礦井巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究及其動(dòng)態(tài)建模

邵亞琴，汪云甲，李永峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著數(shù)字礦山的不斷建設(shè)，三維礦山地理信息系統(tǒng)(3D Mine Geographical Information Systems，3DMGIS)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在地下開(kāi)采中，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)是重要組成部分，巷道作為礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的主體，是采礦過(guò)程中煤炭運(yùn)輸、安全通風(fēng)、工人輸送的通道，也是各種生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備的載體，其信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的更新、管理和建模，成為時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(Temporal Geographical Information Systems，TGIS)研究的熱點(diǎn)，在礦山生產(chǎn)組織、災(zāi)害預(yù)防、資源評(píng)估與管理、礦山開(kāi)采監(jiān)管和越界開(kāi)采監(jiān)控等方面都有強(qiáng)烈的應(yīng)用需求。

本文從時(shí)態(tài)三維礦山地理信息系統(tǒng)(T-3DMGIS)出發(fā)，研究一種面向巷道的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維建模。

1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型

為了有效組織和管理時(shí)空數(shù)據(jù)，需要建立一種使其屬性、空間和時(shí)間語(yǔ)義更完整的地理數(shù)據(jù)模型，能夠有效地提高時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)的運(yùn)行效率和分析能力。

針對(duì)不同特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了多種時(shí)空數(shù)據(jù)模型，包括基態(tài)修正模型、序列快照模型[1]、時(shí)空復(fù)合模型、面向?qū)ο蟮哪Ｐ蚚2-3]、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[4]、時(shí)間立方體模型[5]等。

基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型以其存儲(chǔ)冗余量低、表達(dá)地物變化充分、變化分析容易、在實(shí)際開(kāi)發(fā)中較易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[6]。基態(tài)修正模型的基本原理是將某一時(shí)刻的狀態(tài)作為基態(tài)，以后只記錄相對(duì)于基態(tài)的變化量，即可推出某一時(shí)刻空間對(duì)象的變化狀態(tài)。

基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型認(rèn)為各時(shí)刻狀態(tài)信息一旦發(fā)生變化則定義事件的產(chǎn)生，通過(guò)引入事件概念輔助于基于位置和面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄟM(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分析。其優(yōu)點(diǎn)是以事件作為數(shù)據(jù)模型的變化和更新單位，在時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的分析上使對(duì)象更明確。

2 礦井巷道的特點(diǎn)及其動(dòng)態(tài)變化分析

煤礦開(kāi)采分為兩種形式，包括露天開(kāi)采和地下開(kāi)采，其中煤礦地下開(kāi)采需要開(kāi)鑿一系列井巷，包括煤巷和巖巷，通過(guò)井巷進(jìn)入地下煤層后進(jìn)行采煤，所以地下開(kāi)采也稱(chēng)井下開(kāi)采。

礦井巷道作為地下開(kāi)采最重要的空間實(shí)體之一，其種類(lèi)很多，也有不同的分類(lèi)方法。如果按其空間位置分類(lèi)，則可分為豎直巷道、水平巷道、傾斜巷道和硐室。其中，豎直巷道包括豎井、小井和暗井，豎井是進(jìn)入地下的主要垂直巷道，一般位于井田中部，主要承擔(dān)運(yùn)輸、通風(fēng)的任務(wù)；水平巷道包括平硐、平巷、石門(mén)、煤門(mén)等，平巷一般在煤層中或巖層中沿著其走向進(jìn)行開(kāi)掘，石門(mén)則垂直或斜交于巖層走向；傾斜巷道包括斜井、上山、下山、溜煤眼、開(kāi)切眼，斜井是進(jìn)入地下的主要傾斜巷道，上山位于開(kāi)采水平之上，沿煤層或巖層從主要運(yùn)輸大巷由上而下開(kāi)掘的傾斜巷道，下山的位置和開(kāi)掘方向與上山相反，開(kāi)切眼則是連接區(qū)段運(yùn)輸平巷和區(qū)段回風(fēng)平巷的斜巷，準(zhǔn)備開(kāi)采的采煤工作面[7]。

礦井巷道的種類(lèi)繁多，空間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，形似空間網(wǎng)絡(luò)模型，在礦井建設(shè)和采煤過(guò)程中不斷更新和變化，為了實(shí)時(shí)更新巷道的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用其時(shí)空關(guān)系實(shí)現(xiàn)科學(xué)的管理、應(yīng)用和可視化，必須建立適合巷道自身特點(diǎn)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并具備合理的時(shí)空拓?fù)浔磉_(dá)[8-11]。

