淺談采礦巷道三維可視化系統的功能設計

廖珊珊，殷 牧

（湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南 株洲 412007）

隨著計算機技術與虛擬現實技術的快速發展與廣泛應用，數字礦山（Digital Mine，簡稱DM）成為可持續發展的必然趨勢。我隊將工程測量、礦山測量、三維建模、航測遙感等測繪數據處理方面的開發經驗和功能模塊進行集成和優化，于2017年7月進行科研立項，成立了專門的項目組，組織開發系統化的功能軟件----《采礦巷道三維可視化系統》。

1 軟件功能簡介

為采礦巷道三維可視化系統集采礦區地表建筑物和地下巷道建模、工作空間數據源管理、場景瀏覽、圖層管理、測量等功能于一體，主要功能模塊介紹如下。

1.1 數據管理

涵蓋了工作空間、數據源和數據集管理，SuperMap將所有的數據以工作空間的形式進行存儲，工作空間中存儲的數據包括數據源、地圖、布局、場景和資源。本系統通過導入CAD數據來進行地表數據建模。

1.2 場景瀏覽

通過本軟件提供的場景功能可以控制場景中的狀態條、比例尺、經緯網、海洋、大氣、太陽和導航羅盤的顯示，也可以進行選擇、平移、刷新、全球和全屏操作，還可以進行地表透明度的設置，通過設置地表透明度來觀察地下的巷道運行情況。

1.3 圖層管理

利用可以向本系統中添加矢量數據、影像數據、地形數據和KML模型數據。

1.4 測量工具

測量工具可以測量物體的地面長度和面積，也可以測量空間長度和面積，還可以測量垂直高度。

2 研究方法與技術路線

C#是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，以其強大的操作能力、優雅的語法風格、創新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發的首選語言。

本系統研發的主要技術路線如下。

2.1 明確程序功能

首先進行分析，而不是一上手就開始做，而分析的第一步，就是搞清楚程序的功能是什么，它能夠做些什么。把需求進行匯總，明確程序要實現的功能。

2.2 分別實現程序

分程序界面和程序結構兩部分實現程序。引用程序集，創建項目和窗體后從工具箱中加入控件，對界面進行修改；分別編寫各功能模塊，依次定義類，編寫源代碼并進行代碼注釋。

2.3 調試與發布

VS中的調試默認設置為/optimize-和/debug:full開關，生成的程序集為調試版本，生成的IL代碼和最終的本地代碼不會被優化，生成時除了主要文件外，還包括調試信息；發布默認設置為/optimize+和/debug:pdbonly開關，不包含調試信息，生成的IL代碼和最終的本地代碼均會被優化。最終，我們需要的將是“發布”版本的程序。

2.4 部署與配置

可以使用VS或其它打包軟件，將程序打包為安裝文件，但打包程序集最簡單的方式就是直接復制所有文件。卸載程序集時，刪除文件即可。之所以能實現這份簡單的安裝/移動/卸載，是因為每個程序集都用元數據指明了自己引用的程序集，不需要依靠注冊表設置。

2.5 封裝完成

完成系統的封裝并申報計算機軟件著作權登記證書。

3 系統功能設計

3.1 數據庫設計

在數據被設計成兩張表，一張為巷道點表，另一張為巷道線表，巷道點表中ID為數據庫表自帶的唯一標識字段，Pt_id表示巷道點，由三部分組成，包括點所在的層、所屬的線和點號，比如：250_1_1表示250高程面的第一條巷道線的第一個點；pt_x表示巷道點X的坐標；pt_y表示巷道點Y的坐標；pt_z表示巷道點Z的坐標；info表示點附加的信息。

3.2 “文件”功能

文件菜單包括“工作空間”、“數據源”、“新建數據集”和“導入數據集”等功能，SuperMap是以“工作空間”的形式來保存數據的，用戶可以通過新建三維巷道的數據源，然后向數據源中導入CAD數據。本系統安裝目錄下已新建好巷道工作空間“XD”直接打開即可。

