淺談CGIS系統(tǒng)三維可視化應(yīng)用

胡杭洲

摘要：地測(cè)信息系統(tǒng)（CGIS）的研制開發(fā)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，圖形的生成與編輯，三維模型的建立與應(yīng)用等內(nèi)容。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立涉及煤礦地質(zhì)、測(cè)量、水文、儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、查詢與報(bào)表，它是系統(tǒng)的基礎(chǔ)；三維模型的建立是煤礦多層實(shí)體模型數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)與分析的前提；圖形的生成與編輯涉及煤礦柱狀類、剖面類、平面類、采掘工程類圖件等常規(guī)圖件的自動(dòng)化生成與整飾，它是成果的最終表現(xiàn)形式。

關(guān)鍵字：地測(cè)信息系統(tǒng)（CGIS），數(shù)據(jù)，三維模型

1 CGIS系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想

CGIS 是交互式圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)移植到PC 機(jī)上的二、三維交互式圖形設(shè)計(jì)軟件。功能十分強(qiáng)大， 系統(tǒng)命令有所擴(kuò)充， 是目前運(yùn)行在PC 機(jī)上的檔次較高的二、三維交互式圖形設(shè)計(jì)軟件。CGIS是一個(gè)地勘、地測(cè)領(lǐng)域的專業(yè)軟件， 是一個(gè)全軟件化設(shè)計(jì)、功能齊全、高度智能化的地質(zhì)測(cè)量解決方案， 提供從原始數(shù)據(jù)管理到地測(cè)圖件自動(dòng)生成的整體作業(yè)流程， 跟隨世界先進(jìn)的圖形學(xué)算法和處理技術(shù)， CGIS創(chuàng)造和運(yùn)用了大量先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)， 可以滿足地質(zhì)勘探部門、礦山地測(cè)部門對(duì)數(shù)據(jù)管理和生產(chǎn)制圖的全部需求。開放的數(shù)據(jù)交換格式可與其他測(cè)圖軟件、GIS軟件等方便地共享數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的功能模塊

1）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：

該系統(tǒng)分為5個(gè)子系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)、巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、水文數(shù)據(jù)庫(kù)、資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸人、輸出， 并進(jìn)行分析處理、數(shù)據(jù)管理、查詢、報(bào)表生成與輸出、為圖形系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)。

2）圖形系統(tǒng)：

圖形系統(tǒng)是以煤炭科學(xué)研究總院西安研究院的煤礦地測(cè)管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)自行開發(fā)的，分為平面圖子系統(tǒng)、測(cè)量圖子系統(tǒng)、剖面圖子系統(tǒng)、素描圖子系統(tǒng)、小插圖子系統(tǒng)、圖例庫(kù)子系統(tǒng)、三維虛擬環(huán)境子系統(tǒng)。具有自動(dòng)生成與人機(jī)交互功能， 實(shí)現(xiàn)了圖形各種比例的任意轉(zhuǎn)換。

平面圖子系統(tǒng)：

①讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)， 按要求自動(dòng)處理數(shù)據(jù)與圖形， 動(dòng)態(tài)生成和修改圖形。

②結(jié)合剖面圖子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 處理煤層底板等高線及儲(chǔ)量計(jì)算圖。

③生成各種等值線圖。

④根據(jù)素描圖子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 生成回采工作面地質(zhì)平面圖。

⑤處理與水文地質(zhì)有關(guān)的平面圖形， 如充水性圖、綜合水文地質(zhì)圖等。

⑥為剖面圖提取數(shù)據(jù)。

測(cè)量圖子系統(tǒng)：

①讀取測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)， 按要求自動(dòng)處理數(shù)據(jù)與圖形， 動(dòng)態(tài)生成和修改圖形。

②處理地形圖和工廣圖， 以及以它們?yōu)榛A(chǔ)的其它圖形。

③生成1：1000，1：2000，1：5000， ， 的采掘工程平面圖。

剖面圖子系統(tǒng)：

①讀取地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)， 生成地質(zhì)剖面圖。

②結(jié)合平面圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理勘探線剖面圖，預(yù)想剖面圖等。

③為平面圖提取特征數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)平剖面圖的互相修改。素描及回采工作面子系統(tǒng)。

④自動(dòng)生成巷道素描圖， 綜合柱狀圖， 并為回采工作面地質(zhì)平面圖形準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

⑤處理包括地質(zhì)和測(cè)量?jī)?nèi)容在內(nèi)的回采工作面。

素描圖系統(tǒng)子系統(tǒng)：

①能夠自動(dòng)獲取巷道、煤層頂?shù)装宓臄?shù)據(jù)，以自動(dòng)生成煤層底板等高線圖。

②自動(dòng)生成工作面綜合柱狀圖，數(shù)據(jù)來(lái)源于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

③能夠?qū)ο锏缹?shí)測(cè)剖面圖進(jìn)行整體裁剪，并自動(dòng)生成標(biāo)高線。

小插圖子系統(tǒng)：

①為數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)準(zhǔn)備各種示意圖或特定比例的局部附圖。

