基于可视化技术的减震数据处理的研究与应用
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摘要
计算结果的可视化对建筑结构减震动力反应有重要意义。一方面，计算结果不再单纯的用数据体现，而是用图形或图像形象直观地显示，枯燥的数据、抽象的、难于理解的原理和规律变得易于理解，可以更加形象逼真地理解抗震体系，抗震体系的抗震性能的比较变得直观容易；另一方面，科学计算可视化技术的引入具有显著的社会经济效益。因为通常分析建筑结构减震动力反应需要进行结构抗震试验，这些试验可以研究地震的作用过程和结构动力破坏过程，然而，试验模拟受很多客观因素的限制，费用也很昂贵。而可视化计算分析可以吸取历次地震经验和教训反复试算，其结合抗震试验的结果，能更进一步提高结构设计的可靠度。
如果采用传统计算方法，不仅工作量大、数据量大，而且实验数据分析结果不直观，不利于直接比较。采用可视化技术则可以对结构设计参数进行修改，从而模拟反应的全过程和所有可能情况，从而提高工作效率和质量，降低造价[2]。
本文主要研究的是建筑体地震数据的可视化。本文在深入分析和总结前人研究成果的基础上，综合运用科学计算可视化技术，为可视化系统的搭建相应的平台：以Windowsxp为平台，采用Visual C++开发工具，调用OpenGL三维图形库，对数据进行可视化分析；按照可视化的处理流程：数据预处理、映射、绘制、显示四个步骤来设计建筑体地震数据可视化的结构；实现了对建筑震动数据的模拟可视化[3]。
抗震实验平台提供的数据分析软件仅仅针对与单道数据的分析，我们利用可视化技术对多道数据进行汇总分析[4]，首先是基本的单道数据显示，在此基础上在二维平面上显示多道数据，此时就可以对建筑体受到震动影响进行整体观测。我们希望通过对数据整体分析能够发现更多规律，这些规律在单道数据分析是无法体现出来，而这些规律对建筑体的受力及破坏机理有重要的评价作用。我们在深入分析和总结前人研究成果的基础上，综合运用科学计算可视化技术，为可视化系统的实现提供必要的条件[5]。
本课题主要包括几个模块：（1）读取建筑震动实验中采集的数据，并对数据进行预处理；（2）对数据进行分析与筛选；（3）利用自己构建的转换函数，将插值后的数据点将大地坐标转换成屏幕坐标；（4）利用通用的三维可视化开发工具—OpenGL，在VC++/MFC框架下，将插值后的数据点在桌面窗口显示出来。
Visualization of calculation results of the dynamic response of the building structuredamping is important. The one hand, the calculation is no longer simply reflect the data used,but the image of a graphic or image displayed visually boring data, abstract, difficult tounderstand the principles and laws becomes easy to understand, more realistic image of theunderstanding of the seismic system isolation system, seismic systems and seismicperformance of the isolation system becomes intuitive and easy; On the other hand, theintroduction of visualization in scientific computing has significant social and economicbenefits. Since analysis of the dynamic response of building structures damping the need forseismic tests, these tests can study the role of process and structure of power of the earthquakefailure process, however, the test simulates not all cases, and the cost is also very expensive.The calculation and analysis of the lessons of previous earthquake experience and lessonslearned, combined with the seismic test results, you can further improve the reliability of thestructure.
If you use the traditional method, not only a heavy workload, amount of data, andanalysis of the seismic test is not comprehensive. The visualization techniques can bemodified experimental parameters, to simulate the response of the whole process and allpossible, in order to improve work efficiency and quality, and reduce cost.
This paper studies the construction of seismic data visualization. In-depth analysis andsummarize the results of previous studies based on the integrated use of visualization inscientific computing technology, and visualization system to build the appropriate platform;Windows XP platform using Visual C++development tools, call the OpenGL3D graphicslibrary, visual analysis of data; according to the visualization of processes: datapreprocessing, mapping, drawing, showing the four steps to design the structure of thebuilding seismic data visualization; simulation of building vibration data visualization.
Data analysis software provided by the seismic experiment platform only forsingle-channel data analysis, we use visualization techniques for multi-channel data pooled
analysis [4], the first is the County’s basic single-channel data show, on this basis in thetwo dimensional plane is displayed on the multi-channel data can affect the overall concept ofpersonality building body shaken. We hope that the overall analysis of the data to find outmore laws, these laws cannot be reflected in the single-channel data analysis, these laws onthe building body has an important role of evaluation. And in-depth analysis and summary ofthe results of previous studies based on the integrated use of scientific computingvisualization techniques to provide the necessary conditions for the implementation of thevisualization system.
The main subject of several modules:(1) to read the data collected in the buildingvibration test, and data preprocessing;(2) to analyze data and screening;(3) the interpolateddata points to use to build their own conversion function to convert geodetic coordinates intoscreen coordinates;(4) general-purpose3D visualization development tools-the OpenGL inVC++/MFC framework, the interpolation of data points in a desktop window is displayed.
