井上下一體化三維信息管理與應急系統構建

盧小平，朱　豐,2，豆喜鵬，趙現昌

(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 454003；2. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 3. 河南水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

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井上下一體化三維信息管理與應急系統構建

盧小平1，朱豐1,2，豆喜鵬3，趙現昌3

(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 454003；2. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 3. 河南水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

基于構建的地質體和特殊構造的混合真實網格模型、巷道紋理自動添加及不同巷道交叉拼接技術，實現了集工業廣場與井巷、地質體及采掘工作面于一體的井上下三維表達；利用多判據融合技術，研發了基于井下定位傳感網的人員逃生避險線路規劃與決策支持系統，實現了井下人員避災疏散、逃生自救等功能。示范應用表明，該系統顯著提高了煤礦安全生產管理與應急決策的信息化和科學化水平。

井上下一體化；三維信息管理；應急；逃生避險

近年來，國內許多大型礦業集團都在研發基于多專業、一體化的安全生產管理信息系統，但是由于業務流程還基本采用傳統思路，基礎信息不能很好地共享利用，同時缺乏三維可視化展示，因此無法真正實現多源信息的有效集成，更難以滿足多部門多專業的動態實時監督管理和決策應用。因此，運用先進的網絡地理信息系統、海量數據處理等技術構建井上下一體化三維信息管理與應急系統，打造以安全生產信息為基礎的數字礦山具有非常重要的現實意義。

本文綜合利用遙感影像和實測地質測繪數據，設計構建井上下三維信息管理與應急指揮系統，通過建立工業廣場真實場景、井上下一體化三維顯示，具有實時顯示礦山生產狀態信息、安全逃生路線規劃等功能，可為礦山安全生產管理提供技術支撐。

一、系統總體架構

系統的體系結構包括數據層、業務邏輯層和表現層。數據層管理和維護地理空間信息數據庫、礦區專題要素庫；通過業務邏輯層可實現真實場景的三維可視化及漫游，并為表現層提供地圖檢索、標注場景等公用函數開放接口；表現層通過界面表現和調用底層接口，實現用戶操作，并以插件調用形式與核心層集成。主要關鍵技術敘述如下。

1. 局部坐標系和局部觀察相機的建立

數字礦山系統中的一個礦體范圍一般僅有十幾到幾十平方千米，本文采用建立局部坐標系的方法解決了小場景漫游和瀏覽問題，采用的三維場景繪制流程、全局坐標系關系如圖1所示。

圖1　三維場景繪制流程

2. 海量影像數據壓縮、高效組織與管理技術

基于自適應紋理方向的小波變換算法提高壓縮倍率，采用自適應碼率分配方案有效保留圖像中邊緣、細節及微弱信息，實現對遙感影像的處理、信息提取和解譯。

針對空間數據網絡分布式特征，建立空間數據高效組織與管理機制，具有強大的查詢與檢索、海量數據的高速存儲/導出功能。

3. 多源海量數據管理

將多源、多尺度、多時相遙感數據和DEM數據，以及地名、境界、圖幅結合表等矢量要素，存儲于構建的影像數據庫；研究建立統一坐標系下的矢量數據與柵格數據管理模型及異構數據間的關聯模型，實現數多源海量數據的統一調度和一體化管理。

4. 巷道自動建模技術

本文改進了復雜地質體建模方法，研發了紋理自動添加和不同巷道之間的交叉拼接技術，實現了復雜地質結構體建模、井巷自動拼接及地下場景三維仿真。

二、系統設計與實現

1. 空間數據處理與組織

(1) 空間數據

空間數據處理技術包括以下內容：①投影轉換：將所有經過處理的影像數據統一轉換為Geographic投影，坐標單位采用“度”，數據格式為IMG；②不同數據層的處理：對各數據層進行暈色處理，使不同數據層色調均勻、反差適中，低精度數據向高精度數據配準，使不同數據層精確配準；③DEM數據處理：對1∶10 000～1∶50 000數字高程模型數據進行格式轉換、拼接、投影轉換、重采樣等處理；④遙感數據處理：收集礦區范圍內遙感數據影像，對其進行色彩調整、投影轉換、格式轉換、裁切、拼接等處理，形成符合入庫要求的遙感影像數據。