3 基于事件的基態(tài)修正巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型

針對(duì)礦井巷道的時(shí)空特點(diǎn)，以基態(tài)修正模型和基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型為原型，兼顧兩種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)，將引起基態(tài)的變化量視為事件的發(fā)生，在三維巷道模型中引入時(shí)間信息[12]，構(gòu)建基于事件的基態(tài)信息與變化信息之間的映射關(guān)系[13]，記錄巷道的變更時(shí)間，通過(guò)事件發(fā)生的時(shí)間序列組織變更文件，實(shí)現(xiàn)巷道數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化更新、顯示、管理和建模。

3.1 數(shù)據(jù)源

井下導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)是巷道最直接的數(shù)據(jù)源，一般分布在水平、采區(qū)、工作面、巷道、左幫、右?guī)停@取導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)三維坐標(biāo)后通過(guò)巷道中線(xiàn)逼近算法，計(jì)算出巷道中心導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)組織

源于地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)概念，ArcGIS軟件所涉及的網(wǎng)絡(luò)，由一組不同類(lèi)別的要素組成，這些要素可以度量，并能用圖形表達(dá)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成幾何網(wǎng)絡(luò)的要素被限制存在于網(wǎng)絡(luò)中，ArcGIS自動(dòng)維護(hù)幾何網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)要素之間的基于幾何的一致性拓?fù)潢P(guān)系。該幾何網(wǎng)絡(luò)包括邊線(xiàn)和交匯點(diǎn)，其中邊線(xiàn)可以代表巷道，交匯點(diǎn)可以代表巷道交點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)單的思想，就可以將井下巷道抽象為邊線(xiàn)和交匯點(diǎn)，將巷道抽象為單線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型，并賦予高程和時(shí)間[14]。

巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型有兩種數(shù)據(jù)組織形式，可以以“點(diǎn)”為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，即按照幾何網(wǎng)絡(luò)模型，使用“交匯點(diǎn)”組織數(shù)據(jù)，一條巷道由一系列有連接關(guān)系的交匯點(diǎn)構(gòu)成，把巷道的相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)在交匯點(diǎn)的屬性表中，而頂板標(biāo)高可存儲(chǔ)在交匯點(diǎn)屬性表中，也可將頂板標(biāo)高直接存儲(chǔ)在交匯點(diǎn)“Z”坐標(biāo)中。

如果以“邊”為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，就可以將一條巷道抽象為一條或者多條線(xiàn)段。由于一條巷道對(duì)應(yīng)唯一的截面、名稱(chēng)和編號(hào)，這些參數(shù)同樣可以存儲(chǔ)在“邊”的屬性表中。在ArcGIS的數(shù)據(jù)組織方式中，“Polyline Z”類(lèi)型的線(xiàn)要素類(lèi)就可以存儲(chǔ)線(xiàn)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將“邊”要素類(lèi)型設(shè)置為“Polyline Z”，就可以將頂板標(biāo)高存儲(chǔ)在各頂點(diǎn)中。

3.3 巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基本元素及其時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系

基于GIS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的思想，把巷道中線(xiàn)抽象成GIS理論中的幾何網(wǎng)絡(luò)邊線(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)邊線(xiàn)由一系列的節(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)在巷道拓?fù)潢P(guān)系建立以后生成的交匯點(diǎn)作為巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型的一個(gè)重要元素。每一個(gè)基本元素都有對(duì)應(yīng)的創(chuàng)建時(shí)間(set up time)，任一時(shí)刻的巷道網(wǎng)絡(luò)都由以下四類(lèi)基本元素組成。

結(jié)點(diǎn)(Crunode)：結(jié)點(diǎn)是巷道線(xiàn)的端點(diǎn)，包括起結(jié)點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，如圖1中的點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)6、點(diǎn)7和點(diǎn)8；部分結(jié)點(diǎn)又是巷道線(xiàn)的交匯點(diǎn)，如點(diǎn)2(4)和3分別為巷道Ⅰ和巷道Ⅱ、巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交匯點(diǎn)。

圖1 巷道幾何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系示意圖

節(jié)點(diǎn)(Node)：對(duì)于一條巷道，除了兩端的結(jié)點(diǎn)以外，其內(nèi)的點(diǎn)都屬于節(jié)點(diǎn)(如點(diǎn)a、點(diǎn)b、點(diǎn)c、點(diǎn)d、點(diǎn)e)。導(dǎo)線(xiàn)已經(jīng)逼近成巷道中線(xiàn)，因此，節(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)都是中線(xiàn)上的點(diǎn)。由于巷道空間關(guān)系的復(fù)雜性，一個(gè)點(diǎn)還有可能具有節(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)雙重屬性，如巷道Ⅲ的節(jié)點(diǎn)c又同時(shí)為巷道Ⅱ的結(jié)點(diǎn)3，巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交匯點(diǎn)A。

