基于3DGIS的可視化礦山平臺建設研究

郭向前，王良民， 郝偉濤

（1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006；2.河南省地質勘查信息化工程技術研究中心，河南 鄭州 450006）

隨著計算機科學與空間信息科學技術的發展，以及“數字地球（digital earth）”、“數字中國”與“數字城市”等術語的提出，信息化與網絡化成為各行業數字化的重要基礎手段，在產業應用中發揮著重要作用。數字礦山（digital mine）等概念及相關的理論和技術研究已被納入了工業信息化的課題。在這一大環境下，企業信息化建設正處于一個關鍵性階段。

近十年來，我國礦山信息化發展迅速，特別是大型礦山企業對信息化的需求較大，然而煤炭行業信息化應用整體水平并不高，對硬件設備的需求仍然占據了主要部分。隨著煤炭行業信息應用水平的不斷提高，軟件應用越來越受到煤炭企業的重視。礦山信息系統的實施，極大地改善和促進了煤礦的安全生產管理和決策，為實現高產高效、安全生產和綠色生產的和諧目標提供了技術支持。

1 概 述

基于3DGIS技術的可視化礦山及建設是一套完全基于網絡的三維空間數據交互式可視化解決方案平臺，它可以快速集成多源數據，更新數據倉庫，有效支持大型數據庫和實時信息流通信技術。

在網絡技術、地理信息系統技術、虛擬現實技術等基礎上，利用獲取的地面鉆探數據（鉆孔數據、斷層數據、地層數據）、三維地震數據、測量數據、數字影像數據、地形圖數據等，構建包含各種復雜地質構造（正斷層、逆斷層、陷落柱、含水層、老窯區等）的高精度三維地質模型，模擬出礦井中自然實體和人工實體等在三維空間中的狀態。

用戶在虛擬的可視化礦山中，可以與地表和地下各種虛擬實體進行動態交互，如進行修改、編輯、剖切、查詢等；可實現與二維GIS系統的無縫集成，將掘進巷道、回采工作面位置等三維動態空間數據實時發布。

在高精度地質模型基礎之上，可實現掘進工作面災害（陷落柱、采空區、老窯區、斷層等）預警、生產輔助管理、生產運行系統的調度集成等應用，如通風線路模擬、生產進度模擬、設備屬性查詢；通過訪問其他系統（如瓦斯監測系統、水文監測系統、束管監測系統、人員定位系統等）的數據，可以顯示瓦斯監測和人員定位的實時數據，可瀏覽和查詢井下設備的各種參數和實時狀態信息。

2 數據倉庫

利用礦山開采、地理信息系統、空間數據倉庫的最新技術，設計可視化礦山的數據模型、數據結構、分析模型等，設計滿足煤礦生產輔助管理、運行集成調度的專用系統平臺框架，實現專業數據的分析和處理，實現系統與監測監控、自動化設備、其他應用軟件信息的共享。

2.1 礦山數據倉庫

1）基于圖層的海量空間數據分類管理。根據地質、水文、通風、采礦、綜合自動化、在線檢測等行業規范，構建具有相同屬性要素的同類空間實體的圖層分類標準，并實現相應的數據動態管理。

2）基于圖層的實體分割線性八叉樹索引。針對每個圖層建立一個空間線性八叉樹索引，即把每個圖層作為立體索引空間，并計算包圍實體的區域所在八叉樹的標識。利用這些標識，結合系統的狀態參數，過濾相關圖形實體，從而達到減少計算量，提高系統運行速度的目的。

3）空間數據倉庫的構建。空間數據倉庫主要由空間數據庫和空間元數據庫組成。前者主要包括圖形庫、圖像數據庫、屬性數據庫和專業模型數據庫（如地測模型數據庫、通風模型數據庫、采礦設計模型數據庫、決策支持模型數據庫）的組織、管理、綜合分析和事務處理；空間元數據庫是完成空間數據庫組織、管理、分析等元數據的組織與管理，也是專業應用GIS程序元素數據庫和空間服務元數據庫。

4）空間數據庫引擎的設計和開發。采用標準規范進行接口的設計，對關系數據庫（如MySQL、SQL Server）進行接口封裝；采用IOCP技術實現并發操作；客戶端和服務器端緩存技術研究，使檢索、編輯操作效率最大化；數據傳輸格式的設計，采用二進制數據+Protocol Buffer表現數據來傳輸，這將保證數據量足夠小的前提下能夠對數據進行解釋。