(2) 專題數據

地質圖件包含11大類數據，涵蓋了地質的8大圖件，如水文、地質、測繪等專業數據。最常用的3種圖件為鉆孔柱狀圖、采掘平面圖等。

(3) 數據組織方法

基礎地理信息數據庫用于構建三維GIS平臺，對數據的有效組織和管理是數據收集和客戶端應用之間的橋梁，同時關系到客戶端數據的可視化效果。

1) 柵格數據的組織。采用圖像分區處理及不同比例尺影像金字塔等技術，實現影像數據的高效查詢、網絡快速傳輸和可視化。

2) 矢量數據的組織。矢量數據包括地理空間數據(地名、路網、境界、水系等)和專題數據(礦產資源、煤礦專題數據等)，通過“多工程”邏輯數據組織模型、LOD數據分層技術和快速空間索引技術，對矢量數據進行高效管理。

2. 數據建庫

(1) 數據庫設計

1) 柵格數據庫。柵格數據表用于記錄圖像斑塊及坐標值、所在的圖層序號等。柵格數據一般為規則格網，且其分辨率及斑塊尺寸為定值，圖塊坐標值與對應的行列號一一對應。因此，本文將金字塔結構組織的影像數據分為N層×M層塊。由于Oracle數據庫最多只能存儲的記錄數為700 000，對于大于該值的影像層，就需要多個表進行記錄(見表1)。

表1中，0層—6層為一個表，第7層用4個表記錄4個半球的數據；表數量從第8層開始按四叉樹比例增加。

表1　圖層與表的關系

2) 矢量數據庫結構設計。矢量數據庫主要存儲邏輯管理信息和集合數據信息。要素層管理信息表用于管理不同類型的數據要素信息，幾何信息表和屬性信息表主要存儲要素的坐標信息和每個要素的屬性信息。

(2) 數據庫管理與維護系統

數據庫管理與維護系統采用C/S模式，用于實現地理空間數據、礦區專題數據的整理入庫、數據更新、質量檢查、數據庫性能配置等操作。

3. 基于全球架構的三維地理環境仿真漫游引擎

(1) 基本功能

讀取遙感影像和DEM數據，快速建立地面場景三維模型；通過鼠標或鍵盤控制平移、旋轉、縮放三維場景，并可依據視點高度自動顯示不同細節層次的地形場景。

(2) 關鍵技術

1) 采用DirectX 3D的API程序開發包建立三維視窗及全球統一坐標系，實現世界坐標系與地理球面坐標系、屏幕坐標系之間的轉換。

2) 采用LOD技術實現海量數據的顯示和管理，即根據不同視點高度和視窗顯示范圍，實時讀取該層分辨率、顯示窗口范圍內的數據；不顯示時，立即從內存中釋放。

3) 采用多線程并行處理方法，實現實時讀取數據并快速顯示功能。

4) 采用JPEG2000壓縮技術存儲影像，可節省存儲空間、提高傳輸效率。

三、井上下影像空間信息管理與應急系統構建

井上下影像空間信息管理與應急系統包括三維地理信息系統和數據支撐軟件(管理與發布系統)，利用遙感影像、DEM、地名、礦區等基礎地理信息數據庫和礦業專題數據庫，實現多尺度遙感影像的快速三維瀏覽、定位和查詢，礦產業務管理與分析、應急指揮等功能。

1. 應用模式設計

系統設計了集團—礦區—煤礦的多級數據組織管理模式，即在全球、全國或區域的小尺度上，實現多個礦區的綜合管理；在單個礦區大尺度上，具有精細場景的可視化表達和三維仿真瀏覽，以及巷道的標注添加查詢、巷道空間距離量測分析及逃生路線分析等功能。為實現對多個礦區的管理，開發了不同坐標系之間坐標參數的轉換類庫和工具，提供多種模式計算礦區中心點坐標。

