合，最终达到一种既标准又独特的效果。

4 结语

本文针对贵州某煤矿的地质特点，基于已有研究数据与资料，结合引起山体滑坡的因素，使用3DMAX等软件，通过前期素材准备、数据导入、模型建立、材质贴图等步骤，实现三维模型信息化视觉表达。总结全文主要有以下几点：

1)利用Acute3D Viewer查看无人机航拍图像和已收集到的资料，通过3DMAX构建采煤机、山体和煤层等模型，结合实地地貌添加材质贴图，对模型添加关键帧，实现煤矿采矿过程的三维表达。

2)将收集到的CAD二维地形图，以“.dwg”格式导入Sketchup(草图大师)，生成三维地形图。在3DMAX中，对分离出的滑坡体部分进行破碎处理，并且制作降雨特效，逼真模拟由降雨引起滑坡的动态过程。

3)利用Pr剪辑软件，将煤矿开采与山体滑坡两个过程整合，搭配适当背景音乐，制作成一个完整视频。

4)简单叙述了三维动态模型制作的要领，并结合实际案例展现煤矿开采施工动画与滑坡动态过程的建模流程，以及模拟复杂地质条件的地质灾害变形过程。三维动态施工动画应用于施工人员技术培训、专家方案论证、施工结果预览等方面，推动了土木工程领域信息化视觉演示的发展。