谢景龙;张得
上海集邮
【摘 要】文中研究了矿山三维巷道参数化建模的方法,该方法采用参数化建模技术和基于巷道中心线的建模算法,将巷道分为不同类型的参数化模型,实现了其自动化的建立.最后,利用实测矿山巷道数据分别验证了建模方法和自动化建模程序的准确性,将三维巷道在二次开发程序中进行了可视化的展示.【期刊名称】《矿山测量》
【年(卷),期】2017(045)005
【总页数】5页(P5-9)
农村文化建设论文【关键词】三维巷道;参数化建模;MultiPatch;三维可视化
【作 者】谢景龙;张得
【作者单位】中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;海克斯康测绘与地理信息系统(青岛)有限公司,山东青岛 266101;中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
【正文语种】中 文
【中图分类】TD672
在矿山体系中，三维巷道能够直观的展示巷道的井下布局，为管理者和生产者提供了更加全面的巷道信息，具有一定的决策指导作用[1]。参数化三维巷道建模是通过将目标模型进行参数化方法的处理，通过在建模和优化阶段中进行不断的调整而生成最优解[2]。本文研究了不同巷道断面和巷道类型下的参数化建模方法，并最终实现了可视化的三维显示。 矿山井下巷道的分布与地面道路的分布情况存在着巨大的差异，井下巷道拥有着复杂的交错和互通关系，尽管井下巷道的用途和种类繁多，但是由于同类巷道具有极大的相似性[3-4]，依据参数化建模的思想，对不同类型的巷道体构建参数化的模块，最后根据实际空间分布将各个模块拼接在一起形成整个巷道体[5]。
巷道断面是指垂直于巷道中心线的横断面，在矿山的掘进生产和开采建设中，巷道断面主
永远的林青霞要采用梯形和直壁拱形两种，其中直壁拱形巷道多以半圆拱形为主[6]。因此，为了确保巷道建模的美观和实用性，又能够逼真地展现出巷道的真实空间形态，本文采取以半圆拱形作为岩巷和主要区域的巷道断面，以梯形和圆形作为煤巷等其他特殊巷道断面进行实验，并分别对水平巷道和倾斜巷道进行建模研究。
将半圆拱形曲面按照每15°一个点的分割尺度将其分成了12个部分，共有13个点，直壁巷道部分采用了4个点来表示巷道的长宽规格，其中两个点与圆弧分割点重合，如图1所示为半圆拱形巷道断面模拟的断面特征点示意图该断面的所有特征点的坐标值都可以通过O点的三维坐标、半径R的值和巷道的高H推算得出，连接所有特征点即为巷道的横断面结构模拟图。
梯形巷道和圆形巷道的分割思想与半圆拱形巷道类似。如图2所示，梯形巷道断面以梯形的轴平分线为基准线，将其分为主要的8个点代表梯形，通过几何关系可以推算出所有分割点的坐标值。如图3所示，圆形巷道是以巷道中心点O为中心，将圆按照每22.5°一个点的分割尺度分成16个部分，其中圆形断面的半径为R，所有的圆上模拟点都能够通过运算根据O点的坐标求得。
将生成的巷道断面插入到一条巷道两端，除了对巷道断面特征点的解算，还需要空间旋转的操作，如对空间向量进行平移(Move)、旋转(Rotate)等操作[7]。
在矿山体系中，简单直巷道是使用最为普遍、分布最为广泛的巷道，巷道断面没有形状变化，只需在巷道的起始点和终止点上插入巷道断面模型就能完成三维巷道的建立。
简单巷道的建模步骤为：(1)根据上一节所述的断面模拟方法，先提取出简单直巷道的起始点和终止点的三维坐标。(2)根据巷道断面的设计确定巷道断面的建模参数。(3)将巷道起始点和终止点的断面特征点全部求出，然后按照两个断面特征点的对应顺序将其连接起来。巷道两端选取特征点构成三角带，三角带组合生成半圆拱形曲面和矩形面片[8]。如图4所示，为三种断面类型的简单直巷道的建模效果。许远东
在矿山中复杂巷道体一般起到连接各个不同煤巷或者是过渡巷道体的作用。通过大量的实验和调研总结出：复杂巷道的曲面建立过程是一致的，只在弯曲的角度和尺寸上存在差异。本文使用了贝塞尔曲线进行曲面处理的方法，实现了不同类型复杂巷道体的构建。
贝塞尔曲线是根据一组点的集合绘制出来的一条光滑的曲线，它先通过曲线的参数方程来
确定四个任意位置的点，而后通过点的连接完成矢量曲线的绘制。贝塞尔曲线的起点、终点与其控制点的起点和终点重合，这种重合的性质使得它在做平滑处理时能很好的与原模型进行拼接。其次，贝塞尔曲线具有良好的对称性[9]。
1.3.1 弯曲巷道体的建模
弯曲巷道按照相交巷道的类型大体可以分为图5中所示的几种，一种属于两条巷道相交的情况，另一种属于巷道拐角的情况。具体的建模的过程包括两步，首先通过拐角的三个点确定出空间贝塞尔曲线的插入点坐标，然后在每个插入点上建立断面模型，连接相邻的断面模型特征点形成弯曲的巷道体。
在插入点建模后，还需要考虑模型之间的空间旋转问题。由于起点和终点处的方向向量与相邻插入点间的方向向量不同，因此为了实现两个断面连接点间的完美过渡，可直接将对应的插入点上的断面模型特征点对应连接，分别形成多个直巷道段，弯曲巷道就是由这一系列的短直巷道组成的。如图6所示，断面S1是通过向量V1确定的，它与巷道的走向保持垂直关系。而断面S2则是由插入点O2和O1间的向量V2来解算得出的，插入点上的断面模型之间以及与起始点的断面方向都是不同的，它们分别由各自的前进方向向量来确定。最假死机
后，将每两个相邻点上建立的断面相连就能完成模型建立。如图7所示，为不同断面类型的弯曲巷道的生成效果图。