2. 系統功能模塊設計

(1) 系統基礎功能

1) 三維場景瀏覽。以遙感影像和DEM為基礎構建的礦區地表大范圍三維場景，可任意改變觀察視角與高度，快速瀏覽影像和地形，并可結合行政區劃、礦區地名、道路水系等專題數據快速掌握全礦區概況。

2) 信息查詢與搜索定位。系統可根據行政區劃、地名坐標數據進行準確定位，提供快速查詢和瀏覽功能。通過輸入地名進行模糊查詢并進行定位或按行政區域進行選擇地名，并可定位飛行至所在區域。

3) 空間分析。提供空間距離量測、面積量測、體積量測、坡度坡向分析、斷面剖切、緩沖區分析、自動建模、場景動畫導出等空間分析功能。

(2) 系統專題功能實現

1) 礦區三維構建。分別構建地表和井下巷道立體模型，并將地上三維場景數據、巷道三維可視化數據進行無縫對接，實現井上下的三維一體化顯示(如圖2所示)。

圖2　井上下三維一體化模型

地表要素圖層構建。地表三維模型表示的要素包括水體、井口、通風孔、水文地質鉆孔、河流等，以地圖符號按實際位置建立圖層，標注名稱及位置，并根據地表要素特征構建真實三維符號和象形符號庫，實現地圖符號的實時調用。

2) 井下巷道建模。巷道建模包括兩種方式：一是將已建好的巷道模型通過數據轉換融合到系統中；二是依據巷道的測點和支距數據及紋理等自動建模。巷道采用圖層管理方式，每類巷道作為一個圖層，不同類型的巷道以不同的顏色或紋理進行表示，具有巷道模型顯隱、改變透明度等功能。

3) 巷道內部要素建模。巷道內部要素主要包括機運、通風、供電及給排水系統、水文監測點、避難所等。機電設備及管線等模型通過建模軟件完成，生成的模型數據導入模型庫進行管理，并按實際坐標置入到巷道中；水文監測點、避難所等要素根據坐標信息，以符號形式在系統中標注。

(3) 巷道相關功能

1) 巷道數據更新。新開采的巷道利用導線數據進行建模、區別化顯示，并支持單線巷道的延長和交叉巷道的生成擴展。

2) 巷道查詢和定位。通過空間雙擊巷道，實現巷道屬性查詢；利用屬性對巷道進行查詢和定位，支持不同條件下名稱、長度、坡度的模糊查詢，點擊查詢結果記錄，實現巷道快速定位。

3) 逃生路線分析。根據距離最近、用時最少或其他權重，實現緊急情況下最佳逃生路線分析與選擇；同時，系統還具有帶障礙點的路徑分析功能。

四、結束語

為滿足煤礦安全生產信息化管理需求，本文設計構建了井上下一體化三維信息管理與應急系統，具有數據組織管理、地質體建模、巷道建模、地上下一體化視點瀏覽等功能，為煤礦企業提供了礦區井上下三維信息管理與應急指揮平臺。

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The 3D Information Management and Emergency System for Coal Mine

LU Xiaoping,ZHU Feng,DOU Xipeng,ZHAO Xianchang

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0168.

2016-02-01

河南省高校創新團隊支持計劃項目(14IRTSTHN026)；河南理工大學2013年度博士基金(B2013-018)；河南省創新型科技創新團隊支持計劃

盧小平(1962—)，男，博士，教授，研究方向為攝影測量與遙感、數字礦山等。E-mail：hpuluxp@163.com

朱豐

P208

B

0494-0911(2016)05-0107-03

引文格式： 盧小平，朱豐，豆喜鵬，等. 井上下一體化三維信息管理與應急系統構建[J].測繪通報，2016(5)：107-109.