基于語義多尺度的礦山地下空間建模方法

李雯靜，張馨心，林志勇，邱莉，邱立強

（1.武漢科技大學 資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430081；3.武漢大學 遙感信息工程學院,湖北 武漢 430079）

0 引言

近年來，隨著對虛擬礦山技術的研究逐步深入，礦山三維建模成為研究熱點[1-3]。目前，礦山企業對礦山地下空間模型的應用需求不斷增加，針對地下空間的認知活動目標呈現多層次性[4]。然而，地下礦山全景三維空間模型構建會造成冗余，模型構建需要綜合考慮經濟性、非冗余性與建模效率。

多細節層次（Level of Details，LOD）模型[5-6]是一種多尺度模型，可反映從全局到局部不同尺度的模型信息，表達模型與現實世界對應實體之間的緊密程度。近年來，LOD 模型被廣泛應用于城市建模中[7-10]，城市地理標記語言（CityGML2.0）定義了三維城市環境中重要的實體類型（如建筑物、植被、水體、隧道等）及其幾何、語義、拓撲和外觀等屬性。與城市建模不同，礦山地下空間有其特有的屬性信息及內部結構，井巷及其內部的生產系統是與采礦活動聯系最密切的空間要素[11-12]，建模的目標對象通常位于巷道及其構筑物內部。因此，學者們提出了語義多尺度思想[13-15]，將語義作為表述實體要素抽象程度的重要指標，通過實體要素本身蘊含的語義描述其屬性特征，使得該實體能夠更加合理地表達礦山領域的邏輯結構。然而，基于語義的地下礦山實體建模方法存在以下缺陷：①細節層次劃分的詳細程度不夠，缺少礦山語義類劃分。② 模型根據不同需求配置的自由度較小。③缺乏井下三維模型的多尺度精細化表達。

隨著三維建模逐漸往精細化方向發展，部分學者提出礦山參數化建模[16-17]方法。參數化建模是指對目標模型進行參數化處理，在建模和優化階段不斷調整參數，最后生成最優解。通過參數化建模方法能夠精確地完成復雜形體的設計，具有簡單、快速，實現成本低等優點[18-19]。因此，本文將參數化建模和語義多尺度思想應用到礦山LOD 模型構建中，提出基于語義多尺度的礦山地下空間建模方法。將語義屬性作為劃分多尺度的重要因素，依據特定的標準構建礦山語義尺度離散LOD 模型，從語義的角度定義礦山地下空間不同應用所需實體要素的細節豐富度和視覺屬性，為地下空間認知活動提供合理、科學、高效的多尺度三維空間模型。

1 基于語義多尺度的礦山地下空間建模方法

傳統的LOD 模型構建方法一般預先規定每一等級的LOD 模型的精度范圍和詳細程度，對不同應用場景的語義劃分模糊，模型配置自由度較小。在礦山領域，進行巷道掘進、開采等生產活動時，需要用不同層次的模型來指導生產。同時，礦山企業不同職能部門對三維模型的要求也存在差異，如礦山綜合管理部門多從宏觀角度關注整個礦山的模型結構，機電工程部門多關注礦山供電系統等基礎設施模型構建，生產技術部門則更關注礦山生產設備等精細化模型構建。因此，需要合理改進LOD 模型，以滿足礦山企業特定場景的應用需求。

基于語義多尺度的礦山地下空間建模方法步驟：①確定礦山地下空間建模對象。② 依據語義的重要程度，根據不同語義劃分每類元素的層級，限制礦山地下空間建模對象的明確邊界。③定義除語義屬性外的LOD 模型構建指標。④ 定義離散LOD 模型和連續LOD 模型之間的關系，以保證多尺度模型在視覺上的連續性。

1.1 礦山地下空間建模對象選取

礦山地下空間是由處于地下巖層和礦體內的巷道與硐室所構成的空間，井下所有生產系統的設備和作業人員都分布在該空間內[11,20]。巷道是各種人工設施的重要載體，貫穿于整個礦山體系，巷道模型則是數字化礦山的重要組成部分。因此，本文將建模對象確定為礦山地下空間內的實體要素，并依據實體要素位置劃分為巷道模型和巷道內模型，如圖1所示。巷道模型包括巷道主體模型及其他人工構筑物模型，主要描述巷道主體結構、形狀、走向及井下變電所、硐室、絞車房等構筑物；巷道內模型包括礦山設施模型和設備模型。

