礦井巷道數據提取及三維巷道可視化研究

劉　樂，樊　娟

（1.西安建筑科技大學 信息與工程學院，陜西　西安　710055； 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西　西安　710000）

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礦井巷道數據提取及三維巷道可視化研究

劉樂1，樊娟2

（1.西安建筑科技大學 信息與工程學院，陜西西安710055； 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710000）

摘要：針對傳統的獲取巷道數據的方式以及巷道模型通常需要借助Surpac，Skyline，3D Studio MAX等專業軟件進行三維顯示等問題，文章提出通過分析AutoCAD繪制的二維煤礦平面圖提取出巷道三維建模所需的基本數據，然后分析JSON格式的三維數據格式結合現有的三維建模算法得到JSON格式的三維巷道模型，最后采用最新的HTML5所推出的WebGL技術，實現了基于移動端的三維巷道可視化。

關鍵詞：礦井巷道；WebGL；JSON；可視化

隨著數字化進程在煤礦領域的發展，實現對煤礦的數字化管理、生產以及設計，并建立一個可視化的、三維的煤礦井下場景已經成為煤礦建設發展的趨勢。目前巷道的三維建模以及可視化顯示是通過實地測量的方式得到巷道的基本數據，然后將其導入到專業的礦山建模軟件中完成巷道的三維建模和可視化顯示［1］。但是對于一般的用戶而言，不僅需要獲取巷道的基本數據，而且還要在電腦上安裝龐大的礦山建模軟件；對于專業人員，也只能在PC端進行巷道的三維建模及其可視化，這給一般的使用者都帶來了很多不便之處。本文采用直接對AutoCAD所繪制的二維平面圖紙分析提取得到巷道的基本數據，然后運用WebGL的Three.JS渲染引擎對模型進行可視化。對于用戶而言，只需要一張煤礦的平面圖紙就能看到巷道的三維模型，而且WebGL技術不需要安裝任何插件就能在頁面上顯示復雜的三維模型，這就使得巷道三維模型在移動端的可視化變為了現實，用戶可以通過手機等移動設備查看巷道的三維模型，這給用戶和專業的使用者都帶來了巨大的便利。

1　巷道三維建模的數據來源與提取

本次試驗的數據來源是DXF格式的二維煤礦平面圖，如果將現有的礦井三維空間實體轉化為一張平面圖紙，那么必然是煤礦綜合工程平面圖紙，它包含了巷道、永久導線點、工作面參數、采區布置、地質構造狀況、通風線路等詳細信息，是整個礦井生產及安全管理的真實反映。因此，把煤礦綜合工程平面圖作為創建巷道三維模型的數據來源是精準、可靠的。

DXF是AutoCAD圖形文件中包含的全部信息標記數據的一種表示方法，用于AutoCAD圖形應用程序之間輸入、輸出的交互圖形文件。一個完整的DXF文件由標題段、表段、塊段、實體段和一個文件結尾組成。實體部分（ENTITIES）包含了所繪制圖形的所有數據，其中三維巷道建模所需要的基本信息（定義直線數據的起始坐標和終點坐標），可以通過對這一部分進行分析提取，提取的流程圖如圖1所示。

圖1　巷道基本信息的提取流程

提取出直線的起始坐標和終點坐標以及高程信息后，結合礦圖文件的比例尺信息就可以計算出直線的三維空間坐標，進而得到巷道的骨架圖（中心線）。

2　JSON格式巷道三維模型的生成

JSON格式是本文采用的可視化技術WebGL原始支持的三維數據格式，相比于其他的數據格式，JSON格式的輕量性、文本性和語言非依賴性令其成為了理想的網絡傳輸格式［2］，因而本文采用JSON三維數據格式。JSON格式巷道三維模型的生成，首先是運用分段法的建模思想將完整的巷道分為直巷道、彎曲巷道和交叉巷道分別進行模擬，得到各個巷道段的線框模型；然后將其轉化為JSON格式的巷道段，最后基于巷道的骨架圖加載對應JSON格式的巷道段得到JSON格式的巷道三維模型，其模型生成流程圖如圖2所示。

圖2　生成JSON格式三維巷道流程

2.1巷道的三維建模

對于復雜的巷道，采用分段法的思想將巷道分為直巷道、彎曲巷道和交叉巷道三部分進行模擬［3］。直巷道的模擬重點在于斷面的模擬，本文采用應用最為廣泛的直壁拱形斷面，斷面的模擬主要是通過離散巷道斷面上的特征點的方式完成，然后將巷道斷面沿某一方向進行相應拉伸得到直巷道段。彎曲巷道的模擬主要運用貝塞爾曲線完成巷道彎曲處的平滑過渡，基本思想是首先基于導線點加載巷道截面，然后離散斷面上的特征點，計算出各個特征點的坐標，最后將拱形斷面的相應的特征點作為貝塞爾曲線的控制點，繪制貝塞爾曲線，進而完成彎曲巷道的三維模擬。交叉巷道的建模算法［4］首選計算出相鄰分支巷道的公共特征點以及相鄰分支巷道相交處拱形斷面上的特征點，然后將巷道出拱形斷面進行拉伸完成巷道支干的模擬，最后通過連接相鄰分支巷道相交處拱形斷面上的特征點完成巷道交叉處底面的頂面的構建。