如果采用传统计算方法，不仅工作量大、数据量大，而且实验数据分析结果不直观，不利于直接比较。采用可视化技术则可以对结构设计参数进行修改，从而模拟反应的全过程和所有可能情况，从而提高工作效率和质量，降低造价[2]。
本文主要研究的是建筑体地震数据的可视化。本文在深入分析和总结前人研究成果的基础上，综合运用科学计算可视化技术，为可视化系统的搭建相应的平台：以Windowsxp为平台，采用Visual C++开发工具，调用OpenGL三维图形库，对数据进行可视化分析；按照可视化的处理流程：数据预处理、映射、绘制、显示四个步骤来设计建筑体地震数据可视化的结构；实现了对建筑震动数据的模拟可视化[3]。
抗震实验平台提供的数据分析软件仅仅针对与单道数据的分析，我们利用可视化技术对多道数据进行汇总分析[4]，首先是基本的单道数据显示，在此基础上在二维平面上显示多道数据，此时就可以对建筑体受到震动影响进行整体观测。我们希望通过对数据整体分析能够发现更多规律，这些规律在单道数据分析是无法体现出来，而这些规律对建筑体的受力及破坏机理有重要的评价作用。我们在深入分析和总结前人研究成果的基础上，综合运用科学计算可视化技术，为可视化系统的实现提供必要的条件[5]。
本课题主要包括几个模块：（1）读取建筑震动实验中采集的数据，并对数据进行预处理；（2）对数据进行分析与筛选；（3）利用自己构建的转换函数，将插值后的数据点将大地坐标转换成屏幕坐标；（4）利用通用的三维可视化开发工具—OpenGL，在VC++/MFC框架下，将插值后的数据点在桌面窗口显示出来。
Visualization of calculation results of the dynamic response of the building structuredamping is important. The one hand, the calculation is no longer simply reflect the data used,but the image of a graphic or image displayed visually boring data, abstract, difficult tounderstand the principles and laws becomes easy to understand, more realistic image of theunderstanding of the seismic system isolation system, seismic systems and seismicperformance of the isolation system becomes intuitive and easy; On the other hand, theintroduction of visualization in scientific computing has significant social and economicbenefits. Since analysis of the dynamic response of building structures damping the need forseismic tests, these tests can study the role of process and structure of power of the earthquakefailure process, however, the test simulates not all cases, and the cost is also very expensive.The calculation and analysis of the lessons of previous earthquake experience and lessonslearned, combined with the seismic test results, you can further improve the reliability of thestructure.
If you use the traditional method, not only a heavy workload, amount of data, andanalysis of the seismic test is not comprehensive. The visualization techniques can bemodified experimental parameters, to simulate the response of the whole process and allpossible, in order to improve work efficiency and quality, and reduce cost.
This paper studies the construction of seismic data visualization. In-depth analysis andsummarize the results of previous studies based on the integrated use of visualization inscientific computing technology, and visualization system to build the appropriate platform;Windows XP platform using Visual C++development tools, call the OpenGL3D graphicslibrary, visual analysis of data; according to the visualization of processes: datapreprocessing, mapping, drawing, showing the four steps to design the structure of thebuilding seismic data visualization; simulation of building vibration data visualization.
Data analysis software provided by the seismic experiment platform only forsingle-channel data analysis, we use visualization techniques for multi-channel data pooled
analysis [4], the first is the County’s basic single-channel data show, on this basis in thetwo dimensional plane is displayed on the multi-channel data can affect the overall concept ofpersonality building body shaken. We hope that the overall analysis of the data to find outmore laws, these laws cannot be reflected in the single-channel data analysis, these laws onthe building body has an important role of evaluation. And in-depth analysis and summary ofthe results of previous studies based on the integrated use of scientific computingvisualization techniques to provide the necessary conditions for the implementation of thevisualization system.
The main subject of several modules:(1) to read the data collected in the buildingvibration test, and data preprocessing;(2) to analyze data and screening;(3) the interpolateddata points to use to build their own conversion function to convert geodetic coordinates intoscreen coordinates;(4) general-purpose3D visualization development tools-the OpenGL inVC++/MFC framework, the interpolation of data points in a desktop window is displayed.
引文
[1]王东明.地震灾场模拟及救援虚拟仿真训练系统研究[D].黑龙江:中国地震局工程力学研究所,2008.
[2]黄庆华.地震作用下钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应分析[D].上海:同济大学,2006.
[3]宋正河.机械系统人机界面优化设计方法的研究[D].北京:中国农业大学,2000.
[4]李更想.基于Windows的三维可视化地震资料解释系统[D].陕西:西安科技大学,2006.
[5]王建强,管品武,李大望.摩擦摆基础隔震结构双向地震反应分析[J].世界地震工程,2005,03:13-17.
[6]熊森.建筑隔震技术及其进展[J].上海建材,2009:35-36.
[7]周云,龚健.摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅱ)——摩擦摆隔震结构的性能分析及摩擦摆隔震技术的应用[J].工程抗震与加固改造,2010:4-22.
[8]冯海英.可视化技术在抗震体系与隔震体系的地震反应分析中的应用研究[D].山西:太原理工大学,2006.
[9]巫炜.摩擦摆隔震结构分析[D].北京:北京交通大学,2007.
