基于Auto CAD的三維巷道可視化建模及應用

程相琛，郭進平，李角群，盧皎旭，鄭冰,

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院， 陜西 西安 710015；2.山陽秦鼎礦業有限公司， 陜西 商洛市 726000)

0 引言

礦山圖紙的生成和處理是礦山設計工作的主要內容，目前還有礦山為手工繪制，速度及精度已不能滿足生產需要。因此，需要對礦山各類圖紙進行數字化綜合處理。現有礦圖大多是二維的，在描述三維空間時存在著諸如可視性差、缺乏立體感等問題[1]。而三維礦圖具有直觀、計算方便等優點，所以三維礦圖將是未來發展的必然趨勢[2]。

隨著計算機技術不斷發展，礦山企業也開始使用計算機繪圖，諸如Auto CAD等繪圖軟件應運而生。但是和其他產業相比，礦用計算機輔助軟件還是比較落后。截至目前，僅有部分大型礦企開發出了一些礦用計算機輔助系統，絕大多數中、小型礦山企業還是以手工繪圖為主[3-10]。這是由于大部分軟件都是國外人員開發，然后引入國內，無論在礦體賦存條件、開采方法，還是軟件語言和操作習慣甚至設計標準等方面都與國內存在較大的差異，再加上后期軟件的維護升級等工作也存在較大的問題。盡管Auto CAD在礦山繪圖方面給企業帶來了方便和巨大的經濟收益，但是在實際使用過程中還是存在一些問題。因此，需要對其進行二次開發并加以完善，使得Auto CAD在礦山圖紙繪制中更加方便，給用戶帶來更大的經濟效益和操作舒適性。因此，基于Auto CAD的二次開發技術，構建地下礦三維巷道的可視化模型顯得尤為重要。

1 三維圖形的繪制

在礦山生產管理過程中，實現三維巷道快速、準確的構建是礦業人不懈追求的目標。首先，三維圖比二維圖對于礦山安全生產和管理能起到更好的輔助作用，因為三維實體模型能夠精確地描述地下礦的空間結構，為后續的生產提供支撐。其次，實現地下礦三維巷道的可視化也能輔助礦山生產設計。

礦山企業最常用的繪圖軟件為Auto CAD，經過多年的發展，其已經發展為一款多功能、多維矢量繪圖軟件。該平臺搭載有不同的坐標系，也可以根據自身的實際需要建立用戶坐標系。Auto CAD有大量的繪圖控件和命令，操作簡單、準確、靈活，深受廣大用戶的青睞。因此，基于Auto CAD平臺實現三維模型的構建有一定的先天優勢。

1.1 三維繪圖坐標系

Auto CAD提供了兩種坐標系：一種是世界坐標系，另一種是用戶坐標系UCS，在創建對象時，三維坐標系可以使用笛卡爾坐標系、柱坐標系、球坐標系等。

（1）笛卡爾坐標系：笛卡爾坐標系即通常所說的直角坐標系。

（2）柱坐標系：極坐標系增加一個軸就構成了柱坐標系，如空間直角坐標系等。

（3）球坐標系：球坐標系是三維坐標系的一種，用以確定三維空間中點、線、面以及體的位置，它以坐標原點為參考點，由方位角、仰角和距離構成。

Auto CAD有一個局部坐標系，它跟全局坐標系有相同的特征，但是在創建三維模型時可以根據用戶的實際需求創建自身需要的局部坐標系。其最大的優點就是可以通過相關命令實現其在空間內移動和旋轉。三維空間的方位一般就是利用用戶坐標系來確定的。一般位于Auto CAD繪圖視口的左下方，需要的時候調出即可。

1.2 三維模型

Auto CAD一共有3種三維模型：線框模型、曲面模型和實體模型，它們在創建、編輯時均有較大的差異。

在Auto CAD中創建的三維對象通常稱為三維模型，與其他模型一樣，Auto CAD模型是全三維的，且易于創建和修改。創建模型的過程稱為建模。而二維操作稱為繪圖。線框模型是用來展示三維模型的主體架構。只能描繪對象邊界的點、直線和曲線，沒有面和體，當然也就不能進行渲染等操作，更不能進行分析計算等工作。

1.2.1 曲面模型

曲面模型比線框模型更加復雜，用來表示三維物體的表面，它既定義了三維對象的邊，也定義了面，可以解決圖形的渲染、著色、計算等問題[11]。曲面模型特別適合于構造復雜的曲面立體模型，而且構造效果較好，比如實體外形等。然而曲面模型中沒有體的信息，也不能進行相關計算。因此，只有難以建立實體模型時，才考慮建立曲面模型。