巷道中線(xiàn)(Laneway)：在巷道網(wǎng)絡(luò)中，各巷道抽象為巷道線(xiàn)。一條完整的巷道由巷道線(xiàn)構(gòu)成，它沒(méi)有分支，其基本組成元素是由各中線(xiàn)點(diǎn)連接而成的弧段。巷道的創(chuàng)建時(shí)間開(kāi)始于始結(jié)點(diǎn)(Begin Crunnode)，結(jié)束于終結(jié)點(diǎn)(End Crunnode)，以結(jié)點(diǎn)創(chuàng)建時(shí)間標(biāo)識(shí)巷道的創(chuàng)建過(guò)程，能充分反映在采煤過(guò)程中巷道掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化。

交匯點(diǎn)(Junction)：在由巷道中線(xiàn)數(shù)據(jù)集生成巷道幾何網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要進(jìn)行拓?fù)淝蠼唬傻南锏谰€(xiàn)與巷道線(xiàn)的交點(diǎn)即為交匯點(diǎn)，一般情況下巷道交匯點(diǎn)可以為巷道結(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)，分為聯(lián)通和非聯(lián)通的兩類(lèi)。

巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型可以通過(guò)如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)[15-16]中。

1) 結(jié)點(diǎn)與巷道的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)表1。

2) 節(jié)點(diǎn)與巷道的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)表2。

3) 巷道與結(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)表3。

4) 交匯點(diǎn)與巷道之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)表4。

表1 結(jié)點(diǎn)與巷道的拓?fù)潢P(guān)系

表2 節(jié)點(diǎn)與巷道的拓?fù)潢P(guān)系

表3 巷道與結(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系

表4 交匯點(diǎn)與巷道之間的拓?fù)潢P(guān)系

3.4 巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型的生成

由于巷道是實(shí)體模型，具有寬度和高度，所以要根據(jù)巷道中線(xiàn)的空間位置，計(jì)算巷道間的空間距離d及閾值λ(λ根據(jù)巷道的形態(tài)而定)，通過(guò)編寫(xiě)程序自動(dòng)判別并建立幾何網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)而生成巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型，見(jiàn)圖2。圖3為某時(shí)刻單線(xiàn)巷道生成的三維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型。ArcObjects組件庫(kù)提供了組件類(lèi)(CoClass，可以直接創(chuàng)建對(duì)象)GeometricNetwork、ForwardStar等和抽象類(lèi)(Class，在ArcObjects組件庫(kù)中它不可以直接創(chuàng)建對(duì)象)Network等以及它們實(shí)現(xiàn)的接口，通過(guò)IGeometricNetwork接口的IRule方法，可以設(shè)置巷道幾何網(wǎng)絡(luò)生成的具體規(guī)則，生成了單線(xiàn)巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型，并將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 單線(xiàn)巷道生成二維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 單線(xiàn)巷道生成三維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型

4 巷道動(dòng)態(tài)三維建模

4.1 建模原理

ArcGIS平臺(tái)不但為巷道時(shí)空數(shù)據(jù)提供了有效的Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，Multipatch(多面片)作為ArcGIS中一種新的要素專(zhuān)門(mén)用來(lái)描述三維實(shí)體表面。本文在建立巷道時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)后，利用ArcGIS Engine組件式技術(shù)完成巷道的動(dòng)態(tài)三維建模。通過(guò)IGeneralMultipatchCreator接口創(chuàng)建Multipatch，需要設(shè)置紋理坐標(biāo)點(diǎn)、材質(zhì)列表、Multipatch頂點(diǎn)、組成Multipatch面的類(lèi)型等，例如要?jiǎng)?chuàng)建建筑物的墻體(四個(gè)面)，程序如下所述。

IGeneraMultipatchCreator pCreator =new GeneralMultipatchCreatorCalss() as IGeneralMultipatchCreator;

PCreator.Init(20,4,False,False,False,20,pMaterialLis);

∥該Multipatch 共20個(gè)頂點(diǎn)，4個(gè)面，20個(gè)紋理坐標(biāo)點(diǎn)

pCreator.SetPoint(0,pPoint1);∥ 設(shè)置第一個(gè)面的頂點(diǎn)坐標(biāo)，Index 0從開(kāi)始

pCreator.SetPoint(1,pPoint2);∥ 設(shè)置第二個(gè)面的頂點(diǎn)坐標(biāo)，依次類(lèi)推

……

pCreator.SetPatchType(0,esriPatchTypeRing);∥設(shè)置第一個(gè)面的類(lèi)型

……

pCreator.SetTexturePoint(0,pTxLL);∥設(shè)置第一個(gè)面的紋理坐標(biāo)點(diǎn)

