基于Blender的礦山井巷模型自動生成研究

熊綿國，朱權(quán)潔，劉曉云，呂 壘，盛建龍

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢，430081；2.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京，100083；3.中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院，湖北武漢，430081）

基于Blender的礦山井巷模型自動生成研究

熊綿國1，朱權(quán)潔2，劉曉云1，呂 壘3，盛建龍1

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢，430081；2.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京，100083；3.中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院，湖北武漢，430081）

以開源三維軟件Blender和礦山基礎(chǔ)信息庫為資源，利用Python編程語言提出礦山井巷幾何模型的計算方法，并通過Blender自帶Python API調(diào)用Blender建模引擎，從而實現(xiàn)對礦山井巷三維模型的自動生成。運行結(jié)果表明所設(shè)計的模型簡單易行，完全開源后無需軟件費用。

三維可視化；三維礦山；自動建模；Blender；Python語言

礦山井巷工程是礦山工程的重中之重。對于數(shù)字化礦山建設(shè)而言，礦山井巷三維模型的構(gòu)建同樣重要。礦山井巷三維模型構(gòu)建方式主要有：①提取巷道頂板中心線數(shù)據(jù)和斷面數(shù)據(jù)，通過計算得出巷道斷面上其他特征點坐標，然后利用“點構(gòu)面、面構(gòu)體”的方式構(gòu)建巷道模型［1］；②由導線點逼近中線點并在巷道節(jié)點處加載斷面的算法建立井巷三維模型［2］；③應(yīng)用“導線截面法”形成井巷三維模型，并將井巷看作是其截面沿一定導線軌跡運動形成的實體［3］。傳統(tǒng)的礦山井巷三維模型構(gòu)建大都是利用商業(yè)軟件，根據(jù)已有的礦山井巷信息通過手動方式來實現(xiàn)，因而在一定程度上滿足了礦山建設(shè)對于井巷三維模型的需求。但是，隨著礦山作業(yè)不斷深入和商業(yè)軟件不斷更新，現(xiàn)有礦山井巷三維模型很難與后期礦山建設(shè)的需求無縫銜接。如何快速構(gòu)建礦山井巷三維模型，是業(yè)內(nèi)研究者需要解決的一個難題。

目前，我國礦山井巷三維模型構(gòu)建尚處于初級階段，相關(guān)研究主要是利用專門的商業(yè)軟件進行三維建模開發(fā)，或通過開源的OpenGL平臺進行地層開發(fā)［4－6］。實踐表明，利用商業(yè)軟件雖能提高開發(fā)速度，但其后續(xù)的再次開發(fā)存在瓶頸，如不公開的源代碼使二次開發(fā)不可實現(xiàn)；而開源的OpenGL平臺雖然公布了源代碼，但其基于C／C＋＋的底層編程方式需要耗費大量的人力和物力資源。為此，本文基于開源軟件Blender提出一種新的礦山井巷三維模型快速構(gòu)建方式，并利用礦山已有的數(shù)據(jù)信息資源，在Blender開源三維軟件平臺下實現(xiàn)了對礦山井巷三維模型的自動生成。

1 井巷模型生成流程

根據(jù)現(xiàn)有礦山資料和數(shù)據(jù)資源，對礦山三維巷道進行自動生成構(gòu)建，其流程如圖1所示。礦山井巷三維模型自動生成流程如下：為建立礦山巷道實體模型，其關(guān)鍵控制點是數(shù)學模型表達，先利用Python編程語言將其轉(zhuǎn)化為計算機識別的程序模型，再通過Python API編寫可供Blender運行的腳本。執(zhí)行腳本代碼后，Blender調(diào)用礦山信息數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過腳本中的命令流進行自動建模操作。

圖1 礦山三維井巷自動生成流程Fig.1 Auto－generation flow chart of 3D laneway

2 井巷模型的構(gòu)建

本研究中井巷模型的建立是基于巷道截面建模方式，根據(jù)已有數(shù)據(jù)計算得出巷道截面頂點坐標連接成面，同理繪制一系列截面，然后將這些截面上邊界線相連接，構(gòu)建巷道實體表面。其主要思路如下：①通過已有地質(zhì)資料或現(xiàn)場測量方式，分析計算得出巷道中心線坐標；②建立巷道截面模型，根據(jù)已有中心導線坐標，計算得出巷道截面各關(guān)鍵點坐標，并依次連接各關(guān)鍵點，使之成為一個閉合的內(nèi)部中空截面；③對于水平正對方向巷道而言，可以直接將兩相鄰截面連接成體（巷道內(nèi)部為中空，無需考慮內(nèi)部）；對于轉(zhuǎn)折、傾斜巷道，需要對轉(zhuǎn)折處進行加密（中間截面）的方式使巷道轉(zhuǎn)折更加圓滑真實。