[10]刘晓强.科学可视化的研究现状与发展趋势[J].工程图学学报,1997, Z1:128-134.
[11]马仁安.基于微机的三维地震数据可视化技术研究[D].江苏:南京理工大学,2004.
[12]周锡元,阎维明,杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报,2002(2),2-12+26.
[13]曹永生.地震数据处理及可视化技术研究与应用[D].四川:电子科技大学,2011.
[14]刘涛,王龙军.关于三维地震可视化的分析[J].科技信息(学术研究),2008,18:364-366.
[15]贾艾晨.大坝地震反应数据场可视化方法研究[D].辽宁:大连理工大学,2003.
[16]吴少岩,李晓梅,吴健安.科学计算可视化[J].计算机工程与科学,1993,02:34-40.
[17]周杲.地质科学计算可视化软件系统研究[D].四川:成都理工大学,2002.
[18]丰彪.基于PC机的视景仿真技术与房屋震害演示系统[D].黑龙江:中国地震局工程力学研究所,2003.
[19]魏广明.基于OpenGL的地球物理数据可视化软件实现[D].北京:中国地质大学,2007.
[20]陆瑶,邬春学,易慧媛. OpenGL建模技术在VC++.NET环境下的实现方法研究[J].现代电子技术,2007,10:119-121.
[21]朱亚平,杨慧珠,董渊,倪逸. OpenGL技术在地震数据可视化中的应用[J].石油地球物理勘探,2000,04:3-14+144.
[22]曲鹏举.基于OpenGL/VC++地质体三维可视化软件系统开发[D].河南:河南理工大学,2007.
[23]彭土有,史萍,邝英伟.三维地震数据体任意剖面抽取算法及C语言程序实现[J].物探化探计算技术,2009:10+112-117.
[24]程敬原,宋克柱,杨俊峰.时移地震数据采集和记录系统中的单缆测试系统设计[J].吉林大学学报(工学版),2006,02:99-103.
[25]聂万里,王文景,刘贤伦,周辉生,高丽,上官文明.数字地震分析软件WSGNPLOT的改进与应用[J].高原地震,2009:48-54.
[26]黄文静,唐龙,唐泽圣.体绘制及三维交互技术在地质数据可视化中的应用[J].工程图学学报,1998,03:64-70.
[27]庞国莉,黄猛,段丽.建筑物地震受力场景模拟的实现[J].福建电脑,2011:136-137.
[28]王琦,庄益明.煤田三维地震资料微机可视化及解释系统研究[J].中州煤炭,2006,05:11-12+22.
[29]编辑出版.轻松处理地震资料——昆腾公司大庆油田研究院解决方案[J].软件世界,2007,24:96.
[30]万斌,宋作尚,李安增,孙刚琨.三维地震勘探地震数据采集研究[J].山东煤炭科技,2010:122-123.
[31]易碧金,余倩兰,韩晓泉.地震数据采集记录系统常用数据传输编码技术[J].物探装备,2011:54-57+60.
[32]郑晓月.地震资料的三维空间交互式层面追踪解释方法研究[J].计算机工程与科学,2010:81-83.
[33]魏嘉,刘永宁,仇正兰,岳承祺,庞世明.地震综合解释数据平台的开发[J].石油物探,2009:18+118-124.
[34]师学明,刘江平,李永涛,张兵,李国良,阎丽妮.东湖水上地震的实验与教学改革初探[J].中国地质教育,2006,03:45-48.
[35]蔡国强.利用OpenGL实现工程结构地震反应分析的三维动态可视化[D].山西:太原理工大学,2004.
[36]廖朵朵.《OpenGL三维图形程序设计》系列讲座第二讲OpenGL基本编程[J].中国图象图形学报,1997,Z1,122-124.
[37] Liu Xuehui, Wu Enhua.《OpenGL三维图形程序设计》AGC系列讲座第三讲OpenGL基本功能操作——建模、变换、颜色、光照与材质[J].中国图象图形学报,1997,01,72-75.
[38]赵庆丹,罗传文,孙海洪,陈立.基于OpenGL和VC的树木三维可视化模拟实现[J].东北林业大学学报,2010,11,54-57.
[39]李庆,巫影,胡大斌.利用OpenGL技术实现科学计算可视化[J].武汉理工大学学报,2002,03:39-41.
[40]庞中磊.基于OpenGL的三维场景可视化研究及实现[D].天津:天津师范大学,2011.
[41]谢志鹏,陈锻生.用OpenGL开发三维交互式虚拟场景[J].计算机应用,2000,08:40-42.
[42]廖朵朵.《OpenGL三维图形程序设计》系列讲座(二)——第二讲OpenGL变换、光照、纹理、动画及特殊效果[J].微电脑世界,1996,11,151-153.
[43]王正强.OpenGL在VC++6.0开发环境下的编程实现[J].山西电子技术,2011,01,66+90.
[44]李更想.基于Windows的三维可视化地震资料解释系统[D].陕西:西安科技大学,2006.
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[2]黄庆华.地震作用下钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应分析[D].上海:同济大学,2006.
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