礦山巷道三維建模的數據源與數據特點及其模型探析

陳小芹

（神華寧夏煤業集團梅花井煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

“數字礦山”是以計算機及其網絡為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數據實現數字化存儲、傳輸、表述和深加工，是對真實礦山整體及其相關現象的統一理解、表達與數字化再現。“數字礦山”是為了適應信息化社會的建設要求，是礦山信息化的完整解決方案，許多基礎理論和關鍵技術尚有待研究攻克。

1 巷道三維建模的數據源與數據特點

1.1 巷道三維建模的數據源

在數字城市建模中，能夠運用先進的技術和方法來獲取數據，獲取這些數據的方法有很多。而在礦山建模中數據的獲取卻很難，因為礦山測量的數據大部分在巷道里，不能把有些先進的測量方法和先進的儀器（如GPS、遙感影像等）應用到井下，所以傳統的測量方法仍然是井下測量的主要方法。由于井下的空間范圍相對來說比較小，不便布置三角網，因而導線測量是井下測量最主要的手段。

巷道相對來說空間區域不大，但從巷道自身的特點可以看出，巷道是由長、寬、高組成的一個體域，它的高度、寬度是有一定范圍，不過它的長度會隨著巷道掘進而增加。井下的每一條巷道都布置有導線點，導線點的坐標用經緯儀或全站儀可以測出平面二維坐標（x，y），用水準儀可以獲得較為精確的高程坐標（z），也即，巷道內導線點的三維坐標是可以通過測量手段來獲取的，因而巷道內的導線點是建立三維巷道的基礎數據。由于導線施測的需求，導線整個都在巷道內布設，但其點位大部分情況下卻是不規則的，在精度要求不高的巷道平面布置圖中，可以用來代替巷道中線，能夠描述巷道的延伸方向，在巷道三維建模中，為了精確表達巷道的三維布設情況，一般情況下，都采用巷道中線上的點作為基礎數據。如果把巷道抽象成一條線，這條線就是巷道中線，問題是怎樣把導線上的點逼近到巷道中線上。事實上井下巷道是實實在在的一個復雜多面體，僅用導線點描述這個體是遠遠不夠的。巷道的用處不同，其斷面的形狀、寬度、高度也不一樣，所以用以描述巷道斷面的數據也是建立巷道模型的一項數據源。另外，在建模過程中還需要一些其它數據，比如巷道的名稱、用途、顏色、紋理等屬性。

1.2 巷道三維建模的數據特點

1.2.1 掘進巷道的數據主要來源于礦山設計中的數據和礦山地測部門的實測數據，并且這些測量信息也是最重要、最準確的信息來源

1.2.2 導線的布設隨著巷道的掘進逐漸進行，自始至終沿著巷道，因此測量導線網簡單勾畫出了井下巷道的布置情況；井下測量隨著巷道的掘進逐漸順序進行，導線測量過程中，容易對巷道特征點和巷道附屬物進行精確測量；測量導線點具有三維坐標，從而確定了點的空間位置，巷道的斷面形狀確定了它的空間形態

2 巷道三維建模的數據模型

2.1 空間對象的分類與基本元素

由于三維模型的多樣性，所采用的數據結構也存在多樣性。雖然數據模型和所采用的數據結構存在著不確定性，但都遵循以下幾條原則：（1）模型必須便于完成用戶的特定要求；（2）盡量減少數據存儲空間；（3）數據處理耗時要盡可能的少；（4）數據維護簡單、方便；（5）與其他模型之間的兼容性要好。

矢量模型具有占用存儲空間小，表達地面幾何位置精確，易于表達地物間的空間關系等一系列優點。矢量模型中最具有代表性的是點、線、面模型，擴展到三維空間即為點、線、面、體模型。事實上，在點、線、面模型中最基本的元素是點和直線段，面和體是通過線和點來構造的，可以通過多條線的復合體來表達，點和線主要用來描述三維空間的二維和三維實體。如何對復雜的空間三維面或體模型進行剖分，從而利用點和線等簡單對象來描述。如前所述，三維空間實體可以按維數劃分為四類：零維實體、一維實體、二維實體和三維實體。其中點狀實體與線狀實體的空間特征表達相對簡單。所以在數據組織上都是針對點、線進行的。