1.3.2 相交巷道体的建模
政党监督复杂巷道体在建立过程中需要进行多次的平滑处理以及平移旋转的操作，而且根据不同的交叉情况，巷道相交处理方法也有些许差别。根据实际巷道的连接情况，可将巷道体复杂相交情况分为三巷道相交和四巷道相交两大类。
(1)三相交巷道体的建模
三相交巷道体中巷道间两两呈一定的角度分布。结合参数化建模技术，本文将三相交巷道体建模的两种常规方法进行了结合，精炼出一种能够适应不同情况三相交巷道体建模的通用方法，该方法只需要输入相应的节点数据等就能生成三维巷道。
此方法的具体建模流程是：首先，将三个相交巷道体的节点经过计算叉积后，按照顺时针进行排序，如图8所示为三个巷道节点的排序结果示意图。
其次，生成每两个点间的过渡曲面，此处不考虑两点是否共线的特例，统一将两点之间的连接方式按照生成曲面片的通用方法来处理，这也符合本文参数化的建模要求。如图9为两个内插点间建模的过程示意图。按照此方法，将所有内插点上建立的半圆拱形断面特征点对应全部连接起来，形成了所需的巷道拐角平滑曲面体。
最后，生成底面和顶面的面片，再将其与曲面片拼接完成模型建立。如图10所示，本文选择了一种通用的三巷道相交的情况进行实验，并模拟了其巷道建模和拼接的具体过程。
(2)四相交巷道体的建模
四巷道相交模型同三巷道相交的建模方法基本类似，进行两两巷道间细化处理的方法相同。如图11所示为四相交巷道体的构建过程。巷道AO、BO、CO、DO相交于点O，首先将点按照图论方法进行顺时针排序，再将两两巷道间进行平滑处理，按照巷道相邻的顺序生成过渡曲面片。图12为其他两种巷道断面的四相交巷道模型。
MultiPatch是一种多面体数据格式，它可以用作三维几何对象的边界表示，如表示三维物体的外表面或外壳。它同ArcGIS Engine中的Point、Polygon和Line要素类似，都是继承于
Geometry的对象元素。从理论上讲，在满足一定条件下，MultiPatch可以用一个合适的平面多面体来近似的表示某个任意规则的三维物体。根据点的排列顺序不同可产生不同的几何结构，主要包含了三种常用的单元要素：三角带(TriangleStrip)、三角扇(TriangleFan)和环(Ring)[10]。
本文创建MultiPatch数据模型是通过ArcGIS Engine进行开发来实现的。在ArcGIS Engine提供的Geometry图形要素处理接口函数库中，IConstructMultiPatch和IGeneralMultiPatchCreator接口都可以用来对MultiPatch对象进行操作[11]。通过IConstructMultiPatch接口可以创建一个标准的MultiPatch数据，再将这类型的数据转换为Geometry就可以进行其他的操作。
MultiPatch属于Geometry中的一种要素，在根据三角带和环等多面片的特性建立成MultiPatch数据后，需将该类型数据转换为IGeometry类。随后将Geometry数据添加到FeatureClass数据类型中，FeatureClass的接口函数能够实现在ArcGIS软件中对其进行操作。具体的MultiPatch数据生成步骤如下图13所示。
在对三维巷道可视化时，首先要建立FeatureClass图层，然后定义数据的投影坐标系和要
素集等必要字段信息，最后将生成的FeatureClass要素再导入到二次开发的可视化软件中，借助该软件平台的三维分析模块对巷道进行三维的可视化操作。
利用组件式GIS二次开发技术开发的三维可视化程序在可视化方面具有其特有的特点。首先，二次开发的程序脱离了ArcGIS较为臃肿的功能体系，只是将适用于实际需求的功能进行了相应的组装，程序较为简便，运行速度快。其次，二次开发的程序在功能上完美的继承了ArcGIS在三维可视化方面的优良特性，自带属性能够支持MultiPatch数据的加载，并且适合于三维图形的精细化展示。因此，使用基于组件式GIS二次开发的三维可视化程序能够完美实现对三维巷道模型的可视化展示。
在三维巷道模型生成算法和实验数据的基础上，本文对巷道的自动化建模做了进一步的讨论和设计。自动化建模的核心是数据结构和算法两大部分，即需要将实验数据进行分类、设计建模数据存储和读取的方法，并根据巷道之间的连接关系选择三维巷道生成的算法。
在基于对数据分类管理的思想上，根据图14所示的自动化建模流程实现了对三维巷道的建立。
相对于单条巷道，相交巷道的分类相对较为复杂，需要遍历所有巷道线的端点数据，通过判断端点数据是否相同来进行分类。但是使用遍历全部巷道来筛选相交巷道线段的工作量繁重，程序会因臃肿而运行缓慢。为了提高效率，本文通过建立巷道线的最小外包矩形的方法，先对巷道线进行初步筛选，将所有相交的线段先存储起来再做后续分类工作，效率提高明显。
根据上述方法，调用ArcGIS Engine相应功能的库类函数，在Visual Studio2010开发平台下实现了对三维巷道数据的自动化生成。
本文选取了某地区矿山的大量实测巷道数据，经处理后提取出巷道中线和三维坐标信息作为实验数据。该数据主要包括了岩巷和几个煤层巷道信息，共计单条巷道3056条，相交巷道体934个，三相交巷道体1285个，四相交巷道体121个。如图15为三维巷道的全景概括图。
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