2.2 系統總體架構設計

煤礦3DGIS可視化礦山系統的總體架構設計如圖1所示。

圖1 煤礦3DGIS可視化礦山系統總體架構圖

從圖1可以看出，整個系統由四大模塊組成：數據管理、三維幾何建模、三維綜合管理基礎平臺和專業應用。其中，數據管理在數據倉庫基礎上為整個系統提供數據；三維幾何建模采用三維的數據模型和數據結構表達地層、巷道和設備；三維綜合管理基礎平臺利用一系列的虛擬現實技術構建虛擬的礦山環境，使用戶產生身臨其境的感覺，并能與虛擬環境進行交互，是系統運行的基礎環境；專業應用包括高精度地質模型可視化表達、二三維一體化聯動、生產輔助管理、生產運行系統集成調度、分析預警等多個方面。

3 三維綜合管理基礎平臺

三維綜合管理基礎平臺與煤礦專用二維GIS平臺基于統一的地理空間數據庫設計，確保從數據處理、數據更新、可視化、空間分析、業務定制等方面實現二三維一體化。

平臺支持分布式海量空間數據存儲，利用三維空間數據的分布式存儲引擎能夠高效地對圖形圖像數據進行存儲、管理和查詢操作。同時利用先進的圖形引擎技術，支持多紋理光影渲染烘焙和動態光影、復雜數學模型擴散計算、大規模三維模型同屏、超大密度廠礦設備群等內容。

基礎平臺采用組件式開發，提高平臺二次開發效率，開放有標準組件通用接口，提供網絡支持。

1）三維模型可視化模塊。實現工業廣場主要建筑物、道路、綠地、樹木、煤倉、井口等的建模與可視化，如圖2、3所示。

圖2 工業廣場三維可視化

圖3 副井井底車場

實現井口、井下主要巷道、采煤設備、運輸設備的建模和可視化，如圖4所示。

圖4 井口三維可視化及其漫游

將工業廣場可視化與巷道及各煤層三維可視化疊加，形成一種新型的井上下對照圖，即三維井上下對照圖。

2）模型導入模塊。實現了地表工廣、建筑、樹木等3DMax數據，三維地測建模數據的導入和導出，如圖5所示。

圖5 地表工業廣場導入和可視化效果

3）三維模型數據庫模塊。系統提供三維模型數據庫，通過對各類模型的管理，方便虛擬場景的構建。用戶對模型進行交互式操作，可以快速搭建三維虛擬場景。

4）場景設置模塊。實現各種三維場景屬性的配置。包括圖層設置、指南針設置、背景顏色設置、顯示方式設置、圖片導出、地理網格、天空盒等功能。

5）場景匹配模塊。通過交互編輯，平移、旋轉等，將3DMax模型、自動生成的地測模型、天空球、地層輪廓等無縫匹配到一起。

6）圖層控制模塊。場景中的各種數據都是分層組織和管理的。包括圖層可見性、圖層顏色和材質、圖層碰撞監測、圖層渲染序列號等。

7）視圖控制模塊。實現三維場景中的視圖控制，如視圖平移、視圖旋轉、視圖縮放、頂視圖、底視圖、前視圖、后視圖、左視圖和右視圖，顯示模式等。

8）對象編輯模塊。實現了對三維實體的鼠標選擇、框選擇、移動、旋轉、縮放、模型拉伸、實體剖切等。

9）屬性信息查詢模塊。查詢三維實體的相關圖片、參數等屬性信息。可以彈出對話框，也可以進行超鏈接等。

4 高精度地質模型可視化表達

將井下地測基礎圖形自動生成井下地層、巷道、鉆孔和采空區的三維模型、并建立拓撲關系，同時更新二維和三維數據。

1）地層三維可視化。系統利用復雜地質條件下三維地質模型建模技術，利用點數據（如鉆孔、探煤點、導線點、實際煤層底板修改數據等）和邊界數據（如斷層、陷落柱、礦區邊界等），能快速生成各個煤層和其他地層的三維模型。

2）鉆孔自動建模。將地質鉆孔、灌漿孔、水文觀測孔、瓦斯抽放孔、排水孔、電力電纜孔、水文地質鉆孔、井下疏放水鉆孔等數據自動生成三維模型。

3）斷層建模。將斷層、陷落柱、斷裂、向斜軸、背斜軸、反轉軸、巖漿侵入等數據自動生成三維模型。

4）巷道建模。將井筒、巷道、硐室、采空區、工作面、煤倉、水倉等井下數據自動生成三維模型。巷道空間形態可視化、巷道斷面可視化、巷道內部及設施可視化等。

5）積水區、陷落柱等建模。基于現有采掘工程平面圖、水文地質圖、瓦斯地質圖等上圈定的區域，實現含水層、富水層、煤層、陷落柱、斷層、高瓦斯區、突水區、老空區、采空區等自動建模。