1.2.2 實體模型

Auto CAD中與曲面模型互相補充的是實體模型，與曲面模型相比，其具有面和體的屬性，可以進行渲染等操作，也具有質量、體積等物理特性。實體模型是最容易使用的三維建模。在Auto CAD實體模型類型中，可以通過先創建以下基本三維形狀來構建三維對象:長方體、圓錐體、球體、楔體和圓環體等實體，如圖1所示。之后再將這些實體通過切割、剖切、布爾運算等操作來完成更為復雜的實體創建。

圖1 三維實體模型

2 三維礦圖的設計與實現

一般情況下，無論是設計單位還是生產單位，常用的圖紙均是二維的，可視性不強，技術人員觀測不方便、不全面。因此，實現礦山圖紙的三維繪制顯得尤為重要。在進行三維礦圖繪制時，首先要對擬描述對象結構進行分析，之后將復雜的整體分解成為若干個簡單體，最后利用Auto CAD上的實體模型操作來完成三維模型的繪制。

本文將主要闡述利用 VBA語言對 Auto CAD進行二次開發，結合夏家店礦斜坡道實測數據對其斜坡道進行研究，希望建立其三維立體模型，從而以此為基礎實現采用巷道斷面沿指定拉伸路徑或指定拉伸高度的辦法生成三維巷道，構建基于Auto CAD平臺的礦山三維斜坡道自動化繪制模塊，最終實現三維巷道的建模，實際上這也是對三維繪圖功能的一個學習和開發。

2.1 巷道斷面的設計

在進行三維建模前，首先需要了解Auto CAD的基本繪圖功能，在繪制平面圖時只要用雙線或直線描出所有巷道的兩側邊線即可，不需要考慮高程問題。而對整個礦山而言，巷道是礦山生產中的一個重要實體。巷道尤其是斜坡道，是采礦生產中將無軌設備從地面運送到井下以及輔助通風、安全輸送工作人員的主要通道。

地下礦山現有的巷道斷面形狀有圓弧拱、半圓拱、矩形、梯形等，如斜坡道、運輸巷道、采礦進路、排水溝等，不同的巷道在采礦設計過程中均有不同的設計標準。

2.2 建模方法

本文所敘述的巷道斷面建模方法的 VBA編程原理是基于Auto CAD平臺，借助巷道斷面沿指定路徑拉伸的方法實現三維巷道建模。主要介紹巷道斷面沿直線路徑和彎曲路徑拉伸構建三維斜坡道。需要注意的是，以上建模方法均是首先建立一個巷道斷面面域，之后再運行Auto CAD中的建模程序來完成的。

2.2.1 拱形巷道直線路徑建模

拱形斷面建模主要分兩步：第一步是繪制巷道斷面，直接利用VBA程序在Auto CAD中進行參數化繪制，如圖2所示；第二步是在Auto CAD中調用[菜單→繪圖→面域]，將已完成的巷道斷面生成一個面域，完成三維巷道模型構建的準備。

圖2 巷道斷面繪制

除了按照上述方法繪制巷道斷面之外，也可直接采用多段線和其他線的組合來繪制巷道斷面。需要注意的是，由于拉伸命令需要巷道斷面與拉伸路徑在三維空間中處于垂直狀態，因此之后需要進行很重要的一個步驟，即將巷道斷面進行旋轉，使得巷道斷面和拉伸路徑垂直。首先將斷面移到巷道中線的端點處，然后進行旋轉，使巷道斷面與路徑在同一水平垂直，如圖3所示。巷道斷面和拉伸路徑在平面圖中顯示垂直，但這并不是真正空間意義上的垂直，因此不能直接對其進行拉伸，必須進行下一步的旋轉才能使斷面垂直于拉伸路徑。具體操作方法如下。

圖3 巷道斷面與拉伸路徑垂直

（1）點擊修改工具欄的[旋轉→回車→選擇對象]進行旋轉。這種旋轉操作不能實現空間的旋轉，要通過新建坐標系來實現。因此，首先新建坐標系。

（2）旋轉坐標系。重復輸入命令：[UCS→回車]，之后在命令行[新建（N）/移動（M）/正交（G）/上一個（P）/回復（R）/刪除（D）/應用（A）/？/世界（W）]：輸入N，回車，輸入3，回車，再點擊新坐標系的原點，在點擊新坐標系的XX和YY方向。直至將原來坐標系旋轉至如圖4所示的坐標系。在這種狀態下就可以完成圖像在空間平面內的旋轉。