通過對地理實體或現象及它們的相互關系、分布特征、空間特征進行分析和抽象，可把空間對象定義為如下幾種類型：

（1）點狀地物。點是零維幾何元素，它是三維數據模型中最基本的元素，曲線、曲面或其它形體均可用有序點集表示。點狀地物是零維空間目標，包括獨立地物點、結點。

（2）線狀地物。弧段是一維幾何元素，由起結點和終止結點加一系列有序點集表示。弧段一般沒有屬性意義，它可能是某線狀地物、面狀地物或體狀地物的一部分。線狀地物是一維空間目標，由一條或若干條弧段組成，有自己的屬性編碼和屬性表。

（3）面狀地物。面是二維幾何元素，是物體上一個有限、非零區域，由一個外環和若干個內環界定其范圍。面有方向性，一般用其外法線方向作為該面的正向。面狀地物是二維空間目標，由周邊弧段組成，有屬性編碼和屬性表的曲面，它不僅可表示地表上的地物，還可以表示地表下的各種層面。

（4）體狀地物。體是三維幾何元素，由封閉表面所圍成的空間，是歐式空間中非空、有界的封閉子集，其邊界是有限面的并集。體狀地物在體元素的基礎上包含了自己的屬性信息。

（5）復雜地物。復雜地物由上述4種地物中若干個地物組成。

2.2 巷道三維建模的數據模型

礦山巷道網絡三維建模的需要出發，可以利用面向對象的方法將礦山巷道網絡三維建模的基本元素抽象為點、線、面、體四大類。點類包括測量導線點、鉆孔采樣點、離散點等，線類包括巷道內的軌道線、電纜線、排水溝等，面類主要由巷道斷面和構造三維模型所需要的基礎面元組成，體類包括半巷道體、簡單巷道體（單一巷道體）、復雜巷道體和復合巷道體。半巷道體是為了建模方便對簡單巷道體的進一步剖分，一個簡單巷道體可由兩個或兩個以上的多個半巷道體組成。簡單巷道體，也可以稱作單一巷道體，它是沒有分支的巷道。

3 巷道三維建模的數據結構

巷道是采礦生產中將煤炭從工作面運送到地面，以及通風、安全輸送工人的通道。對整個礦井而言，巷道是其核心部分。礦山信息系統主要面對兩類空間目標，即掘進巷道和地層，因此礦井掘進巷道是礦山信息系統研究的重要內容之一。在巷道的掘進過程中，測量導線點數據一直起著重要的作用，并伴隨著巷道的掘進全過程。此外，測量導線點數據還是生成采掘工程圖的原始數據，無論采掘工程圖的比例尺如何變化，巷道的空間分布結構是不會隨之改變的。也就是說，測量數據已經將巷道的位置固定了下來，這對建立礦山巷道模型至關重要。

4 結束語

礦山巷道具有三維網絡特征，隨著信息技術的迅速發展，我們可以利用計算機管理礦山巷道的基本測量數據，并對礦山巷道的空間分布進行三維可視化，不僅能準確地記錄井巷工程的變遷、直觀地顯示巷道的三維視覺模型、方便地查詢巷道的有關信息、更好地進行地質采礦問題的分析，而且可使人們從傳統的大量數據及繁重的手工勞動中解脫出來，提高礦山的管理水平及工作效率。尤其重要的是，通過對礦山三維巷道可視化模型的空間分析，還可以輔助礦山巷道設計、掘進施工組織、災害救援決策等工作。

［1］梅志恒，陳箐，龔君芳.數字礦山巷道三維管理的研究與設計[J].工業安全與環保，2009，35(9):10-11.

［2］趙建忠，段康廉.三維建模在虛擬礦山系統中的應用[J].礦業研究與開發，2005，25(1):56-59.