基于三維模型的采礦工程可視化教學(xué)研究

摘要：礦山巷道布置通常以平剖面圖的方式繪制，對(duì)于復(fù)雜的巷道空間位置關(guān)系往往難以理解。采用三維模型模擬真實(shí)的巷道空間形態(tài)，能夠較大程度上提高采礦工程教學(xué)的可視化程度。因此，結(jié)合數(shù)字礦山軟件，通過繪制巷道底板中線并利用斷面參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的巷道斷面形狀，快速建立巷道三維模型，并且能夠利用瀏覽器插件和HSF流文件實(shí)現(xiàn)巷道三維模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。通過建立巷道三維模型將平面圖形擴(kuò)展到三維空間，增加了直觀性和真實(shí)感，還可以通過網(wǎng)頁查看巷道三維模型進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：采礦工程；三維模型；巷道建模；Web3D；HSF流文件

作者簡介：荊永濱（1981-），男，河南鄭州人，河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 451191）

基金項(xiàng)目：本文系河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：13B440925）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0138-02

在“煤礦開采學(xué)”、“采煤概論”、“井巷工程”等采礦工程專業(yè)的課程中涉及到許多巷道，而巷道的布置形式是以平剖面圖表示的。巷道的空間位置和巷道之間的關(guān)系，需要學(xué)生借助巷道布置平面圖和某個(gè)位置的剖面圖去建立，增加了教與學(xué)的難度。三維可視化技術(shù)可以再現(xiàn)三維世界中的物體，可以用三維圖形表示復(fù)雜的信息。三維可視化技術(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對(duì)礦山開拓、采準(zhǔn)和回采等巷道進(jìn)行交互式操作。[1]隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三維圖形逐漸向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，通過Web3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上的各種交互操作。[2，3]通過巷道三維模型可以直觀、準(zhǔn)確地模擬巷道布置的空間位置，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)訪問課程所在網(wǎng)頁進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本文在數(shù)字礦山實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究的基礎(chǔ)上，利用三維可視化建模技術(shù)建立巷道三維模型，并實(shí)現(xiàn)了基于Web3D的采礦工程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，通過三維可視化技術(shù)真實(shí)表達(dá)巷道空間布置，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)巷道形態(tài)和空間位置的理解，提高了采礦工程教學(xué)的可視化程度。

一、三維可視化建模技術(shù)

1.礦山三維建模軟件

礦山三維可視化建模是起源于礦山對(duì)于礦石資源管理和采礦設(shè)計(jì)的需求而發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，是在三維環(huán)境下運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將空間數(shù)據(jù)管理、實(shí)體建模以及圖形可視化等技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行分析的一門交叉學(xué)科。國內(nèi)外形成了許多成熟礦山三維可視化建模軟件系統(tǒng)，如國外的Surpac、Micromine、Vulcan、Datamine以及Minesight等，國內(nèi)方面有Dimine、3Dmine、QuantyMine等。[4]利用這些軟件系統(tǒng)可以快速建立礦山各種對(duì)象的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行查看和編輯。

2.三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

目前存在的三維數(shù)據(jù)模型，從幾何特征上主要分為兩類類：表面模型和體模型。[5]表面模型側(cè)重于三維空間實(shí)體的表面表示，能夠以較小的數(shù)據(jù)量準(zhǔn)確地表示復(fù)雜的實(shí)體形態(tài)。面模型主要有不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）、邊界表示模型（B-Rep）、數(shù)字高程模型（DEM）、NURBS曲面模型等。體模型將空間區(qū)域分解為一組基本單元，每個(gè)體元具有已知的大小、位置和屬性。體表示的模型可以表示非均勻?qū)ο蟮膬?nèi)部屬性變化。體模型主要包括：構(gòu)造立體幾何模型（CSG）、柵格模型、八叉樹模型（Octree）、四面體模型（TEN）等。

礦山三維建模軟件中多采用不規(guī)則三角網(wǎng)面模型，將離散點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)造成不規(guī)則的三角網(wǎng)面片，用來表示礦體、巷道等三維空間實(shí)體的表面。

二、巷道三維建模原理

巷道三維模型的建立需要空間的巷道底板中心線和平面上的巷道斷面線，在底板中心線的不同位置計(jì)算得到空間的巷道斷面線，然后通過三角化得到巷道三維表面模型。[6]

