基于Ogre引擎的三維數字礦山管理系統設計與實現

朱煒鵬　張寧　李成建

【摘 要】本文以數字礦山原理為基礎，利用三維GIS、虛擬現實等技術手段，構建出湖南省資江煤礦的三維可視化和虛擬環境平臺。真實反映該礦山地上地下場景、采礦過程及其引起的相關現象。并在此基礎上，對礦區現有各類信息、安全系統進行集成管理，解決數字礦山建設管理過程中基礎信息不足、信息孤島等問題，為煤礦安全生產和管理提供技術支持。

【關鍵詞】數字礦山；虛擬現實； OGRE；集成管理

【Abstract】Based on the principle of digital mine， it uses the technology such as 3D GIS and virtual reality to construct a 3D visualization and virtual environment platform for Hunan Zijiang mine. It truely reflects the surface and underground scene， the mining process and related phenomena. On this basis， it not only provides an integrated management for the mining area of various existing information and the security system， but also solves the problem of insufficient basic information in the process of digital mine construction management and information island. Moreover， it provides technical support for coal mine safety production and management.

【Key words】Digital mine；Virtual reality； OGRE；Integrated management

0 引言

自1999年首屆“國際數字地球”大會提出數字礦山（Digital Mine）概念以來，三維數字礦山信息系統作為數字礦山技術的一個具體應用，已經成為國內外學者的研究熱點。三維數字礦山信息系統是針對礦山信息的復雜性、海量性、異構性和多尺度等特點，構建統一的綜合信息系統平臺，以實現礦山數據的可視化集成，達到礦山信息共享和互操作的目的，為采礦勘探和生產提供決策支持[1]。另一方面，為了加強礦山的日常安全生產監管和應急救援保障，安監總局相關文件要求，2013年金屬非金屬礦山必須建設完成安全避險六大系統。由于在實際的建設過程中，這些系統多數是獨立分期建設，自成體系，各系統間的數據信息難以共享。因此，礦山迫切需要對各系統進行統一集成管理。

本研究選用湖南省資江煤礦為具體研究對象，以數字礦山的三維可視化和虛擬環境為平臺，真實反映礦山地上地下場景、采礦過程及其引起的相關現象。并在此基礎上，對礦區現有各類信息、安全系統進行集成管理，解決數字礦山建設管理過程中基礎信息不足、信息孤島等問題，為煤礦安全生產和管理提供技術支持。

1 系統結構及設計思路

三維數字礦山管理系統結構主要分為三個部分：數據庫建設、礦山三維引擎封裝和應用系統開發與集成。系統框架如圖1所示。創建基礎地理空間數據庫，對資江煤礦各類實測數據進行分類整理后入庫。在保證數據來源真實可靠前提下，真實模擬出資江煤礦地上地下場景，包括礦區建筑、井巷系統、煤層分布、鉆孔與采掘工作面等，構建出真實的礦區三維全息化場景。在此基礎上，充分利用和整合礦山現有的安全監測、人員定位等安全生產管理系統，對各孤立系統進行集成，實現信息有效共享與統一管理。

1.1 礦山基礎地理信息數據庫建立

由于礦山建設時間長，涉及到的數據種類繁多，數據量大并存在周期性更新等特點。因此，在礦山三維信息系統建設之前，需要對礦山提供的各類不同專業的數據進行分類處理，統一格式及坐標信息，并建立基礎信息數據庫以供存儲，方便在后期系統的直接調用。建立的數據庫需要滿足海量存儲，數據結構清晰，便于檢索與更新等要求。主要的存儲內容如下：

（1）矢量數據：礦區1：2000實測地形圖、煤層底板等高線、巷道導線點、鉆孔坐標等數據。

（2）柵格數據：礦區數字高程模型（DEM）、礦區數字正攝影像圖（DOM）。

（3）模型：主要包括礦區的地表建筑物和井巷生產監測設備等，由3ds Max、SketchUp 等軟件創建模型，導出為.mesh格式供系統使用。

（4）元數據：是用來描述數據的數據，主要包括對數據集的描述，對各項數據來源、數據所有者以及數據序代（數據生產歷史）等的說明，通過元數據可以有效地利用計算機系統資源進行數據庫檢索，提高系統使用效率[2]。

1.2 三維可視化引擎設計

三維引擎設計和開發是三維礦山可視化平臺構建的核心和基石。它是獨立于外部資源，具有一定完整功能的底層函數集；它將數字礦山三維可視化中關鍵通用技術進行整理和封裝，構建出面向三維礦山應用的模塊框架，優良的三維引擎設計對于三維礦山系統的功能開發以及擴展有著至關重要的影響。