圖1 礦山地下空間實體要素Fig.1 Mine underground space entity elements

1.2 建模對象語義劃分

語義是礦山LOD 模型的主要構建指標，不同的語義尺度表達了礦山地下空間實體要素的主次關系。相較于空間尺度，語義尺度能夠呈現模型的內部結構、分布特征和層次關系，提供直觀的視覺信息，并揭示模型元素與整體之間的關系。

礦山地下空間內部實體要素類型繁復，根據實體要素的語義信息定義不同的語義類，如巷道類、硐室類、軌道類等。語義類向下劃分成族，以巷道類為例，劃分為開拓巷道族、回采巷道族等。按照功能將族再分解為組件元素，便于建模時采用參數化思想來控制形狀固定、可重復使用的元素。礦山語義類定義如圖2 所示。

圖2 礦山語義類定義Fig.2 Mine semantic class definition

基于礦山地下空間實體要素語義的層次關系及重要性，從整體到局部構建礦山LOD 模型。根據語義類所在位置將LOD 模型分為巷道和巷道內2 個層次，每個層次由嚴格定義的語義類表達，每個語義類所展示的粒度大小在該層語義尺度內，由幾何屬性、外觀屬性等其他LOD 模型構建指標決定。

1.3 其他LOD 模型構建指標

LOD 模型構建指標是劃分LOD 的標準，定義了模型與現實的對應關系，一般又稱為分辨率或詳細程度[21-22]。除語義外，礦山LOD 模型的構建指標還包括幾何屬性、外觀屬性及特征屬性。將按照語義劃分的LOD 模型稱為SLOD（Semantic LOD）模型，在每層SLOD 內，按照多種屬性組合的方式劃分為多個ALOD（Attributes LOD）模型。

幾何屬性概括了建模對象主題類的幾何詳細程度。不同層次的LOD 模型幾何復雜度不同。外觀屬性包括顏色和紋理，可以提高模型的辨識度。顏色可用于區分不同的主題類，紋理可增強模型的現實感。特征屬性是指建模對象的內部特征，如設計參數、建造年份、維修信息、所有權等。為適應參數化建模要求，將模型設計參數添加到特征屬性中。每個主題類及組件都有1 個或多個屬性。

1.4 LOD 模型的連續性

為了保證語義細節層次視覺上的連續性，在離散化的語義LOD 模型設計過程中應當考慮模型的連續性。LOD 模型的視覺連續性表現在以下方面：①對于離散語義細節層次，每層表達的信息連續且層層遞進，從大范圍主體信息到局部區域細微信息，展示礦山地下空間。② 在語義細節層次框架下，離散屬性細節層次從粗略到詳細、由簡要到細致地表達礦山語義類模型的表面形態。單個組件可出現在不同層次的模型中，通過拓撲關系連接整體與組件（相關拓撲關系在本文中不予討論）。

2 礦山LOD 模型設計及實現

2.1 SLOD 模型設計

設計SLOD 模型時考慮以下幾點：①礦山地下空間建模對象的語義類應明確指定。② 不同細節層次的語義類可共存于1 個場景中。③允許用戶使用組裝和定制功能，通過設置應用場景所需的語義類，靈活配置各層次的建模對象。

將SLOD 模型劃分為巷道模型（SLOD0-SLOD2）和巷道內模型（SLOD3-SLOD5）。

（1）SLOD0（巷道網絡模型）：包含巷道斷面和走向形狀，由截面線和巷道中心線構成。一般LOD 模型使用較低維度的圖元來表達主題要素，而本文從SLOD0 開始就采用三維狀態下的線模型，其后均使用三維幾何模型。這一點支持了參數化建模的實現，不會因為出現多維元素而影響模型主題類的表達。

（2）SLOD1（巷道粗略模型）：巷道骨架整體模型，包含如下主題類：①開拓巷道，包括運輸大巷、軌道大巷、回風大巷。② 采準巷道，包括采區集中巷、采區石門、井底車場。③其他主題，如井筒、聯絡巷等。

（3）SLOD2（巷道精細模型）：巷道骨架精細化模型，增加了巷道構筑物細節模型，包含如下主題類：①回采巷道，包括工作面運輸巷、排瓦斯巷。②采區（礦塊）內巖層。③硐室，包括翻籠硐室、裝載硐室、馬頭門、井下變電所、絞車房。④巷道交叉點。

