礦山巷道三維建模的數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)特點及其模型探析

陳小芹

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)梅花井煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

“數(shù)字礦山”是以計算機及其網(wǎng)絡(luò)為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工，是對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解、表達(dá)與數(shù)字化再現(xiàn)?！皵?shù)字礦山”是為了適應(yīng)信息化社會的建設(shè)要求，是礦山信息化的完整解決方案，許多基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)尚有待研究攻克。

1 巷道三維建模的數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)特點

1.1 巷道三維建模的數(shù)據(jù)源

在數(shù)字城市建模中，能夠運用先進(jìn)的技術(shù)和方法來獲取數(shù)據(jù)，獲取這些數(shù)據(jù)的方法有很多。而在礦山建模中數(shù)據(jù)的獲取卻很難，因為礦山測量的數(shù)據(jù)大部分在巷道里，不能把有些先進(jìn)的測量方法和先進(jìn)的儀器（如GPS、遙感影像等）應(yīng)用到井下，所以傳統(tǒng)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(wǎng)，因而導(dǎo)線測量是井下測量最主要的手段。

巷道相對來說空間區(qū)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(jìn)而增加。井下的每一條巷道都布置有導(dǎo)線點，導(dǎo)線點的坐標(biāo)用經(jīng)緯儀或全站儀可以測出平面二維坐標(biāo)（x，y），用水準(zhǔn)儀可以獲得較為精確的高程坐標(biāo)（z），也即，巷道內(nèi)導(dǎo)線點的三維坐標(biāo)是可以通過測量手段來獲取的，因而巷道內(nèi)的導(dǎo)線點是建立三維巷道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于導(dǎo)線施測的需求，導(dǎo)線整個都在巷道內(nèi)布設(shè)，但其點位大部分情況下卻是不規(guī)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(dá)巷道的三維布設(shè)情況，一般情況下，都采用巷道中線上的點作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。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(dǎo)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(fù)雜多面體，僅用導(dǎo)線點描述這個體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)也是建立巷道模型的一項數(shù)據(jù)源。另外，在建模過程中還需要一些其它數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)特點

1.2.1 掘進(jìn)巷道的數(shù)據(jù)主要來源于礦山設(shè)計中的數(shù)據(jù)和礦山地測部門的實測數(shù)據(jù)，并且這些測量信息也是最重要、最準(zhǔn)確的信息來源

1.2.2 導(dǎo)線的布設(shè)隨著巷道的掘進(jìn)逐漸進(jìn)行，自始至終沿著巷道，因此測量導(dǎo)線網(wǎng)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(jìn)逐漸順序進(jìn)行，導(dǎo)線測量過程中，容易對巷道特征點和巷道附屬物進(jìn)行精確測量；測量導(dǎo)線點具有三維坐標(biāo)，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(tài)

2 巷道三維建模的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也存在多樣性。雖然數(shù)據(jù)模型和所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲空間；（3）數(shù)據(jù)處理耗時要盡可能的少；（4）數(shù)據(jù)維護(hù)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(dá)地面幾何位置精確，易于表達(dá)地物間的空間關(guān)系等一系列優(yōu)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(gòu)造的，可以通過多條線的復(fù)合體來表達(dá)，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(fù)雜的空間三維面或體模型進(jìn)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(shù)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(dá)相對簡單。所以在數(shù)據(jù)組織上都是針對點、線進(jìn)行的。

通過對地理實體或現(xiàn)象及它們的相互關(guān)系、分布特征、空間特征進(jìn)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(shù)據(jù)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(biāo)，包括獨立地物點、結(jié)點。

（2）線狀地物。弧段是一維幾何元素，由起結(jié)點和終止結(jié)點加一系列有序點集表示?；《我话銢]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(biāo)，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(qū)域，由一個外環(huán)和若干個內(nèi)環(huán)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(biāo)，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(chǔ)上包含了自己的屬性信息。

（5）復(fù)雜地物。復(fù)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(shù)據(jù)模型

礦山巷道網(wǎng)絡(luò)三維建模的需要出發(fā)，可以利用面向?qū)ο蟮姆椒▽⒌V山巷道網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)線點、鉆孔采樣點、離散點等，線類包括巷道內(nèi)的軌道線、電纜線、排水溝等，面類主要由巷道斷面和構(gòu)造三維模型所需要的基礎(chǔ)面元組成，體類包括半巷道體、簡單巷道體（單一巷道體）、復(fù)雜巷道體和復(fù)合巷道體。半巷道體是為了建模方便對簡單巷道體的進(jìn)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

巷道是采礦生產(chǎn)中將煤炭從工作面運送到地面，以及通風(fēng)、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(tǒng)主要面對兩類空間目標(biāo)，即掘進(jìn)巷道和地層，因此礦井掘進(jìn)巷道是礦山信息系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。在巷道的掘進(jìn)過程中，測量導(dǎo)線點數(shù)據(jù)一直起著重要的作用，并伴隨著巷道的掘進(jìn)全過程。此外，測量導(dǎo)線點數(shù)據(jù)還是生成采掘工程圖的原始數(shù)據(jù)，無論采掘工程圖的比例尺如何變化，巷道的空間分布結(jié)構(gòu)是不會隨之改變的。也就是說，測量數(shù)據(jù)已經(jīng)將巷道的位置固定了下來，這對建立礦山巷道模型至關(guān)重要。

4 結(jié)束語

礦山巷道具有三維網(wǎng)絡(luò)特征，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，我們可以利用計算機管理礦山巷道的基本測量數(shù)據(jù)，并對礦山巷道的空間分布進(jìn)行三維可視化，不僅能準(zhǔn)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(guān)信息、更好地進(jìn)行地質(zhì)采礦問題的分析，而且可使人們從傳統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)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(shè)計、掘進(jìn)施工組織、災(zāi)害救援決策等工作。

［1］梅志恒，陳箐，龔君芳.數(shù)字礦山巷道三維管理的研究與設(shè)計[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35(9):10-11.

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