5 二三維一體化聯動

整合二維GIS系統數據，有效控制煤層、斷層、陷落柱、老窯區、老巷，甚至瓦斯、水的空間位置，實時修改、增刪數據，實現編輯數據的自動更新。

1）巷道、工作面二三維聯動。巷道、工作面聯動是在二維圖中創建巷道、工作面，同時三維系統接受服務器數據后在場景中自動進行巷道、工作面的創建。

2）煤層二三維聯動。二維創建煤層，三維系統接受服務器傳來的數據，便自動生成三維地層模型。

6 生產輔助管理

通過礦山三維漫游查看、三維地質模型剖切和輔助設計等功能實現生產輔助管理。

1）礦山三維漫游查看：三維漫游是礦井虛擬現實系統的主要功能。包括系統提供自動漫游和手動漫游兩種漫游瀏覽方式。

自動漫游：用戶可以通過自定義視點的位置、方向、高度、俯仰角和漫游速度來自動漫游三維場景。

手動漫游：系統提供鼠標、鍵盤或操縱桿控制，實現三維場景的任意瀏覽。

分層次實時顯示生產與安全綜合動態工況。實現工業廣場主要建筑、道路、綠地、樹木等的漫游。實現井口、井下主要巷道、掘進、回采動態信息管理，實現采煤設備、運輸設備的動畫現實。

2）儲量計算：在煤層框選區域，自動計算該區域的面積、容重、平均厚度、體積、儲量等。

對于高精度三維地質模型，其輔助設計的功能主要是儲量計算。用戶可以根據設計參數圈定煤層區域，系統則自動計算該區域的面積、容重、平均厚度、體積、儲量等。

7 生產運行系統的集成調度

系統接入采、掘、機、運、通等生產運行數據，利用三維空間拓撲關系，提供一體化生產運行系統集成調度指揮界面，使決策者快速掌握所關心的企業運行數據。

1）井下環境監測信息實時顯示。系統可以將井下瓦斯監測、防治水監測、束管監測、頂板壓力監測、頂板離層監測等實時監測數據在三維環境中直觀地進行展示。

2）綜合自動化信息管理。在三維環境下，可以通過鼠標點擊查詢各種設備的基本參數（如設備編號、型號、規格、生產廠家、購買日期、單價、使用年限、安裝地點、責任人等）和工作狀態（綜合自動化信息，如電流、電壓等）。查詢結果可以通過對話框、語音提示、動畫模擬等不同方式進行展示。

3）工業視頻數據接入與實時顯示。系統可以將在煤礦地面、井下等重要場所采集的工業視頻信號集成并在三維環境中直觀地進行實時展示。

4）人員定位數據接入與實時顯示。在礦井實時動態工況圖中實時顯示全礦井井下人員總數、井下不同區域的人員分布。同時，能夠查詢井下某一基站附近人員，相關人員的井下活動軌跡等信息。

8 分析預警

利用空間分析技術，通過危險源分析、突水模型、通風仿真等算法，實現可視化礦山的分析預警功能。

1）緩沖區查詢。所謂緩沖區是指圍繞地理對象一定寬度的區域。緩沖區查詢常用來分析地理對象的影響范圍或服務范圍，如河流的灌溉范圍、商店或銀行的服務范圍等。本系統特指查詢某一感興趣地質體周邊或井上下信息的功能。緩沖區分為矩形緩沖區、球形緩沖區、投影地表緩沖區3種類型。

2）危險源三維預警。通過高精度地質模型和巷道模型，可以動態計算掘進頭至相關地層的垂直距離，為預防瓦斯突出等災害提供基礎數據。這些數據可以通過無線網絡及時傳輸給技術和管理部門。

3）礦井三維通風仿真。礦井三維通風仿真包括通風網絡三維可視化，風機三維可視化、巷道信息可視化、節點編號可視化、解算結果可視化、風流及風機動態模擬、用戶交互界面模塊。

9 結 語

以煤礦專用地理信息系統為基礎開發研制的高精度地質模型應用系統，不僅提高了安全管理水平，而且為礦山安全生產提供了重要的現代化手段，對改善煤企安全生產狀況，保障礦工生命安全意義重大。使礦井達到高度信息化、自動化、高安全、高可靠、高效率及高效益的目的。為實現數字礦山奠定了堅實的基礎。

高精度可視化礦山平臺的構建和應用，可以通過網絡直觀顯示礦區二維圖形和三維模型之上的生產運行狀況和預警信息；通過網絡實現了基礎數據自動傳輸，進一步提高了決策的準確性、可靠性，真正確保煤礦的安全生產。