采空區激光探測三維建模可視化集成系統CAD接口實現

羅周全，周吉明，羅貞焱，熊立新，張文芬

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采空區激光探測三維建模可視化集成系統CAD接口實現

羅周全，周吉明，羅貞焱，熊立新，張文芬

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083)

根據自主研發的采空區激光探測三維建模可視化集成系統的功能，研究CAD通用dxf格式文件的數據儲存特征，開發系統數據的CAD接口，實現由系統輸出的采空區三維點云模型、空區剖面、三角網格實體模型和掃描線三維實體模型dxf文件的自動生成。研究結果表明：接口的研發不僅能夠很好地實現集成系統與AutoCAD 之間的數據對接，為礦山開展采空區周邊相關開采工程設計帶來極大的方便，而且能為其他CAD接口技術的研發提供借鑒。

采空區；激光探測；三維建模；CAD接口；dxf文件

金屬和非金屬地下礦山開采形成的采空區是礦山主要災源之一，如何有效地探知采空區的空間位置和三維形態等相關信息，并建立其三維可視化模型是有效實現采空區安全管理和控制的重要基礎性工作之一[1?3]。當前，國內外對采空區的探測技術主要包括工程鉆探、地球物理勘探、三維激光探測等技術[4]，其中主要的采空區激光探測設備有加拿大Optech公司生產的CMS(cavity monitoring system)[5]和英國MDL公司生產的C-ALS(cavity auto scanner laser system)[6]等，它們基于激光測距的原理，通過掃描頭的旋轉掃描獲取大量采空區邊界的點云數據，通過處理軟件輸出掃描點的空間三維坐標信息。本文所采用的采空區激光掃描空間信息三維建模及計算分析集成系統由作者所在團隊自主研發，集采空區信息管理、三維建模及可視化分析與計算等功能于一體，其對采空區三維可視化安全管理和分析具有獨特優勢。為進一步拓展系統的功能，需實現與其他軟件之間的數據對接。AutoCAD是美國Autodesk公司研發的自動計算機輔助設計軟件，是目前世界上應用最廣的繪圖平臺[7]，其在礦業工程的應用涵蓋了地質數據與圖形處理、測量驗收、采礦設計、進度計劃編制、排土場設計、露天礦境界確定、開拓布線等礦山設計和生產的各個方面[8]。采空區激光探測三維建模可視化集成系統實現與AutoCAD的接口具有重要的應用價值[9]。dxf(drawing interchange format)是AutoCAD軟件用于保存數據的一種標準文件格式。它既可以實現與其他圖形格式的文件進行數據交換，也可以從中直接提取所需數據。實現txt文件向dxf數據存儲文件的轉化不僅能滿足集成系統的客觀功能需求，也為原始探測數據直接轉化dxf文件提供了準確有效的方法。通過研究AutoCAD R12/LT2 格式dxf文件數據存儲規律，借助Visual C++編程語言，結合國內外dxf數據存儲文件的轉化研究，研究采空區激光探測三維建模可視化集成系統數據輸出txt 格式文件向dxf數據存儲文件的轉化，不僅實現了集成系統與AutoCAD之間的數據對接，而且完善了國內外2種數據文件轉化的研究方法。

1 采空區激光探測三維建模可視化集成系統

綜合運用Visual C++編程工具、計算機三維圖形技術和數據庫技術，自主研發了采空區激光探測三維建模可視化集成系統。該集成系統以空區激光探測系統(CMS)探測獲取的采空區邊界點云空間信息數據為基礎，具備采空區三維模型構建及三維操作、采空區體積和頂板暴露面積計算以及采空區信息管理等功能。系統根據CMS掃描點的空間拓撲關系，運用多種三角剖分算法對采空區邊界點云數據進行三角剖分，實現了采空區三角網的構建。借助OpenGL三維圖形接口功能，建立了采空區三維可視化環境，實現了CMS掃描軌跡線、采空區三角網模型和實體模型的三維顯示、三維操作和計算等三維可視化管理功 能[10]。圖1和圖2所示分別為某地下礦山采空區三角網模型和實體模型的三維顯示。

圖1 采空區三角網模型三維顯示

圖2 采空區實體模型三維顯示

2 CAD接口文件特征分析及實現方法

AutoCAD軟件是礦山企業生產設計中必備的基礎軟件，實現激光探測三維建模可視化集成系統與AutoCAD之間的數據傳遞與共享是強化系統功能、提高其應用價值的必然要求。