“工作空間”存儲了一個工程項目中所有的數據源，以及地圖的組織關系，“工作空間”通過其中的數據源集合對象（Datasources）和地圖集合對象（Maps）來管理其下的數據源和地圖等。

Datasources：數據源集合。對數據源進行管理，其中存儲的是每一個數據源邏輯上的連接信息，實際的數據源都是存儲在數據庫或者SDB中。Datasources可以管理多種類型的數據源，實現對多種類型和來源的數據源進行無縫管理。

數據集是同種類型數據的集合，比如：點數據集、線數據集。數據集類（Dataset）是所有數據集類型的基類。一個數據源通常由多個不同類型的數據集組成。用戶根據自己的實際需要，或者按照數據集的特征、或按照不同的使用目的來組織它們，把它們存放到不同的數據源中。

3.3 “場景”功能

場景菜單中可以控制三維場景的屬性和鼠標選擇的狀態，當選擇“全球”命令時，視線將由局部轉為全球狀態。當開啟地下屬性時，可以選擇地表的透明度以便來觀察地下巷道。

3.4 圖層功能

根據要素的空間特征的不同，矢量數據集又分為點數據集、線數據集和面數據集等。

從在操作過程中，首先向當前場景中添加地形DEM數據，雙擊“DatasetDEM_1”數據集，并且選擇“將數據集作為地形加載”。再將礦區影像添加到場景中，直接雙擊“馬_影像”。

接下來進行地表的建模，通過二維的面數據拉伸貼圖快速生成建筑物模型。參數設置：選擇建模圖層為二維的面圖層，高度模式為相對地表。高度模式用于指示SuperMap組件產品解析三維數據海拔高度值的方式有：貼地表模式、距地相對高度模式、絕對海拔模式、相對地下模式、地下相對模式、地下絕對模式等。

貼地模式為三維數據的海拔高度完全忽略，各三維對象將依據其經緯度信息，根據地形起伏狀態附著在地形表面，即相對于地形表面的高度為零。

相對地表模式為海拔高度值是以經緯度坐標值正下方的地平面為基準的海拔高度。例如，在山區中架設電線桿，每根電線桿的高度假設為25米，選擇距地相對高度模式，就可以實現與客觀現實一致的效果，即每根電線桿的底端位置隨著地形上下起伏。

當前高度模式為絕對高度模式，將三維面幾何對象添加到具有地形數據的三維場景中，若該三維面幾何對象的邊界節點高程值均為5800米，則該對象將忽略地形起伏，在距離水平面5800米高度處顯示。地下相對模式，該高度模式以地形表面為基準，與相對地表模式（RelativeToGround）高度模型正好相反，用于地下場景的瀏覽。

添加“road”道路數據集到場景中，并將道路以“縣、鄉道路（1）”的圖層樣式進行符號化，最終整個地表建模的效果如圖1所示。

圖1 地表建模效果圖

GeoStyle3D.BottomAltitude=-100時，表示對象放置于地表以下100米處，基準面為地形表面。手動輸入建筑物的高度，點擊選擇側面圖片和選擇頂面圖片。添加“road”道路數據集到場景中，并將道路以“縣、鄉道路（1）”的圖層樣式進行符號化，最終整個地表建模效果。接下來進行地下的巷道建模，點擊“巷道建模”，選擇“場景”、“地下屬性”開啟地表透明度，使得地下巷道可見，如圖2所示：

圖2 地下巷道內部圖

4 結語

《采礦巷道三維可視化系統》能直觀顯示地下采礦區域及巷道的分布走向，以及巷道和地面的位置關系，實現地下巷道的可視化表達、空間分布優化分析。通過該軟件，可應用于地質勘探、資源評估、面積量測、災害搶險等方面，可極大提高工作效率，節省生產成本，確保產品的質量，符合現在數字化礦山的高級軟件。