礦井三維可視化系統平臺的研究

摘 要:礦井生產的安全性尤其重要，為了保證安全生產，高效率生產，必須加強礦山技術建設。信息的傳輸需要空間載體，而針對礦井三維模型可視化的需要，我們必須設計并實現礦井三維可視化模型。系統主要包括不同斷面巷道模型的分類和參數化構建、礦井液壓支架模型的實現、巷道紋理材質庫的選擇、光照選擇，巷道漫游等。

關鍵詞:礦井三維可視化數字礦山企業信息化

中圖分類號:TD8文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0014-02

礦產是我國工業發展的主要燃料，礦井生產主要依靠采掘、通風、運輸、排水、供電等系統，如果我們可以將這些系統運行中的數據通過計算機輸入設備傳輸，變換后疊置在矢量礦圖上，以此來揭示各種數據信息之間的關系，我們就能及時實現信息的可視化定位，全方位的定點系統的運行情況，達到實時監測的目的，這也是現代礦井技術發展的關鍵，也是推動礦井生產安全管理的重要途徑。因此，如何有效地收集、處理大量的系統運行數據，使這些信息可視地表達出來，并自動進行分析，成為現代礦井生產的主要目標。

1GIS技術與三維可視化技術

GIS(Geographic Information System)是現代新技術，它以計算機為主要載體，是進行數據管理和分析的主要系統工具，我們將GIS運用到礦井的生產和管理中，系統通過對礦井各種地質、地形因素的綜合研究和分析，以此來獲得可以滿足系統操作的信息數據，并能以圖表、圖形、圖像等形式將各種數據信息表達出來。三維可視化技術可以將大量的數據通過圖表和圖像的形式表現出來，讓原本抽象的數據變得更具體、更直接，還能將事物之間的聯生動的展現出來，以此來提高人們對數據信息的理解，做出更準確的決定。三維可視化技術是一種新的系統思想，并隨著科技的發展，已經在各個領域得到了廣泛的應用，是當前礦業、地質、巖土、地球物理等研究領域的前沿和熱點，用該項技術對礦井工作加以輔助，有利于將工作人員所需要的數據立體的呈現出來，通過對地質、地形等單元層位的拾取、追蹤，分析層位間的切割關系，并總結出規律，以便提高工作的精確度。

利用GIS及三維可視化技術能夠將礦井地質、地形等數據信息融入三維可視化空間，傳統的技術只能以二維平面格式顯示數據信息，而文本所說的三維可視技術是在此基礎上的一種創新，礦井管理人員和技術人員可以通過所得到的數據，綜合研究礦井各方面的地質、地形狀況，這對提高礦井的生產效率和生產質量有積極作用。因此，加強礦井三維可視化數據模型和體系結構的建設，同時適時、準確地為礦山企業的設計、施工、生產、模擬分析以及對數據信息的查詢、管理、維護等提供可行的技術途徑，都頗具實踐意義和生產價值。

2 三維視化仿真技術是數字礦山關鍵技術

礦山本身就是一個具備三維動態的地質環境，而礦山的整體地質、地貌都是在三維地理/地質環境中進行檢測的。因此，要真正實現DM，那也應是真三維的，即必須以3DGM為基礎，而目前3DGM的研究很少。DM是現代科技環境下，利用信息技術在傳統的礦山科技基礎上改革而來的，3DGM則是實施DM戰略的關鍵技術，它的軟件開發在礦山技術中起著重要作用。3DGM主要是為了解決的地質領域中出現的各種三維問題，如三維地層、斷裂、礦體和巷道的真三維動態顯示、三維巷道的空間拓撲分析、儲量的計算等問題而提出來的。實際上，巖體的復雜性和地質認識的都有一定的局限性，很難用現有的計算機技術理論和方法來處理這些復雜的問題，而我們研究三維地質模型及其動態顯示，就可以將這些數據和信息直接的展示出來。

3DGM軟件的研究和軟件開發就具有了重要意義，而3DGM理論、方法、技術和軟件目前尚不成熟。對于3DGM的研究和相關應用，首先可以去探索3DGM解決生產實際問題的實際效果;其次可以從研究中發現問題，以便于3DGM理論、方法和技術的更新和軟件建設。為此，我們除了要努力開發3DGM軟件外，還要總結國外的先進研究成果，并以3DGM軟件為核心，進行3DGM軟件與合適的GIS系統開發。

3 系統設計

實踐中，我們通常是采取對象的分析設計方法對系統設計進行分析，建立基于GIS的礦井三維可視化系統數據模型。可使用軟件MAPGIS7.0二次開發庫、Visual C++6.0、OpenGL三維圖形庫和SQL Server 2000數據庫，并采用MFC類庫與API函數相結合的開發技術和ADO實現數據庫的訪問技術，合理構建一個三維可視化系統。

在系統設計的過程中，利用MAPGIS的部分功能，建立各種數據文件(點、線、面等)，還需創建地質構造模型和礦井通風模型，并將其運用到礦井工作面和巷道工作中去;解決多層地層、斷層的三維數據體顯示、巷道的數學模型建立及其自動或交互地生成和編輯問題，可以進行動態分析，仔細分析數據的變化規律;利用GIS的編輯功能，將鉆孔、定位點等作為點圖元的形式，把巷道、斷層等作為線圖元的形式，將煤區等作為面圖元的形式全面編輯和管理;利用GIS分析可以將點、線、面的數據實施提取后，利用系統功能將數據變成值線圖、網格立體圖等;通過切面系統，還可以對煤層的每一個切面進行分析，可以獲得不同區域煤層的綜合變化信息，系統還能進行開采演示，能幫助技術人員及時預測到各種問題，并提高預報和評估質量等。處理后的圖像呈現立體網面圖，利用切面系統對采煤和推進過程進行模擬演示，或者采用霧化技術實現巷道中瓦斯濃度分布及變化的模擬結合VR技術進行事故模擬仿真等。