AutoCAD R12/LT2格式dxf文件存儲結構簡單、數據存儲規律便于解析、數據寫入方便，是作為CAD接口文件的最佳文件格式之一，因此，選定該格式dxf文件作為采空區三維建模可視化集成系統與AutoCAD之間接口文件。

dxf文件可使用文本編輯器查看并編輯其內容。通過對dxf文件存儲結構解析發現，dxf文件主要由7個段組成，包括標題段(HEADER)、類段(CLASSES)、符號表段(TABLES)、塊段(BLOCKS)、圖元段(ENTITIES)、對象段(OBJECTS)、文件結束符號(組碼為0，關聯值為 EOF)[11?13]，其中圖元段(ENTITIES)包含圖形所需要的所有圖元以及圖元的各項信息，是dxf文件圖形顯示的最重要組成部分，也是本研究的重要突破點。dxf文件由組碼和關聯值構成，組碼確定了其后關聯值的類型，每個組碼和關聯值各占1行[14?15]。表1所示為dxf文件中圖元段常用組碼。

表1 dxf文件圖元段常用組碼

在深入分析dxf格式文件的應用范圍、數據存儲特征，解析各類圖形dxf文件存儲規律的基礎上，采用txt文件存儲構成圖形的采空區激光掃描點三維坐標信息，運用Visual C++編程語言，實現對txt文件的數據讀取以及對dxf文件的數據寫入。CAD接口按照圖元分析、數據讀取、數據寫入和應用驗證的技術方法實現，該技術方法的簡要流程圖如圖3所示。

圖3 CAD接口開發方法

集成系統通過三維數據操作，可形成并輸出txt文本格式的掃描點原始空間坐標、掃描剖面線構成點以及三維實體模型構成點的坐標信息。接口通過分析讀取txt文件，獲取采空區的空間信息，形成并輸出能為AutoCAD軟件讀取、編譯的dxf文件。

3 CAD接口實現

3.1 采空區掃描點CAD接口實現

采空區激光掃描點云數據由大量掃描點的空間坐標信息組成，該數據是構建采空區模型的基礎。采空區三維建模可視化集成系統對數據處理后以txt格式文件的方式輸出采空區點云數據，實現該點云數據在AutoCAD中的顯示、編輯，研究空間點dxf文件存儲規律，發現文件圖元段由大量點的三維坐標信息按順序排列組成，其簡要代碼結構如圖4所示。采空區掃描點CAD接口采用編程語言設計程序接口讀取txt文件中的坐標數據，然后按圖4中數據排列形式將讀取的數據寫入生成的空白dxf文件中。

注：圖中“POINT”表示空間點圖元要素，數據5，8，10等為組碼，數據4393.03等為坐標值

txt文本文件中包含了采空區所有有效掃描點的坐標信息，調用研發的采空區掃描點CAD接口程序，讀取txt文件并生成采空區掃描點dxf文件。通過掃描點CAD接口輸出的dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖5所示。表2所示為采空區掃描點CAD接口主要程序代碼。

圖5 采空區掃描點云模型顯示效果

表2 采空區掃描點CAD接口主要程序代碼

3.2 采空區剖面CAD接口實現

采空區三維建模可視化集成系統可對采空區三維實體模型進行剖切，形成采空區的剖面文件，將采空區的剖面導入AutoCAD中，以輔助礦山的開采設計。實體模型剖切生成的剖面線為多段線，研究解析多段線dxf格式文件存儲規律。文件圖元段中多段線以空間中各點為其頂點，按空間點輸入順序連接而成，按順序輸入的空間點三維坐標信息反映多段線三維信息。圖元段簡要代碼結構如圖6所示。

注：圖中“POLYLINE”表示三維多段線圖元，“VERTEX”表示頂點圖元

集成系統完成實體模型剖切后輸出txt格式數據存儲文件，該文件包含剖面線上所有掃描點的三維坐標信息。采空區剖面CAD接口采用Visual C++編程語言設計程序接口讀取txt文件中的數據信息，然后按圖6中圖元段數據存儲格式寫入到生成的空白dxf文件中。

通過調用研究的采空區剖面CAD接口程序可直接生成剖面的dxf文件。圖7所示為生成的dxf文件在AutoCAD中的顯示效果圖，表3所示為采空區剖面CAD接口主要程序代碼。

