礦區井上下一體化管理系統的構建

邵改革，李向陽

（1.河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南焦作 454000；2.河南省基礎地理信息中心，河南鄭州 450003）

0 引言

近年來，國內外研發了一系列礦山安全生產管理信息系統，但對數字礦山本體認識不一致及軟硬件開發環境不同，各個系統相互獨立，存在很大程度的異構性，難以共享和互操作，且與地理空間信息沒有實質性的聯系。隨著地理信息技術、物聯網技術、三維可視化技術、信息獲取與傳輸技術等的快速發展，信息化管理正逐步應用于社會的不同領域，并在企業管理與決策中發揮十分重要的作用。因此，利用信息技術將礦山六大系統功能納入到統一的礦區井上下一體化三維信息管理平臺之中，從根本上提高安全生產信息化管控能力，是數字礦山發展的主要趨勢［1］。

礦區井上下一體化管理系統旨在解決礦山安全生產管理與應急指揮信息系統設計開發的難題。根據煤礦行業對信息化建設的需求，在實現信息查詢自動化的基礎上，建立集中管理的安全生產實時信息平臺，提高煤礦監管部門的監控力度，以信息化帶動企業管理和行政管理的科學化［2］。系統建立工業廣場地形地貌的三維影像景觀和礦區的井上下對照圖，充分利用反映礦山生產狀態的數據、表格和圖形，綜合安全生產管理的相關信息，包括井上下地質測繪、礦區地質災害與地質環境監測、井巷工程、安全監測等有關的信息，并對以上數據、圖形、統計等信息綜合處理，提供對突發事故模擬分析功能，可為礦山安全生產管理科學決策提供技術支撐。

1 技術路線

在國內外研究成果的基礎上，分析現有礦區三維管理系統的優缺點，總結出礦山信息管理系統需要亟待解決的問題。項目選取鶴煤八礦作為實驗區，通過對八礦實地調研和需求分析，提出針對性的解決方案。礦區的地面信息采集通過衛星遙感獲取影像資料，以及野外控制測量和實地調繪所取得的資料；礦區井下信息通過已有的數據分類和數字化，最后整理編輯成礦區基礎地理空間信息。礦區數據采用統一的地理坐標、編碼、交換格式及元數據標準，經過標準化處理，建立礦區空間信息數據庫。根據礦區現有的信息管理系統和對礦山安全生產管理的要求，構建礦區井上下一體化管理系統。

由于礦山具有三維本原性，利用三維GIS技術構建虛擬礦山能夠實現多源信息的有效集成，滿足多部門動態實時監督管理和輔助決策［3］。系統集合多源、多尺度遙感數據與其他調查數據，構建整個礦區統一管理的三維影像空間數據庫，建立工業廣場地形地貌的三維場景，實現多級分辨率遙感影像的快速顯示和礦區范圍內的無級漫游。將工業廣場與井下三維空間可視化疊加，即可形成一種準確的井上下對照關系。利用礦區實際數據構建三維可視化應用，瀏覽、查詢井上下設備的空間位置信息。系統采用分類圖層技術，創建地上下居民點、水文、地質體、巷道、瓦斯分布等要素圖層，實現圖層與地表三維的無縫融合，并使用目錄樹統一管理。為實現大量地理空間數據的高效管理，系統采用金字塔結構的多尺度柵格數據分層技術、網格與四叉樹相結合的索引技術，建立遙感影像和DEM數據管理機制，構建覆蓋礦區范圍的多尺度遙感影像和DEM數據庫，實現數據的快速入庫、更新和檢索，同時實現空間數據的快速查詢和瀏覽顯示［4］。

2 系統框架

系統采用三層體系結構，即由數據層、業務層、表現層構成［5］。每層負責各自業務邏輯，確保各部分的獨立性，以提高系統開發效率。業務邏輯層主要實現三維地理場景的漫游驅動，定義地圖查詢、場景標注等公用函數接口，并開放給表現層使用。表現層以動態插件調用的形式與核心層集成，通過界面表現和調用底層接口，實現各種用戶操作。系統按實際位置和長度構建巖石層、含水層、隔水層、煤層等地質體三維模型，并在地層立體模型中建立斷層等特殊地質構造模型；利用地勘數據構建巷道三維立體模型，真實再現巷道的立體場景。依據空間坐標系統與視截體關系得到屏幕視窗對應的空間范圍，按照數據庫組織層次調用該范圍內的DOM和DEM數據，并通過三維渲染技術達到實時三維瀏覽［6］。采用數據融合技術，將地表三維場景數據、地質體模型數據、巷道三維模型數據集合為有機的整體，構建礦區三維信息平臺。

3 功能模塊

根據數字化礦山建設的要求和礦區安全生產的實際情況，通過調研獲取各個生產部門需求，設計出礦區井上下一體化三維系統，主要功能如圖1所示。系統的功能模塊主要包括視圖操作、信息查詢、空間測量、空間分析、應急救援和自然效果模擬6個部分。針對礦區的特殊情況，需要對地下的鉆孔、地質體和巷道等礦山實體三維建模，不同的模型之間還要進行三維檢測。在對巷道模型做出修改時，需要模型分析；利用鉆孔數據構建出的三維地質體模型能夠進行剖切分析。除了三維GIS的基本功能，系統中還包含了對于井下安全生產管理的相關功能。系統通過OGRE技術實現對火災、透水等事故的模擬，提供最佳的應急救援方案，以便礦井工作人員逃生。在沒有最佳地下逃生路線的情況下，系統通過上下對照的功能，將事故發生點和井下被困人員的位置信息準確地反映到地面上，利于地面人員展開救援。