②用戶任意繪制的各種類型示意圖。

圖例庫(kù)子系統(tǒng)：

該系統(tǒng)可以管理與制作各類圖例，它具有完善的圖例、線型（煤炭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）、字體。圖例庫(kù)子系統(tǒng)除了系統(tǒng)已提供的圖例外， 用戶還可以利用相關(guān)的功能自己構(gòu)造圖例。平面和測(cè)量等系統(tǒng)所用的圖例都來(lái)源于圖例庫(kù)系統(tǒng)。

三維虛擬環(huán)境子系統(tǒng)：

系統(tǒng)主要利用礦井實(shí)際數(shù)據(jù)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和各種實(shí)體建模技術(shù)，構(gòu)建三維可視化應(yīng)用，并能夠通過(guò)與其它系統(tǒng)的接口（如瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、ERP系統(tǒng)等），顯示監(jiān)測(cè)、供電等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽、查詢井下設(shè)備的各種參數(shù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，從而達(dá)到無(wú)需下井亦可掌握礦井最新生產(chǎn)信息的目的。主要包括工業(yè)廣場(chǎng)三維可視化、巷道三維可視化、煤層三維可視化、三維井上下對(duì)照、基于三維巷道井下監(jiān)測(cè)信息、井巷工程進(jìn)度可視化、基于三維巷道井下設(shè)備三維可視化與管理、三維漫游、三維剖切、三維線路展示以及與ERP系統(tǒng)對(duì)接等功能。

主要實(shí)現(xiàn)功能：

（1）工業(yè)廣場(chǎng)主要建筑物、道路、綠地、樹木、煤倉(cāng)、井口等的建模與可視化。

（2）三維地層模型，三維巷道、鉆孔、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、機(jī)電設(shè)備、井巷工程的建模。

（3）工業(yè)廣場(chǎng)與巷道、煤層、鉆孔以及回采工作面的三維可視化疊加，即可形成一種新型的井上下對(duì)照?qǐng)D，即三維井上下對(duì)照?qǐng)D。

（4）三維場(chǎng)景渲染、立體視覺生成、三維場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)、平移、縮放及三維場(chǎng)景錄制。

（5）地表工業(yè)廣場(chǎng)及地表漫游，并可實(shí)現(xiàn)基于預(yù)定路線的漫游與基于Web的工業(yè)廣場(chǎng)三維漫游。

（6）三維信息查詢，包括鉆孔、巷道、工作面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息的查詢。

（7）三維編輯、三維剖切，自動(dòng)生成符合制圖規(guī)范的剖面圖。

（8）任意區(qū)域煤層的儲(chǔ)量估算。

（9）基于三維巷道布置圖的通風(fēng)線路、避災(zāi)線路、下井路線等展示與模擬。

（10）基于三維巷道布置圖的工作面信息動(dòng)態(tài)管理，如回采工作面布置、設(shè)備布置等。

（11）基于三維巷道布置圖的井巷工程進(jìn)度可視化管理，可以根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺、巷道方位與巷道坡度等數(shù)據(jù)分段建立巷道幾何模型等，實(shí)現(xiàn)巷道進(jìn)度查詢等。

（12）基于三維巷道布置圖實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、井下人員跟蹤定位、視頻監(jiān)控等信息的集成應(yīng)用與展示。

（13）基于3D-WebGIS實(shí)現(xiàn)管理層的輔助決策應(yīng)用分析，如監(jiān)測(cè)監(jiān)控、避災(zāi)線路分析等。

2） 三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化。實(shí)質(zhì)上就是三維計(jì)算機(jī)圖形圖象繪制與處理技術(shù)， 包括三維立體圖的自動(dòng)繪制、真實(shí)感圖象繪制、空間等值曲面生成技術(shù)等。在三維MGIS的研究和應(yīng)用中， 可視化包括對(duì)三維數(shù)據(jù)本身及處理過(guò)程與結(jié)果的可視化。其基本思路是， 在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持下， 通過(guò)空間對(duì)象的三維表達(dá)、數(shù)據(jù)更新對(duì)礦山實(shí)體進(jìn)行構(gòu)建， 并可對(duì)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)行模擬。如對(duì)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化時(shí)， 首先根據(jù)實(shí)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)建立基于三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)模型， 然后對(duì)各巖層界面（ 如煤層頂、底板） 進(jìn)行內(nèi)插后用TIN表示。而進(jìn)行有關(guān)的空間分析時(shí)， 則可以用三維柵格或八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。

3） 虛擬現(xiàn)實(shí)。數(shù)字礦山中的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬主要是通過(guò)虛擬GIS來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 包括采礦工程規(guī)劃與管理、采礦過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬、采礦工藝優(yōu)化、合理的資源開采方案確定、礦山安全預(yù)測(cè)、地表采動(dòng)影響等。