……

Multipatch pMultipatch=new pCreator.CreateMulitiPatch();∥生成Multipatch

4.2 按時(shí)間軸顯示三維巷道模型

基于事件的基態(tài)修正巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型，將時(shí)間引入巷道模三維拓?fù)潢P(guān)系，隨時(shí)記錄巷道的變更時(shí)間，通過(guò)事件發(fā)生的時(shí)間序列組織變更文件，更新巷道時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了巷道數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化更新、顯示、管理和建模的目的。在巷道建模過(guò)程中，根據(jù)巷道創(chuàng)建時(shí)間在巷道時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇需要顯示的三維巷道模型，依據(jù)上面提出的建模方法，可動(dòng)態(tài)建立和顯示不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的三維巷道模型，圖4和圖5為巷道不斷增加和開(kāi)拓過(guò)程中兩個(gè)不同時(shí)刻礦井巷道的三維模型。其中t1時(shí)刻是該礦520采區(qū)N2-4工作面正在開(kāi)采，t2時(shí)刻是該礦520采區(qū)N2-5工作面正在開(kāi)采。

圖4 t1時(shí)刻巷道三維模型

圖5 t2時(shí)刻巷道三維模型

巷道動(dòng)態(tài)建模的實(shí)現(xiàn)，更加直觀的將巷道隨時(shí)間的空間動(dòng)態(tài)變化展現(xiàn)出來(lái)，為礦山企業(yè)在礦山生產(chǎn)過(guò)程中的開(kāi)采進(jìn)度和開(kāi)采界限監(jiān)測(cè)提供了直觀有效的方法，同時(shí)為管理部門(mén)針對(duì)越界開(kāi)采等非法開(kāi)采行為提供了有效的監(jiān)管手段。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于圖論基本原理，本文充分利用ArcGIS平臺(tái)提供的Geodatabase幾何網(wǎng)絡(luò)模型建立了巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型，融合了基態(tài)修正模型和基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基本思想，將時(shí)間引入巷道的三維拓?fù)潢P(guān)系，達(dá)到了巷道數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化更新、顯示、管理和建模的目的，實(shí)現(xiàn)了按時(shí)間動(dòng)態(tài)生成Multipatch三維巷道模型。礦井巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立，強(qiáng)調(diào)了時(shí)間與空間的密切聯(lián)系，對(duì)于礦山動(dòng)態(tài)開(kāi)采、動(dòng)態(tài)管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等提供了有效的技術(shù)途徑。鑒于礦

井巷道時(shí)空數(shù)據(jù)模型及時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的完成，建立礦體時(shí)空數(shù)據(jù)模型并進(jìn)行礦山非法開(kāi)采和越界開(kāi)采監(jiān)管，是本文進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。

[1] ARMSTRONG M P.Temporality in spatial databases[C]∥Proceedings of GIS/LIS/88.Pennsylvania:The Pennnsylvania State University,1988.

[2] 龔健雅.GIS中面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，1997(4):289-298.

[3] 胡彥波,吳華瑞,朱華吉.農(nóng)村土地調(diào)查時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建及應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(9)：387-391.

[4] 鄭扣根,余青怡,潘云鶴.基于事件對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2001(3):45-47.

[5] 包磊,秦小麟.基于灰集的不確定性時(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].遙感學(xué)報(bào),2005(6):646-652．

[6] 曹洋洋,張豐,杜震洪,等.一種基態(tài)修正模型下的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2014,41(6):709-714.

[7] 全國(guó)煤炭技工教材編審委員會(huì).采煤概論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2002.

[8] 田善君.面向礦山開(kāi)采監(jiān)管的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),2013.

[9] 謝義林.巷道三維構(gòu)模及虛擬交互研究與應(yīng)用[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2007.

[10] 余勁松弟.MGIS中的巷道三維拓?fù)浣Ｑ芯縖D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[11] 白春妮.地下礦多源異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2016.

[12] 李玲,王崇倡,劉正綱.一種4D管線(xiàn)模型的建立方法[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(26)：1864-1086.

[13] 胡晉山.礦區(qū)土地復(fù)墾時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究[D].武漢：武漢大學(xué),2006.

[14] 汪云甲,伏永明.礦井巷道三維自動(dòng)建模方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2006,31(12)：1097-1100.

[15] 姜曉軼,周云軒,蔣雪中.基于Geodatabase的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].計(jì)算機(jī)工程,2005,31(24):27-29.

[16] 邵亞琴.面向巷道的Geodatabase幾何網(wǎng)絡(luò)模型的建立與分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2012,31(1):56-59.