礦井巷道數(shù)據(jù)提取及三維巷道可視化研究

劉　樂(lè)，樊　娟

（1.西安建筑科技大學(xué) 信息與工程學(xué)院，陜西　西安　710055； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西　西安　710000）

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礦井巷道數(shù)據(jù)提取及三維巷道可視化研究

劉樂(lè)1，樊娟2

（1.西安建筑科技大學(xué) 信息與工程學(xué)院，陜西西安710055； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710000）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的獲取巷道數(shù)據(jù)的方式以及巷道模型通常需要借助Surpac，Skyline，3D Studio MAX等專業(yè)軟件進(jìn)行三維顯示等問(wèn)題，文章提出通過(guò)分析AutoCAD繪制的二維煤礦平面圖提取出巷道三維建模所需的基本數(shù)據(jù)，然后分析JSON格式的三維數(shù)據(jù)格式結(jié)合現(xiàn)有的三維建模算法得到JSON格式的三維巷道模型，最后采用最新的HTML5所推出的WebGL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)端的三維巷道可視化。

關(guān)鍵詞：礦井巷道；WebGL；JSON；可視化

隨著數(shù)字化進(jìn)程在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的數(shù)字化管理、生產(chǎn)以及設(shè)計(jì)，并建立一個(gè)可視化的、三維的煤礦井下場(chǎng)景已經(jīng)成為煤礦建設(shè)發(fā)展的趨勢(shì)。目前巷道的三維建模以及可視化顯示是通過(guò)實(shí)地測(cè)量的方式得到巷道的基本數(shù)據(jù)，然后將其導(dǎo)入到專業(yè)的礦山建模軟件中完成巷道的三維建模和可視化顯示［1］。但是對(duì)于一般的用戶而言，不僅需要獲取巷道的基本數(shù)據(jù)，而且還要在電腦上安裝龐大的礦山建模軟件；對(duì)于專業(yè)人員，也只能在PC端進(jìn)行巷道的三維建模及其可視化，這給一般的使用者都帶來(lái)了很多不便之處。本文采用直接對(duì)AutoCAD所繪制的二維平面圖紙分析提取得到巷道的基本數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用WebGL的Three.JS渲染引擎對(duì)模型進(jìn)行可視化。對(duì)于用戶而言，只需要一張煤礦的平面圖紙就能看到巷道的三維模型，而且WebGL技術(shù)不需要安裝任何插件就能在頁(yè)面上顯示復(fù)雜的三維模型，這就使得巷道三維模型在移動(dòng)端的可視化變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，用戶可以通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備查看巷道的三維模型，這給用戶和專業(yè)的使用者都帶來(lái)了巨大的便利。

1　巷道三維建模的數(shù)據(jù)來(lái)源與提取

本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)源是DXF格式的二維煤礦平面圖，如果將現(xiàn)有的礦井三維空間實(shí)體轉(zhuǎn)化為一張平面圖紙，那么必然是煤礦綜合工程平面圖紙，它包含了巷道、永久導(dǎo)線點(diǎn)、工作面參數(shù)、采區(qū)布置、地質(zhì)構(gòu)造狀況、通風(fēng)線路等詳細(xì)信息，是整個(gè)礦井生產(chǎn)及安全管理的真實(shí)反映。因此，把煤礦綜合工程平面圖作為創(chuàng)建巷道三維模型的數(shù)據(jù)來(lái)源是精準(zhǔn)、可靠的。

DXF是AutoCAD圖形文件中包含的全部信息標(biāo)記數(shù)據(jù)的一種表示方法，用于AutoCAD圖形應(yīng)用程序之間輸入、輸出的交互圖形文件。一個(gè)完整的DXF文件由標(biāo)題段、表段、塊段、實(shí)體段和一個(gè)文件結(jié)尾組成。實(shí)體部分（ENTITIES）包含了所繪制圖形的所有數(shù)據(jù)，其中三維巷道建模所需要的基本信息（定義直線數(shù)據(jù)的起始坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)），可以通過(guò)對(duì)這一部分進(jìn)行分析提取，提取的流程圖如圖1所示。

圖1　巷道基本信息的提取流程

提取出直線的起始坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)以及高程信息后，結(jié)合礦圖文件的比例尺信息就可以計(jì)算出直線的三維空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到巷道的骨架圖（中心線）。