1.巷道斷面

通過所提供的巷道斷面類型和尺寸，計(jì)算平面上的斷面，如圖1（a）所示，為巷道寬3800、墻高1800的半圓拱斷面。需將其轉(zhuǎn)換為一條用一系列點(diǎn)表示的閉合線，如圖1（b），半圓部分按照相同的圓心角轉(zhuǎn)換為等長的折線。圓心角越小則線段越多，從而建立的巷道三維模型精度越高，一般轉(zhuǎn)換為8段即可滿足可視化的要求。

2.巷道三維模型

建立巷道三維模型的第一步是將平面上的斷面經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換放置在底板中心線的各個(gè)點(diǎn)，然后通過表面重建算法在斷面之間形成一系列三角形。巷道底板中線上的斷面具有相似的幾何形狀和相同的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，因此巷道三維模型可以采用三角形條帶作為其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，三角形條帶是一組相互連接的三角形，相鄰的兩個(gè)三角形有一條公用邊，因?yàn)椴挥弥貜?fù)存儲(chǔ)三角形頂點(diǎn)，三角形條帶比三角形列表要節(jié)省內(nèi)存且效率更高。如圖2所示，為利用三角形條帶建立巷道三維模型。

三、Web3D技術(shù)

實(shí)現(xiàn)通過瀏覽器查看和操作巷道三維模型需要進(jìn)一步利用Web3D技術(shù)。Web3D技術(shù)有多種解決方案，VRML是最早出現(xiàn)的Web3D技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2000年之后VRML轉(zhuǎn)換成X3D，加入XML、JAVA、流技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，具有更高效的三維計(jì)算能力、渲染質(zhì)量和傳輸速度。隨后出現(xiàn)諸如Cult3D、Viewpoint、Shout3D和Java3D等網(wǎng)絡(luò)三維圖形技術(shù)軟件和開發(fā)工具包。Web3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要包括三維建模、圖形顯示以及三維場(chǎng)景中的交互技術(shù)三部分。[7]因此，本文利用Dimine數(shù)字礦山軟件，建立巷道三維模型，然后將其轉(zhuǎn)換為開放源格式的HSF流文件實(shí)現(xiàn)模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，其流程如圖3所示。

1.HSF流文件

HSF是在OpenHSF中心的倡議下，全行業(yè)努力建立的一種通用開放格式，用于不同應(yīng)用程序之間的可視化數(shù)據(jù)交換。通過支持HSF格式，應(yīng)用程序能夠與其他支持HSF的應(yīng)用程序交換2D/3D模型。[8]①

使用HSF 格式作為巷道三維模型網(wǎng)絡(luò)瀏覽的文件格式，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在豐富性、高壓縮性、穩(wěn)定性及開放性和擴(kuò)展性。HSF規(guī)范支持一套完整的2D、3D、光柵和文本基元，還支持用于流式傳輸?shù)亩喾直媛蕦?duì)象和大型模型的可視化。HSF支持文件范圍和特定幾何形狀的壓縮機(jī)制，能夠減少文件的大小和互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)間，從而使其更加易于流傳輸。HSF隨著時(shí)間的推移保持相對(duì)不變，因?yàn)槠洫?dú)立于應(yīng)用程序并且具有內(nèi)置的可擴(kuò)展性。HSF的可擴(kuò)展性通過使用語法擴(kuò)展機(jī)制和一套.hsf文件讀取規(guī)則提供，未知的語法擴(kuò)展會(huì)被忽略。例如，在.hsf 文件中添加的新操作碼，會(huì)被舊版本HSF讀取程序忽略。

2.HOOPS 3D流控件

經(jīng)過文件格式轉(zhuǎn)換后的巷道三維模型HSF文件通過HOOPS 3D流控件實(shí)現(xiàn)三維模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，其流程如圖3所示。HOOPS 3D流控件是在HOOPS 3D框架上開發(fā)的基于ATL創(chuàng)建的ActiveX控件，封裝了HOOPS視圖和模型對(duì)象，不僅支持HSF流文件，還包含多種場(chǎng)景交互方法。HOOPS 3D流控件嵌入在網(wǎng)頁中，然后通過JavaScript等腳本語言設(shè)置控件屬性和處理事件，用戶通過IE內(nèi)核瀏覽器訪問含有該控件的網(wǎng)頁時(shí)，自動(dòng)下載安裝控件，即可通過空間顯示巷道三維模型并進(jìn)行交互。