2.1 模型算法的建立

巷道截面是巷道幾何建模的重要參數(shù)。巷道截面有拱形、矩形、梯形以及斜梯形等多種形態(tài)。本文以梯形巷道為例進行研究。圖2為梯形巷道的截面參數(shù)，其中：H 為截面垂直高度，m；W 為截面水平寬度，m；O為設(shè)定的中心導線在橫截面上的坐標點。

圖2 梯形巷道的截面參數(shù)Fig.2 Sectional parameters of trapezoidal arch

在已知巷道中心導線的前提下，要實現(xiàn)巷道斷面的加載，需要利用巷道截面的參數(shù)分別求出截面上關(guān)鍵點的坐標位置。由圖2可看出，若巷道中心導線點O為（x0，y0，z0），則巷道左幫右?guī)完P(guān)鍵控制點的坐標為

圖3為巷道關(guān)鍵控制點的計算及面的構(gòu)成。由圖3可看出，代碼生成巷道邊界關(guān)鍵控制點是1～8點，它們分別為面A、B上的點。以當前截面A為起始面，B為第二截面，連接AB截面，即可組建一段實體巷道模型。

選擇A平面上的點構(gòu)建A平面的邊界，然后選取A平面上相鄰的兩點和對應(yīng)B平面上的兩點構(gòu)建巷道外壁。如1、2、5、6四節(jié)點構(gòu)建一個平面，2、3、6、7四節(jié)點構(gòu)建另一平面，就可直至遍歷巷道截面上的邊界關(guān)鍵控制點。然后取B截面作為起始點，構(gòu)建BC段巷道模型，依此類推，直至巷道的結(jié)點，其生成的簡易效果圖如圖4所示。

圖3 巷道關(guān)鍵控制點的計算及面的構(gòu)成Fig.3 Calculation of the key control points and constitution of the faces on laneway

2.2 巷道網(wǎng)絡(luò)

礦山巷道是整個礦山井巷工程的核心部分，在實際工程現(xiàn)場，由于受地質(zhì)條件及采礦方法的影響，井下巷道縱橫交錯，其拓撲關(guān)系異常復雜，而且巷道與巷道之間由于功用的不同也存在著很多差異［7］。因此，在實際巷道建模過程中，以巷道平面為單位，建立礦山井下巷道網(wǎng)絡(luò)體系。水平上的結(jié)點以水平直線段為單位連接成巷道弧度，然后連接各弧度組成該水平上的巷道網(wǎng)絡(luò)。

圖4 簡單巷道模型生成示意圖Fig.4 Simple diagrams of laneway model

礦山巷道以巷道網(wǎng)絡(luò)的方式來表達，把巷道中線抽象為弧線段，用巷道的起點、終點和承接點來分別表達弧線段的結(jié)點和節(jié)點。整個礦山井巷工程可以看作是由眾多弧線段連接而成的整體［7］。

2.3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

礦山三維井巷模型的自動生成建模是以礦山測量和勘探的信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)導入功能，將測得的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫中作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過前期準備的資料，整理出巷道掘進相關(guān)參數(shù)，主要由巷道中心點、節(jié)點、巷道終點的平面坐標和高程等信息來確定其斷面形狀，整理后保存于初期表單中，或通過導線測量的方式，測量井下中心導線點的坐標以及傾角等相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)建模需求，還可設(shè)計若干表單，以用于礦山建模數(shù)據(jù)的存儲與查詢。

3 井巷模型的自動生成

3.1 模型的生成

通過前期模型的建立、數(shù)據(jù)的存儲，即可迅速生成礦山井巷三維模型。圖5為利用代碼實現(xiàn)的礦山模型示意圖，其中圖5（a）為普通巷道，圖5（b）為兩相交巷道生成后的結(jié)果，圖5（c）為某礦－65～－305 m礦體的生成圖，圖5（d）為地表生成示意圖。與傳統(tǒng)的手動繪制三維模型相比，Blender提供的Python API可以通過命令流的方式進行三維模型的繪制。通過編制代碼可以快速生成礦山模型，便于模型的修改和添加，同時開發(fā)速度便捷迅速。