圖4 旋轉之后的坐標系

（3）旋轉。采用Auto CAD中的 [旋轉]命令：選擇斷面→指定基點→點擊交點→指定旋轉角度或[參照回車/指定基點/原始方向/新方向]完成旋轉。

（4）重復上述操作使得巷道斷面與路徑在空間上垂直，如圖5所示。之后就可以進行拉伸，完成巷道的三維建模，見圖6。整個過程進行了多次旋轉才使得巷道斷面與所畫的路徑完全垂直。由于礦山巷道的斷面一般情況下只有拱形，故其他斷面形狀這里不再贅述。

圖5 巷道斷面和拉伸路徑垂直

圖6 拉伸建立巷道三維模型

2.2.2 拱形巷道彎曲路徑建模

上述建模過程利用Auto CAD中的拉伸命令，雖然也可以實現三維模型的建立，但是其過程太過復雜，且存在一個主要的問題，就是只能建立拉伸路徑為直線的模型。而實際礦山的巷道往往都是彎曲的。因此，在進行彎曲巷道建模時，就需要采取其他的方法來完成，諸如通過Auto CAD中的VBA編輯器編程來實現彎曲路徑下三維巷道的繪制。建模思想如下：

（1）建立一個巷道斷面、一個三維拉伸路徑；

（2）通過運行相關程序就可建立彎曲路徑的三維巷道模型，如圖7所示。

圖7 程序化繪制彎曲路徑三維巷道

通過上述建模過程，有如下思考：是否可以對Auto CAD進行二次開發，直接通過選定路徑和巷道的斷面來實現地下礦山斜坡道的自動繪制，從而實現地下礦山斜坡道的可視化。下面以夏家店礦山為例，詳細敘述基于Auto CAD的二次開發構建三維斜坡道的技術。

3 夏家店礦三維斜坡道構建

3.1 構建三維斜坡道一般流程

由以上巷道建模過程，總結地下礦山三維斜坡道建模的思路如下：

（1）首先構建三維巷道中心線，由于斜坡道主要分為螺旋式和折返式，因此需要單獨生成屬于不同類型的中心線；

（2）繪制巷道斷面，根據夏家店實測巷道數據繪制巷道斷面，然后構建巷道斷面面域，為之后的三維巷道構建做準備；

（3）三維斜坡道的構建，實現前兩步之后，通過調用以下程序完成斜坡道的自動化繪制。

3.2 夏家店鐵礦三維斜坡道模型

夏家店金釩礦位于陜西省山陽縣，年產6萬t。礦體破碎，工程條件差，礦山開采難度較大。為了使采礦工作順利進行，就需要對礦體信息進行深入分析，以往工程相關數據主要以二維圖紙為主，因此，在施工中無法獲得立體化和更為精準的信息，資料的分析難度也增大，不利于直觀地展現地下井巷工程的相關信息。而借助三維可視化建模技術進行三維信息展示，可幫助礦山采礦工作者結合空間關系進行開采條件分析，及時提出合理的開采建議，及時跟進采掘計劃，不斷優化采礦施工方案。

在繪制三維巷道時，一個重要工作就是確定斷面的拉伸路徑，也就是巷道斷面的中心線。夏家店礦斜坡道采用的是折返式斜坡道，因此中心線的幾何構型與樓梯相似，根據夏家店斜坡道的斷面尺寸首先繪制巷道中心線，在完成三維斜坡道中心線工作之后，在中心線所在的平面按照要求創建巷道斷面，使得巷道斷面與巷道中心線的位置如圖8所示，并利用Auto CAD中的面域命令將巷道斷面轉化為面域，為之后建立三維可視化斜坡道做準備。

圖8 在巷道中心線空間創建巷道斷面

完成上述工作之后，調用Auto CAD中的三維巷道繪制程序模塊，完成對夏家店礦體三維斜坡道的繪制，結果如圖9所示。

圖9 基于Auto CAD構建的夏家店三維斜坡道模型

4 結論

（1）利用Auto CAD中內置的VBA管理器進行加載，通過VBA編程對Auto CAD進行了二次開發，實現了夏家店地下礦斜坡道的自動化繪制。提高了繪圖的準確性、規范性，在降低工作強度的同時也提高了工作效率。

（2）Auto CAD是目前無論設計單位還是生產單位使用最廣泛的礦用輔助軟件，在Auto CAD中進行二次開發，實現夏家店地下礦三維斜坡道的可視化建模，具有較強的可操作性和實用性，同時對其他礦山和后續實現地下三維立體開拓模型的構建有一定的借鑒意義。

（3）基于 Auto CAD進行夏家店地下礦山三維立體斜坡道的繪制，證明了利用Auto CAD進行二次開發實現地下礦三維立體巷道模型可視化的可行性，為之后的繼續研究打下了基礎。