表3 采空區剖面CAD接口主要程序代碼

圖7 采空區實體模型剖面顯示效果

3.3 三維實體模型CAD接口實現

采空區三維實體模型的構建是采空區三維可視化技術的關鍵，目前三維實體模型的構建主要基于2種方式：一種是基于掃描點云的三角剖分構建三角網格模型，進而形成采空區實體模型；另一種是基于掃描軌跡線構建格網模型，從而形成采空區實體模型。以下從三角網格實體模型CAD接口和掃描線三維實體模型CAD接口2個方面分析采空區三維建模可視化集成系統三維實體模型CAD接口的實現結果。

3.3.1 三角網格實體模型CAD接口實現

采空區激光探測三維建模可視化集成系統研究了Grid三角剖分、最大張角三角剖分和割耳朵三角剖分等算法，實現對采空區所有有效掃描點的三角剖分，構建基于采空區三角網格模型的三維實體模型。研究解析三角網格實體模型dxf文件存儲規律，得出三角網格實體模型由大量三維面圖元構成。讀取三角網格3個頂點的坐標信息，并按照順序閉合3個頂點形成三維面，三角網格實體模型dxf文件圖元段的簡要代碼結構如圖8所示。

注：圖中“3DFACE”表示三維面圖元

集成系統完成對采空區點云數據三角剖分后輸出txt格式文件的三角網格模型數據，它包含所有三角網格頂點的三維坐標信息。三角網格實體模型CAD接口借助于Visual C++編程語言設計程序接口讀取網格模型中三角形的頂點坐標，然后按圖8所示的構成三角網格實體模型dxf文件的存儲規律將讀取的數據寫入自動生成地空白dxf文件中。通過三角網格實體模型CAD接口輸出的三角網格實體模型dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖9所示。

圖9 采空區三角網格實體模型顯示效果

3.3.2 掃描線三維實體模型CAD接口實現

基于采空區激光探測系統掃描軌跡線建立空區模型是采空區三維快速建模的有效途徑之一。研究解析掃描軌跡線三維實體模型dxf文件存儲規律，發現該實體模型的構建以掃描軌跡線為基礎，以多段線的形式按順序輸入相鄰2條軌跡線上的掃描點，并以順序對應的方式連接2條軌跡線上對應的點，從而形成格網模型，以此為基礎形成三維實體模型。掃描線三維實體模型dxf文件圖元段的簡要代碼結構如圖10所示。

圖10 掃描線三維實體模型dxf文件圖元段代碼結構

采空區激光探測系統得到的掃描軌跡線經三維建模可視化集成系統處理后以txt格式文件的方式輸出所有掃描軌跡線上點的三維坐標信息。掃描線三維實體模型的CAD接口程序運用Visual C++編程語言設計程序接口，讀取掃描線上各個掃描點坐標及它們的順序，然后，按圖10中掃描線三維實體模型數據存儲規律將數據寫入自動生成的空白dxf文件，通過掃描線三維實體模型CAD接口輸出的掃描軌跡線和掃描線三維實體模型dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖11所示。

(a) 掃描軌跡線；(b) 掃描線三維實體

4 結論

1) 根據采空區激光探測三維建模可視化集成系統的功能需求，解析了CAD接口文件存儲特征，提出了集成系統的CAD接口開發方法。

2) 開發了集成系統的CAD接口程序，實現了由系統輸出的采空區三維點云模型、空區剖面、三角網格實體模型和掃描線三維實體模型的dxf文件自動生成，實現了集成系統與AutoCAD 之間的對接。

參考文獻：

[1] 李夕兵, 李地元, 趙國彥, 等. 金屬礦地下采空區探測、處理與安全評判[J]. 采礦與安全工程學報, 2006, 23(1): 24?29.LI Xibing, LI Diyuan, ZHAO Guoyan, et al. Detecting, disposal and safety evaluation of the underground goaf in metal mines[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2006, 23(1): 24?29.

[2] 宮鳳強, 李夕兵, 董隴軍, 等. 基于未確知測度理論的采空區危險性評價研究[J].巖石力學與工程學報, 2008, 27(2): 323?330.GONG Fengqiang, LI Xibing, DONG Longjun, et al. Underground goaf risk evaluation based on uncertainty measurement theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(2): 323?330.

[3] 羅周全, 劉曉明, 張木毅, 等. 大規模采場三維探測及回采指標可視化計算[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2009, 40(6): 1732?1736.LUO Zhouquan, LIU Xiaoming, ZHANG Muyi, et al. Stope 3D monitoring and its mining index visible calculation[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(6):1732?1736.