2.2JSON格式巷道段的生成

要完成各個巷道段的加載，首先要將上一步得出的各個巷道段的線框數據模型轉化為JSON格式的巷道段，以下是各個巷道段具體的轉換方法：

直巷道的轉換，是最簡單最基本的轉換，也是彎曲巷道和交叉巷道轉化的基礎，通過對vertices域和faces域的構建完成巷道格式的轉化，格式轉化的過程如圖3所示。

圖3　直巷道的轉換過程

vertices域（頂點）是通過將直巷道的特征點按順序遍歷完成頂點域的構建，faces域（模型的面）是根據特征點的幾何關系構建相應的三角面片，由于上一步出的巷道段的線框模擬是沒有材質等信息的，所以根據JSON格式的規則［5］，一個三角面片表示為：

faces ［0， V1，V2， V3， 0， 0， 0， 0， 0， 0］

根據JSON格式的規則，第一個0是二進制00 00 00 00的十進制數，表示模型的面是由三角面構成，三角面沒有材質、法向量以及頂點的顏色，V1，V2，V3表示三角面對應頂點的索引，后面的6個零表示貼圖的索引和頂點法線的索引。按照這種方式，構建出所有的三角面片，得到JSON格式的直巷道段。

彎曲巷道的模擬是采用Bezier插值算法實現的，巷道模擬的精度，由Bezier插值點生成線框模型的折線的線段數決定的，折線的段數越多時，巷道模擬的精度越高。生成的折線模擬方法也就是直巷道的模擬，所以彎曲巷道JSON格式的轉換是通過JSON格式的直巷道段一段一段拼接而成。

交叉巷道JSON格式轉化是通過將交叉巷道分為巷道支干和巷道交叉處頂面和底面分別進行轉化實現的，巷道支干的轉換也就是直巷道的轉化，巷道交叉處三角面片的構建是根據交叉巷道建模算法得出的相鄰分支巷道相交處拱形斷特征點的幾何關系完成的。

3　巷道三維模型的可視化

本文采用的可視化技術是WebGL的Three.JS框架，其渲染結構主要包括：Renderer、Scene和Camera。三維模型的渲染是通過首先給三維模型設置場景，然后將相機和設置好的場景加入到渲染器中完成的。通過THREE.JSONLoader（）可將巷道模型加載到場景中。三維模型的動態交互是通過鼠標事件和動畫循環實現的，通過renderer.render（）方法的設置便可實現動畫循環效果，巷道模型的平移、旋轉和縮放等基本交互操作是通過javascript的各類鼠標事件控制相機的位置和視角實現的。在Three.JS中提供了loadTexture（），ShaderMaterial（）等方法用于對三維模型進行貼圖處理。在完成巷道的數據提取、三維建模、格式轉換以及可視化顯示，就已經完成了本次論文的全部內容。以某煤礦某號煤層采掘工程平面圖為例，實驗結果巷道內部效果如圖4所示。

圖4　三維巷道內部效果圖

部分三維巷道顯示如圖5所示。

圖5　部分巷道顯示效果圖

4　結語

綜上所述，隨著國民經濟的不斷發展，物質生活水平的不斷提高，使用一張煤礦的平面圖紙和移動設備就可以看到煤礦巷道的三維顯示，這對普通用戶進和專業人士都提供了巨大的便利，加速了煤礦數字化的發展進程。

［參考文獻］

［1］于慧影，黃士紅.基于OpenGL的礦井巷道的可視化研究［J］.測繪科學，2013（5）：178-179.

［2］王珩瑋，胡振中.面向Web的BIM三維瀏覽與信息管理［J］.土木建筑工程，2013（3）：9-13.

［3］劉星，劉輝.基于O3D礦圖巷道三維轉換Web化的設計與實現［D］.沈陽：東北大學，2010.

［4］侯建光，朱月霞.礦山巷道三維建模數據組織與算法研究［J］.國土資源信息化，2014（29）：32.

Research on Mine Roadway Data Extraction and Three-dimensional Roadway Visualization

Liu Le1, Fan Juan2
（1.School of Information and Control Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an710055， China；2.CCTEG Xi’an Research Institute， Xi'an710000， China）

Abstract：With the problem of the traditional way of obtaining roadway data and roadway models often need the help of Surpac, Skyline， 3D Studio MAX or other specialized software for three-dimensional display， In this paper， by analyzing AutoCAD drawing twodimensional coal mine plan to extract the basic data needed for three-dimensional modeling， then analyze the JSON data format and the existing 3D modeling algorithm to obtain a three-dimensional model of the roadway in JSON format， Finally， using the latest HTML5 launched WebGL technology， To achieve a three-dimensional tunnel-based mobile end visualization.

Key words：roadway, WebGL; JSON; visualization

作者簡介：劉樂（1988-），男，陜西西安，碩士。