目前主流的三維圖形庫有Direct X、OpenGL等。本研究選用的是開源的Ogre庫。Ogre（Object-Oriented Graphics Rendering Engine，即：面向對象圖形渲染引擎）是一個用C++開發的面向場景、非常靈活的3D引擎，它旨在讓開發人員更容易、更直接地利用硬件加速的3D圖形系統開發應用。這個類庫隱藏了底層系統庫（如：Direct3D和OpenGL）的所有細節，提供了一個基于世界對象和其他直觀類的接口[3]。本研究在基于Ogre引擎基礎上，進一步封裝一套較為完善的針對于礦山應用的基礎類庫，其模塊結構如圖2所示。

2 三維模型生成

三維數字礦山系統是對地形、地上實體以及空間實體進行集成描述、建模、分析與管理的可視化信息系統，在三維空間建模過程中，需要對上述實體進行三維集成表達和整體數據管理。本系統主要采用3ds Max軟件工具建模和代碼建模兩種方式。主要對象建模方法有：

2.1 地表模型

地形表面的模擬是以地面數字高程模型（DEM）為基礎，建立地形基礎模型的不規則三角網（TIN），在此基礎上附加高分辨遙感影像作為紋理。

2.2 建筑模型和礦井設備模型

利用在3ds Max中建好的模型，導出為引擎支持的.mesh格式，加載到系統場景中。

2.3 煤層建模

煤層建模是以煤層底板等高線圖為基礎，沿等高線采集數據點，對采樣數據進行克里格插值加密，構建出不規則三角網模型，并附上煤樣紋理。

2.4 井巷模型

以全站儀實測巷道拐點數據為基礎，提取巷道中心線數據，然后再以各個中心線上的點為基準向外偏移，擴展得到巷道截面模型頂點，最終生成巷道的網格模型。

3 系統功能開發與集成

三維數字礦山信息管理系統是在現有的引擎基礎上，引入礦山建設、生產及管理等各類實際數據，搭建出能真實模擬還原礦山整體面貌的系統平臺。在三維全景展示礦區生產建設場景基礎上，充分整合礦山現有安全監測、人員定位等安全生產系統信息，實現與各相關系統的統一集成管理。三維數字礦山信息管理系統的主要功能有：

3.1 三維漫游與瀏覽

基于礦山測量真實數據建立出精細礦山三維模型的展示，提供場景平移、縮放、飛行、旋轉以及屬性查詢等操作工具，實現礦山的虛擬漫游和瀏覽。

3.2 空間量算功能

系統提供了基本的空間量算功能，包括點位量算、距離量算和面積量算等。

3.3 視頻監控

在三維礦山系統中接入礦區的工作面、進出口等重點區域的實時監控視頻，在虛擬環境中接入真實影像，虛實結合的方式，更加有利于系統的高效監控與管理。

3.4 安全監測

在三維可視化平臺中集成安全監測設備，提供設備相關信息查詢。并接入現有安全監測系統實時信息，監測各主要巷道的瓦斯（一氧化碳、甲烷等）含量以及溫度、風速等環境參數，對于超限或危險數據及時監測報警。

3.5 人員定位系統

湖南資江煤礦已建設完成的人員定位系統是通過在主要巷道內設置基站，通過人員識別卡準確獲取員工通過某區域的坐標、時間等信息。這也是目前多數礦山采用的位置收集方式。接入礦區人員定位系統后，可以及時、準確的在三維環境中反映出井下人員的位置信息、區域分布，并可以查詢井下人員歷史軌跡，使得管理人員可以隨時掌握井下人員信息，方便、高效地調度管理，同時也可作為日常人員考勤系統的依據。

3.6 鉆探救援分析

當井下巷道發生各類事故時，能迅速判定事故點位置，指示出垂直地表點的具體位置坐標。以坡度、距離、地質條件等因子綜合分析在指定范圍內地表最適宜救援點的位置，供鉆探救援使用。

3.7 最短路徑查詢

指定巷道內任意兩點位置，自動規劃出兩點間的最短路徑。對于路徑查找，尋找避災硐室等具有指示作用。

4 結束語

三維可視化技術的應用是礦山信息化管理中的重要一環，本研究依賴于湖南省資江煤礦的實際生產建設數據，構建出較為完善的三維數字礦山管理系統，真實客觀反映了礦區生產建設情況，有效整合資江煤礦的各類地測與安全監測信息，實現了礦山信息的可視化集成，可以為礦山生產決策與礦山救援提供幫助。

【參考文獻】

[1]僧德文，李仲學，等.數字礦山系統框架與關鍵技術研究[J].金屬礦山，2005（12）：47-50.

[2]安力立，陳建平，等.三維數字礦山信息系統的集成與研發[J].地質學刊，2012，36（3）：180-184.

[3]孫益輝，陳福民，王海峰.一種基于Ogre圖形引擎的實時分布式渲染系統[J].計算機工程與應用，2008，44（31）：102-104.

[責任編輯：曹明明]