3.巷道三維模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

設(shè)計(jì)網(wǎng)頁時(shí)，在網(wǎng)頁中添加相應(yīng)的代碼嵌入HOOPS 3D流控件和三維模型的HSF流文件，并通過JavaScript腳本語言設(shè)置相應(yīng)屬性來實(shí)現(xiàn)?？梢栽O(shè)置的屬性包括交互方式、顯示對(duì)象、選擇對(duì)象顏色、鏡頭、渲染以及動(dòng)畫等屬性。

四、教學(xué)模型實(shí)例

結(jié)合單一煤層走向長壁采煤法上山采區(qū)巷道布置的平剖面圖，建立對(duì)應(yīng)的巷道三維模型。

1.底板中心線矢量化及坐標(biāo)調(diào)整

將采區(qū)巷道布置平剖面圖掃描成位圖圖像格式文件，然后在AutoCAD 中以光柵圖像的方式插入，選擇水平或垂直的線作為校正線對(duì)位圖進(jìn)行校正，在AutoCAD中利用描圖的方法繪制底板中心線。在AutoCAD中繪制的底板中心線是平面圖形，而巷道建模所需的是表示巷道真實(shí)位置的空間線，因此，需做進(jìn)一步調(diào)整。將AutoCAD文件導(dǎo)入Dimine軟件中，利用軟件提供的線編輯命令結(jié)合剖面圖，首先對(duì)上山的坡度進(jìn)行調(diào)整，然后調(diào)整相應(yīng)的水平巷道、聯(lián)絡(luò)巷和車場(chǎng)等巷道。

2.建立巷道三維模型

利用Dimine軟件提供的巷道斷面設(shè)計(jì)功能模塊，提供巷道斷面參數(shù)建立不同類型的巷道的斷面，見圖4。分別為每種類型巷道的底板中心線選擇相應(yīng)類型和尺寸的巷道斷面，利用巷道建模功能建立巷道三維模型，并在相應(yīng)位置進(jìn)行文字標(biāo)注，如圖5為模型中區(qū)段運(yùn)輸平巷和上山的位置。建立的巷道三維模型進(jìn)一步通過前文所述方法嵌入網(wǎng)頁，如圖6所示，為通過瀏覽器訪問包含單一煤層走向長壁采煤法上山采區(qū)巷道布置三維模型的網(wǎng)頁。

五、教學(xué)效果

在三維模型應(yīng)用與采礦工程專業(yè)課程的教學(xué)中，通過真實(shí)表達(dá)的巷道空間位置以及相互之間的關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生的接受度和對(duì)知識(shí)的理解能力。此外，通過隨時(shí)瀏覽器訪問巷道三維模型所在網(wǎng)頁，對(duì)模型進(jìn)行交互式操作，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對(duì)知識(shí)的復(fù)習(xí)效果。實(shí)踐表明，三維模型及其網(wǎng)絡(luò)發(fā)布為教學(xué)提供了可視化的教學(xué)資源，提高了教學(xué)效果和質(zhì)量，并能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)資源的共享。

注釋：

①參見http：//www.techsoft3d.com的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳立新，殷作如，鄧智毅，等.論21世紀(jì)的礦山——數(shù)字礦山[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，（4）：337-342.

[2]丁偉，劉明舉，錢省三，等.基于VRML的虛擬巷道系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，（15）：39-41.

[3]郝秀強(qiáng)，郝晉會(huì)，馬斌.基于Web的采礦工程三維可視化系統(tǒng)框架[J].中國礦業(yè)，2007，（5）：92-94.

[4]姜華，秦德先，陳愛兵，等.國內(nèi)外礦業(yè)軟件的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2005，19（4）：422-425.

[5]李仲學(xué)，郝晉會(huì)，李翠平，等.礦山的復(fù)合場(chǎng)理論、一體化模型及可視化技術(shù)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（7）：651-654.

[6]王鳳林，王延斌.巷道三維建模算法與可視化技術(shù)研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，（1）：91-94.

[7]Chittaro L，Ranon R.Web3D technologies in learning，education and training[J].Computers & Education，2007，49（1）：1-2.

[8]衛(wèi)剛，李啟炎，趙衛(wèi)東.基于HSF的數(shù)字城市模型Web發(fā)布[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（3）：69-73.

（責(zé)任編輯：王意琴）