3.2 巷道轉(zhuǎn)折及連接處的處理

圖5 生成的相應(yīng)礦山井巷模型Fig.5 Corresponding models generated

對于復雜的礦山井巷工程而言，巷道不可能保持水平垂直進行延伸。在巷道的掘進過程中，需要不斷從經(jīng)濟利益、安全等角度出發(fā)來考慮礦體及運輸距離等，因此，其方向會不斷發(fā)生變化。在巷道的自動生成建模中需要對此因素進行分析，對相交的或轉(zhuǎn)折的巷道作一些處理。例如，當巷道轉(zhuǎn)折較大時，可以選擇直接將巷道靠外側(cè)界面上的點直接相連接，以保證巷道聯(lián)通的真實性。

4 應(yīng)用前景

利用Blender三維開源軟件平臺和Python編程語言可實現(xiàn)礦山井巷三維模型的快速自動生成。此外，基于Blender與Python開發(fā)平臺，可從以下幾個方面展示其應(yīng)用前景：

（1）礦山動態(tài)生產(chǎn)模擬研究。在礦山虛擬環(huán)境中，用戶選定設(shè)置好的運輸車模型，輸入相應(yīng)的控制指令后，系統(tǒng)以三維立體圖動態(tài)顯示“裝礦－運礦－卸礦”的生產(chǎn)過程。

（2）Python語言擁有眾多的數(shù)學分析、工程仿真等模塊，借助這些模塊編程可以實現(xiàn)礦山的生產(chǎn)優(yōu)化、仿真以及線性規(guī)劃，并可以提供模糊數(shù)學等理論為礦山開采安全提供幫助。

（3）基于Blender平臺的數(shù)字化礦山基礎(chǔ)信息平臺的開發(fā)研究。礦山基礎(chǔ)信息平臺的搭建一直是礦山信息化進程的關(guān)鍵之一，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)以Web3D方式展示可完善礦山信息化的內(nèi)容。

圖6為基于Blender平臺的數(shù)字化礦山開發(fā)研究平臺結(jié)構(gòu)體系。本研究所開發(fā)的軟件平臺已運行正常，整個結(jié)構(gòu)體系基本上實現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)目標。

圖6 基于Blender的數(shù)字化礦山開發(fā)研究平臺結(jié)構(gòu)體系Fig.6 Architecture of development platform for digital mine based on Blender

5 結(jié)論

（1）完全應(yīng)用開源軟件進行開發(fā)，為后續(xù)的研究提供了保證。利用Blender和Python語言建立礦山模型基本上解決了傳統(tǒng)構(gòu)建礦山井巷三維模型所存在的問題。

（2）利用編程的方式實現(xiàn)礦山井巷三維模型的快速建立。在模型的基礎(chǔ)上，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)即可快速生成礦山井巷三維模型。

（3）Blender自身擁有物理仿真功能，而且Python提供了系統(tǒng)仿真和分析軟件包SimPy，這為礦山井巷三維可視化仿真提供了有利條件。

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Auto－generation of mine shaft engineering model based on Blender

Xiong Mianguo1，Zhu Quanjie2，Liu Xiaoyun1，Lu Lei3，Sheng Jianlong1
（1.College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.Wuhan Safety and Environmental Protection Research Institute，Sinosteel Corporation，Wuhan 430081，China）

Based on the open－source 3D software Blender and mining－based information database，this paper uses the Python programming language to arrive at the calculation method of mine geometric model.By calling Blender modeling engine through Python API，it has realized the auto－generation of 3D model of the mine shaft engineering.The model is found to be simple，feasible and what’s more，costless thanks to the use of completely open－source software.

3D visualization；3D digital mine；auto modeling；Blender；Python language

TD214

A

1674－3644（2012）04－0260－05

［責任編輯 徐前進］

2012－02－10

熊綿國（1984－），男，武漢科技大學碩士生.E－mail：chy－88621＠163.com

盛建龍（1964－），男，武漢科技大學教授.E－mail：wkdsjl＠163.com