4 系統軟件的主要功能

4.1 采掘工程生產管理三維可視化

通過礦井三維工程設計系統，可以建立一個開采的三維視圖，并以此為圖形，任意放大、縮小或從其它方面進行觀察;三維工程圖形的尺度的形狀與設計或實際的相符，工程人員就可以直接在途中測量各種數據。

我們在視圖中點擊任意工程，系統會自動將工程的名稱、總長度、任意區段的長度、方位以及坡度任意點的三維坐標顯示出來;還可以通過改變坐標來改變三維圖形。

根據工程導線，查看工程內部三維結構和設備布置狀況。

如果有礦井下的實況錄像，點擊三維圖形工程，系統就能直接播放錄像，以便工程人員對具體施工方案進行分析和討論。

可以在三維立體圖上就行任意剖切，對物體進行全方位的觀察。

在三維礦井采掘立體圖中，它可以根據數據輸入的順序，回放工作信息實情;自動計算各掘進巷道的已掘工程量和剩余工程量，自動計算出回采工作面的已采儲量、剩余儲量、回收率、當前位置工作面的采高和傾角。

根據礦井生產系統的是實際情況，在整個工作環境中快速生成通風系統、安全避災線路、運輸系統、排水系統供電系統的三維線路圖，并標明所有的路線和方向，實現三維動畫顯示。

4.2 礦井地質與測量信息管理三維可視化

根據平面等高線和斷層輪廓線制作三維地層(含斷層)立體圖。

多地層體制作及任意剖切功能。

地質數據測量和數據收集總結能自動完成。工程人員獲得的地下數據也能直接輸入系統進行分析，最后自動生產標準的圖表。

地測數據可以對圖形和設計進行修正。由地測數據自動生成三維工程導線圖，這種三維圖像直接反應了礦井工作面的地理空間，但它與設計的圖像有所差異，通過實際導線和設計導線圖在同一圖中比較，能更好的修正設計。

鉆孔圖標與鉆孔柱狀圖信息自動管理。使用地質與測量信息模塊，快速生成鉆孔圖標，并與鉆孔柱狀圖相對應。

任意區域地質儲量計算。在三維立體煤層圖像中，任意劃定區域，系統可以自動計算該區域的面積、體積、地質儲量、平均傾角和厚度，在指定的范圍內還可以去除小區域(如礦柱)進行儲量計算。

4.3 礦井安全監測信息管理與調度三維可視化

安全監測點可以在三維礦井圖像中標識出來，由于三維礦井視圖與礦井的實際場景一致，并且隨生產的變化而變化，且自動更新三維圖形。工程人員在得到礦井生產圖像的同時，還能更好的進行生產調度。

添加區域測站功能。如果有某一個測量點報警，如某工作面報警時，只需要點擊該點，該測量場所中的所有綜合監測信息就會立即顯示出來，此外，三維可視圖像也會切換到報警地點的區域圖，顯示出發生報警的位置。安全管理人員就能有針對性的對報警地點進行綜合監測。

瓦斯監測實時信息柱狀圖示。該系統與常規的安全檢測系統不同，系統對瓦斯實時數據采用柱狀圖示，這種方法可以讓工程人員用肉眼一眼判斷出多個測點的相對大小，如瓦斯超限，柱狀圖變紅色，直觀而迅速。而常規的表格數據滾動顯示，很難一眼就判定出檢測點的實際情況。

4.4 通風系統的三維自動構建

通風系統的三維自動構建是建立在礦井下的三維可視化圖形，它能直接顯示出礦井通風的方向。很多學者在巷道建模方面做了大量的工作，認為，該系統主要有網狀模型和體狀模型兩種。網狀模型是將巷道情況以二維的方式顯示出來，即用巷道的中心線代替巷道本身，用中心線間的拓撲關系表達巷道間的拓撲關系。體狀模型將巷道看成三維體狀實體，它由巷道弧和斷面等元素構成，以巷道弧表達巷道體的不同類型及該巷道體與其它巷道體的連接關系。這是礦井通風的三維模擬可視化系統，主要就是為了更詳細的了解風流的實際情況，因此可以把巷道模型簡化為二維，在立體上縱橫交錯形成三維網狀模型，但這也不會影響到其實際應用。

5 結語

數字礦山在現代的礦山建設中的重點，為了提高礦井的生產安全性與效率，近年來許多礦山都開始了數字化建設與設計。當礦山的資料呈現數字化，原來傳統的資料生成和管理方法都能實現革命性的該百年，以準確、實時的數字化數據管理模式推進礦山生產管理的發展，將以前需要大量人力物力才能完成的圖形繪制和管理工作，在計算機的輔助下進行，僅不僅減少了人力，還節省了投資成本，這對于礦山產業的機械化也是極大的推動。數字礦山的作用是不可估量的，對礦山的建設與開發作用也是巨大的，數字礦山是礦山建設的必由之路。

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