淺談CGIS系統三維可視化應用

胡杭洲

摘要：地測信息系統（CGIS）的研制開發主要包括數據庫的建立，圖形的生成與編輯，三維模型的建立與應用等內容。其中，數據庫的建立涉及煤礦地質、測量、水文、儲量數據的采集、計算、查詢與報表，它是系統的基礎；三維模型的建立是煤礦多層實體模型數據對應與分析的前提；圖形的生成與編輯涉及煤礦柱狀類、剖面類、平面類、采掘工程類圖件等常規圖件的自動化生成與整飾，它是成果的最終表現形式。

關鍵字：地測信息系統（CGIS），數據，三維模型

1 CGIS系統軟件的設計思想

CGIS 是交互式圖形設計系統移植到PC 機上的二、三維交互式圖形設計軟件。功能十分強大， 系統命令有所擴充， 是目前運行在PC 機上的檔次較高的二、三維交互式圖形設計軟件。CGIS是一個地勘、地測領域的專業軟件， 是一個全軟件化設計、功能齊全、高度智能化的地質測量解決方案， 提供從原始數據管理到地測圖件自動生成的整體作業流程， 跟隨世界先進的圖形學算法和處理技術， CGIS創造和運用了大量先進實用的技術， 可以滿足地質勘探部門、礦山地測部門對數據管理和生產制圖的全部需求。開放的數據交換格式可與其他測圖軟件、GIS軟件等方便地共享數據。

2 系統的功能模塊

1）數據庫系統：

該系統分為5個子系統測量數據庫、巖移觀測數據庫、地質數據庫、水文數據庫、資源管理數據庫。系統能夠實現數據的輸人、輸出， 并進行分析處理、數據管理、查詢、報表生成與輸出、為圖形系統提取數據。

2）圖形系統：

圖形系統是以煤炭科學研究總院西安研究院的煤礦地測管理信息系統為基礎自行開發的，分為平面圖子系統、測量圖子系統、剖面圖子系統、素描圖子系統、小插圖子系統、圖例庫子系統、三維虛擬環境子系統。具有自動生成與人機交互功能， 實現了圖形各種比例的任意轉換。

平面圖子系統：

①讀取數據庫數據， 按要求自動處理數據與圖形， 動態生成和修改圖形。

②結合剖面圖子系統的數據， 處理煤層底板等高線及儲量計算圖。

③生成各種等值線圖。

④根據素描圖子系統的數據， 生成回采工作面地質平面圖。

⑤處理與水文地質有關的平面圖形， 如充水性圖、綜合水文地質圖等。

⑥為剖面圖提取數據。

測量圖子系統：

①讀取測量數據庫數據， 按要求自動處理數據與圖形， 動態生成和修改圖形。

②處理地形圖和工廣圖， 以及以它們為基礎的其它圖形。

③生成1：1000，1：2000，1：5000， ， 的采掘工程平面圖。

剖面圖子系統：

①讀取地質數據庫數據， 生成地質剖面圖。

②結合平面圖系統的數據處理勘探線剖面圖，預想剖面圖等。

③為平面圖提取特征數據， 實現平剖面圖的互相修改。素描及回采工作面子系統。

④自動生成巷道素描圖， 綜合柱狀圖， 并為回采工作面地質平面圖形準備數據。

⑤處理包括地質和測量內容在內的回采工作面。

素描圖系統子系統：

①能夠自動獲取巷道、煤層頂底板的數據，以自動生成煤層底板等高線圖。

②自動生成工作面綜合柱狀圖，數據來源于地質數據庫。

③能夠對巷道實測剖面圖進行整體裁剪，并自動生成標高線。

小插圖子系統：

①為數據庫管理信息系統準備各種示意圖或特定比例的局部附圖。

②用戶任意繪制的各種類型示意圖。

圖例庫子系統：

該系統可以管理與制作各類圖例，它具有完善的圖例、線型（煤炭標準規范）、字體。圖例庫子系統除了系統已提供的圖例外， 用戶還可以利用相關的功能自己構造圖例。平面和測量等系統所用的圖例都來源于圖例庫系統。

三維虛擬環境子系統：

系統主要利用礦井實際數據，采用虛擬現實技術和各種實體建模技術，構建三維可視化應用，并能夠通過與其它系統的接口（如瓦斯監測系統、視頻監控、ERP系統等），顯示監測、供電等實時數據，瀏覽、查詢井下設備的各種參數和實時狀態信息，從而達到無需下井亦可掌握礦井最新生產信息的目的。主要包括工業廣場三維可視化、巷道三維可視化、煤層三維可視化、三維井上下對照、基于三維巷道井下監測信息、井巷工程進度可視化、基于三維巷道井下設備三維可視化與管理、三維漫游、三維剖切、三維線路展示以及與ERP系統對接等功能。

主要實現功能：

（1）工業廣場主要建筑物、道路、綠地、樹木、煤倉、井口等的建模與可視化。

（2）三維地層模型，三維巷道、鉆孔、監測點、機電設備、井巷工程的建模。

（3）工業廣場與巷道、煤層、鉆孔以及回采工作面的三維可視化疊加，即可形成一種新型的井上下對照圖，即三維井上下對照圖。

（4）三維場景渲染、立體視覺生成、三維場景旋轉、平移、縮放及三維場景錄制。

（5）地表工業廣場及地表漫游，并可實現基于預定路線的漫游與基于Web的工業廣場三維漫游。

（6）三維信息查詢，包括鉆孔、巷道、工作面、實時監測信息的查詢。

（7）三維編輯、三維剖切，自動生成符合制圖規范的剖面圖。

（8）任意區域煤層的儲量估算。

（9）基于三維巷道布置圖的通風線路、避災線路、下井路線等展示與模擬。

（10）基于三維巷道布置圖的工作面信息動態管理，如回采工作面布置、設備布置等。

（11）基于三維巷道布置圖的井巷工程進度可視化管理，可以根據掘進進尺、巷道方位與巷道坡度等數據分段建立巷道幾何模型等，實現巷道進度查詢等。

（12）基于三維巷道布置圖實現監測監控、井下人員跟蹤定位、視頻監控等信息的集成應用與展示。

（13）基于3D-WebGIS實現管理層的輔助決策應用分析，如監測監控、避災線路分析等。

2） 三維數據場的可視化。實質上就是三維計算機圖形圖象繪制與處理技術， 包括三維立體圖的自動繪制、真實感圖象繪制、空間等值曲面生成技術等。在三維MGIS的研究和應用中， 可視化包括對三維數據本身及處理過程與結果的可視化。其基本思路是， 在三維數據結構的支持下， 通過空間對象的三維表達、數據更新對礦山實體進行構建， 并可對動態演變過程進行模擬。如對地質鉆孔數據進行三維可視化時， 首先根據實測鉆孔數據建立基于三維矢量數據結構的表達模型， 然后對各巖層界面（ 如煤層頂、底板） 進行內插后用TIN表示。而進行有關的空間分析時， 則可以用三維柵格或八叉樹數據結構進行可視化。

3） 虛擬現實。數字礦山中的虛擬現實模擬主要是通過虛擬GIS來實現的， 包括采礦工程規劃與管理、采礦過程動態模擬、采礦工藝優化、合理的資源開采方案確定、礦山安全預測、地表采動影響等。