[4] 過江, 古德生, 羅周全. 金屬礦山采空區3D激光探測新技術[J]. 礦冶工程, 2006, 26(5): 16?19.GUO Jiang, GU Desheng, LUO Zhouquan. A new technique of 3D laser survey of finished stopes in metal mines[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2006, 26(5): 16?19.

[5] 羅周全, 鹿浩, 袁節平, 等. 金屬礦采空區精密探測與三維建模技術[J].湖南科技大學學報(自然科學版), 2008, 23(3): 83?86.LUO Zhouquan, LU Hao, YUAN Jieping, et al. Metal mine’s mined-area precise survey and 3D modeling technology[J]. Journal of Hunan University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2008, 23(3): 83?86.

[6] 張耀平, 彭林, 劉圓. 基于C?ALS 實測的采空區三維建模技術及工程應用研究[J]. 礦業研究與開發, 2012, 32(1): 91?94.ZHANG Yaoping, PENG Lin, LIU Yuan. 3D Modeling technology of cavity based on C?ALS detection and its engineering application[J]. Mining Research and Development, 2012, 32(1): 91?94.

[7] Yamaguchi T, Kawase Y, Nishimura T, et al. 2D finite element analysis data creating system with CAD data[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 161(1): 311?314.

[8] 陳永鋒. AutoCAD及其在礦業工程中的應用[J]. 黃金科學技術, 2000, 8(3): 43?46.CHEN Yongfeng. AutoCAD and its applications in mining engineering[J]. Gold Science and Technology, 2000, 8(3): 43?46.

[9] ZHAO Hao, BAI Runcai, LIU Guangwei. 3D Modeling of open pit based on AutoCAD and application[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2011, 3: 258?265.

[10] 羅貞焱. 基于CMS探測的采空區三維可視化系統研究[D]. 長沙: 中南大學資源與安全工程學院, 2010: 75?76.LUO Zhenyan. The research of goaf’s 3D visual system based on MS detection[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2010: 75?76.

[11] 劉天立. 基于DXF實現C語言與AutoCAD接口[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2001, 6(4): 60?62.LIU Tianli. Realizing interface of C language and AutoCAD by DXF file[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2001, 6(4): 60?62.

[12] 汪同慶, 華晉, 魯軍, 等. 基于矢量圖形的特征識別方法[J]. 重慶大學學報(自然科學版), 2005, 28(1): 24?27.WANG Tongqing, HUA Jin, LU Jun, et al. Feature recognition based on vector picture[J]. Journal of Chongqing University (Natural Science Edition), 2005, 28(1): 24?27.

[13] 沈新普, 馮金龍. 基于AutoCAD有限元數值結果圖形顯示軟件開發[J]. 沈陽工業大學學報, 2009, 31(4): 428?431.SHEN Xinpu, FENG Jinlong. AutoCAD-based software development for numerical result visualization of finite element analysis[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(4): 428?431.

[14] LI Pengfei, GAO Tao, WANG Jianping, et al. Open architecture of CNC system research based on CAD graph-driven technology[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(6): 720?724

[15] YE Jianhua, XIE Minghong. Research on the method of realizing automatically programming tool of NC code and optimization ordering based on DXF file[J]. Journal of Shanghai University (English Edition), 2004, 8(S1): 172?176.

Realization of CAD interface in 3D modeling visualized integrated system of cavity’s laser detection

LUO Zhouquan, ZHOU Jiming, LUO Zhenyan, XIONG Lixin, ZHANG Wenfen

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to satisfy the functional requirements of the cavity’s 3D modeling integrated system, the data storage characteristics of dxf file used universally by CAD were researched. The CAD interface of system data was developed. The dxf files about cavity’s point cloud model, profile, triangular mesh entity model and entity model based on scanning strips created by the system were generated automatically. The results show that the data sharing between integrated systems and AutoCAD can be realized through this interface, and great conveniences can be brought by the interface in the works surrounding cavity such as relevant mining design, which provides useful reference for designing the CAD interface.

cavity; laser detection; 3D modeling; CAD interface; dxf file

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.021

TD76

A

1672?7207(2015)07?2532?07

2014?07?12；

2014?09?25

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK09B02-05)；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2013zzts061，2014zzts268) (Project(2012BAK09B02-05) supported by the National “Twelfth Five” Science and Technology Support Program; Projects(2013zzts061, 2014zzts268) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

羅周全，教授，從事金屬礦深井開采及災害辨析監控理論與技術研究；E-mail: lzq505@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)