圖1 系統的功能模塊

4 系統實現

4.1 大數據組織管理技術

基于四叉樹結構研究柵格空間數據有效組織與管理技術，并針對空間數據網絡分布式特征，在傳統金字塔結構基礎上根據空間數據范圍索引構建多金字塔結構空間數據組織與管理系統，建立規范的數據查詢、索引機制，從而實現遙感影像的高效存取［7］。影像數據庫中不僅需要存儲不同數據源、不同比例尺、不同時相的影像數據，同時為實現影像的定位和檢索，還應具備地名數據、境界數據、圖幅結合表等矢量要素及DEM數據。針對如此復雜的數據類型，系統使用基于統一參考基準的柵格和矢量數據管理模型，并建立不同數據之間的關聯關系，實現數據的集成管理和統一調度。

4.2 礦區模型構建

系統利用覆蓋礦區的多尺度遙感數據、數字高程模型（DEM）和DOM，建立工業廣場地形地貌的三維影像景觀，實現多級分辨率遙感影像的可視化漫游，提供三維礦區地面場景全貌，地表模型如圖2所示。地質模型包括地質體建模、鉆孔建模、特殊地質構造建模，采用改進的似三棱柱建模方法，構建復雜地質體模型［8］。根據巷井的斷層數據、鉆孔數據、剖面數據以及區域地質調查獲得的有關數據，基于二維或三維剖面形成合理的斷層面，然后建立地質體和特殊構造混合的網格模型。巷道建模采用基于點源數據庫的中線、斷面建模方法，實現不規則的巷道模型無縫拼接。針對不同形狀、不同寬度三維巷道模型拼接，采用基于復雜度的拼接模式；對于不同復雜模式的拼接分別采用布爾拼接、數學拼接、差值拼接等方法，實現所有井巷工程的三維建模。根據巷道中線和巷道斷面構網建立巷道模型的技術難點是紋理的自動添加和不同巷道之間的交叉拼接問題，系統研究采用曲面擬合的方法以實現不同巷道交叉拼接處的自動拼接。巷道自動建模可以使用戶操作更方便，而且易于了解每天巷道掘進的進度。

4.3 三維場景模擬與交互

礦區井上下一體化管理系統中通過八叉樹算法實現三維場景管理器，經場景管理器篩選后再進行渲染，實驗表明：基于八叉樹算法渲染的三維場景表現細膩，且運行流暢。系統通過腳本開發粒子系統，設置粒子的相關屬性，實現對火災、透水等事故的模擬。井上下對照功能將工業廣場與巷道、煤層、鉆孔以及回采工作面的三維可視化疊加，形成一種直觀的井上下三維對照圖。系統將漫游視點分為3個主要級別：礦區、地質體、巷道內部。礦區視點可以查看礦區及其周邊環境分布情況；地質體視點可以查看所有地質體分布，了解地層結構的同時可以更好地顯示煤層位置信息；巷道內部視點可以查看工作面、通風巷、機電設備等井下關鍵位置點，并能夠以第一視點模擬選擇最優逃生路線，最佳逃生路線規劃如圖3所示。

5 結論

礦區井上下一體化管理系統建立多分辨率遙感影像、DEM等基礎地理空間信息數據庫，為礦區資源管理提供豐富的數據支撐。系統結合礦區生產實際情況，創建礦區井上下一體化三維模型，提高礦山管理的數字化和信息化水平。通過井上下準確位置對照和突發事故模擬，構建礦區井上下三維地理信息應用服務技術體系，為應急救援提供決策參考。系統雖然在井上下一體化管理方面取得一些研究成果，但因礦山實際地質環境和空間分布的復雜性和其他方面的限制，仍需對成果進一步研究完善。

圖2 地表模型

圖3 最佳逃生路線分析

［1］吳立新，殷作如，鐘亞平.再論數字礦山：特征、框架與關鍵技術［J］.煤炭學報，2003（1）：1-6.

［2］譚得建，徐希康，張申.淺談自動化、信息化與數字礦山［J］.煤炭科學技術，2006（1）：23-27.

［3］毛善君，熊偉.煤礦虛擬環境系統的總體設計及初步實現［J］.煤炭學報，2005（5）：571-575.

［4］唐桂文，張慶娟，王功明，等.基于三維GIS的海量地形數據存儲和調度的研究［J］.測繪科學，2008（3）：110-112.

［5］趙小虎，王海波，譚得建.基于三層結構的煤礦信息化系統研究［J］.工礦自動化，2005（6）：10-12.

［6］陳引川，王洪偉，張立朝.利用坐標反算的投影網格算法［J］.測繪科學技術學報，2010（2）：146-148.

［7］劉揚，宮阿都，李京.基于數據分層分塊的海量三維地形四叉樹簡化模型［J］.測繪學報，2010（4）：410-415.

［8］程朋根，龔健雅，史文中，等.基于似三棱柱體的地質體三維建模與應用研究［J］.武漢大學學報·信息科學版，2004（7）：602-607.