（4）SLOD3（巷道內主要設施模型）：依附于巷道而存在的構筑物模型，包含巷道支護、道床、軌道、水溝、人行道等主題類。

（5）SLOD4（巷道內主要設備模型）：與生產相關的主要設備模型，包含如下主題類：①采礦設備，包括采礦機、動力中心、液壓支架、運輸車、支架搬運牽引車。②主要運輸設備，包括帶式輸送機、篩分破碎機。③主要提升設備。④中央變電所設備，包括礦用隔爆變壓器、配電裝置、綜保裝置等。⑤中央水泵房設備，如水泵等。⑥掘進設備，如掘進機等。

（6）SLOD5（巷道內其他設備模型）：巷道內其他相關設備和系統模型，包含排水系統、通風系統、監控系統、供電系統等。

2.2 屬性組合

建模對象可包含多個主題類，高級別LOD 模型可包含低級別LOD 模型。設 ALODx(x=a,b,c)為幾何、外觀、特征屬性的集合，ALODa表示無顯著外觀信息的粗略幾何模型，ALODb表示添加了不同實體顏色的較精細幾何模型，ALODc表示進行紋理渲染后的精細幾何模型，則SLODn(n=0～5)與 ALODx可組合為 SLODnx：

SLODn模型可表示為

SLODn模型的屬性可表示為

式中：S為語義屬性；T為幾何屬性；F為特征屬性；A為外觀屬性。

以巷道支護類為例，SLOD3 與ALODx組合生成SLOD3x的過程如圖3 所示。

圖3 SLOD 與ALOD 的組合Fig.3 Combination of SLOD and ALOD

將SLOD 與各種屬性進行組合，可清晰顯示礦山語義類模型的詳細程度和主次關系。然而，并不是所有的組合都是有效組合。本文中巷道和巷道內SLOD 和ALOD 的所有可能組合見表1，其中，“×”表示無效組合。由于SLOD0 表示巷道截面線和中心線所構成的模型，不涉及幾何及外觀形態的變化，所以SLOD0b，SLOD0c 為無效組合。

表1 巷道和巷道內SLOD 和ALOD 組合Table 1 Combination of SLOD and ALOD of roadway and in-roadway

2.3 SLOD 參數化建模場景實現

采用Revit 構建礦山語義類參數化族庫，并載入3DMax 中進行細節添加和紋理渲染，構建礦山地下空間SLOD 可視化場景。以井底車場為例，巷道模型SLOD0-SLOD2 的可視化場景如圖4 所示。SLOD0為巷道的走向線和截面線模型，SLOD1 為整體巷道網絡三維骨架結構模型，SLOD2 為在整體巷道網絡上疊加構筑物細節（水泵房、變電站、馬頭門、機車修理庫等）后的模型。

圖4 SLOD0-SLOD2 的可視化場景Fig.4 Visualization scene of SLOD0-SLOD2

巷道內模型SLOD3-SLOD5 的可視化場景如圖5 所示。SLOD3 為巷道內主要設施模型，包括巷道支護、鐵軌等；SLOD4 為礦山生產相關設備的粗略模型，包括礦車等；SLOD5 為巷道內部其他精細設備模型，包括巷道燈、管線等。

圖5 SLOD3-SLOD5 的可視化場景Fig.5 Visualization scene of SLOD3-SLOD5

2.4 SLOD/ALOD 組合建模場景實現

以SLOD3 為例，與ALOD 組合建模場景如圖6所示。圖6（a）為粗略幾何模型，圖6（b）為增加了外觀信息的較精細幾何模型，圖6（c）為增加了紋理渲染的精細幾何模型。SLOD/ALOD 組合形式提供了語義類模型多屬性的表達方式，有助于表達更多的語義信息，提高模型構建的精細程度，并允許幾何屬性以不同細節層次的形式展現。

圖6 SLOD3 與ALOD 組合建模場景Fig.6 SLOD3 and ALOD combined modeling scene

3 結語

提出了基于語義多尺度的礦山地下空間建模方法，將語義尺度作為最重要的設計指標，輔以幾何、外觀及特征等其他設計指標細化模型層次，設計了適用于礦山地下空間的離散LOD 模型。從語義的角度定義礦山地下空間不同應用所需實體要素的細節豐富度和視覺屬性，為地下空間的認知活動提供合理、科學、高效的多尺度三維空間模型。