2　JSON格式巷道三維模型的生成

JSON格式是本文采用的可視化技術(shù)WebGL原始支持的三維數(shù)據(jù)格式，相比于其他的數(shù)據(jù)格式，JSON格式的輕量性、文本性和語(yǔ)言非依賴性令其成為了理想的網(wǎng)絡(luò)傳輸格式［2］，因而本文采用JSON三維數(shù)據(jù)格式。JSON格式巷道三維模型的生成，首先是運(yùn)用分段法的建模思想將完整的巷道分為直巷道、彎曲巷道和交叉巷道分別進(jìn)行模擬，得到各個(gè)巷道段的線框模型；然后將其轉(zhuǎn)化為JSON格式的巷道段，最后基于巷道的骨架圖加載對(duì)應(yīng)JSON格式的巷道段得到JSON格式的巷道三維模型，其模型生成流程圖如圖2所示。

圖2　生成JSON格式三維巷道流程

2.1巷道的三維建模

對(duì)于復(fù)雜的巷道，采用分段法的思想將巷道分為直巷道、彎曲巷道和交叉巷道三部分進(jìn)行模擬［3］。直巷道的模擬重點(diǎn)在于斷面的模擬，本文采用應(yīng)用最為廣泛的直壁拱形斷面，斷面的模擬主要是通過(guò)離散巷道斷面上的特征點(diǎn)的方式完成，然后將巷道斷面沿某一方向進(jìn)行相應(yīng)拉伸得到直巷道段。彎曲巷道的模擬主要運(yùn)用貝塞爾曲線完成巷道彎曲處的平滑過(guò)渡，基本思想是首先基于導(dǎo)線點(diǎn)加載巷道截面，然后離散斷面上的特征點(diǎn)，計(jì)算出各個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，最后將拱形斷面的相應(yīng)的特征點(diǎn)作為貝塞爾曲線的控制點(diǎn)，繪制貝塞爾曲線，進(jìn)而完成彎曲巷道的三維模擬。交叉巷道的建模算法［4］首選計(jì)算出相鄰分支巷道的公共特征點(diǎn)以及相鄰分支巷道相交處拱形斷面上的特征點(diǎn)，然后將巷道出拱形斷面進(jìn)行拉伸完成巷道支干的模擬，最后通過(guò)連接相鄰分支巷道相交處拱形斷面上的特征點(diǎn)完成巷道交叉處底面的頂面的構(gòu)建。

2.2JSON格式巷道段的生成

要完成各個(gè)巷道段的加載，首先要將上一步得出的各個(gè)巷道段的線框數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為JSON格式的巷道段，以下是各個(gè)巷道段具體的轉(zhuǎn)換方法：

直巷道的轉(zhuǎn)換，是最簡(jiǎn)單最基本的轉(zhuǎn)換，也是彎曲巷道和交叉巷道轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)vertices域和faces域的構(gòu)建完成巷道格式的轉(zhuǎn)化，格式轉(zhuǎn)化的過(guò)程如圖3所示。

圖3　直巷道的轉(zhuǎn)換過(guò)程

vertices域（頂點(diǎn)）是通過(guò)將直巷道的特征點(diǎn)按順序遍歷完成頂點(diǎn)域的構(gòu)建，faces域（模型的面）是根據(jù)特征點(diǎn)的幾何關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)的三角面片，由于上一步出的巷道段的線框模擬是沒有材質(zhì)等信息的，所以根據(jù)JSON格式的規(guī)則［5］，一個(gè)三角面片表示為：

faces ［0， V1，V2， V3， 0， 0， 0， 0， 0， 0］

根據(jù)JSON格式的規(guī)則，第一個(gè)0是二進(jìn)制00 00 00 00的十進(jìn)制數(shù)，表示模型的面是由三角面構(gòu)成，三角面沒有材質(zhì)、法向量以及頂點(diǎn)的顏色，V1，V2，V3表示三角面對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的索引，后面的6個(gè)零表示貼圖的索引和頂點(diǎn)法線的索引。按照這種方式，構(gòu)建出所有的三角面片，得到JSON格式的直巷道段。

彎曲巷道的模擬是采用Bezier插值算法實(shí)現(xiàn)的，巷道模擬的精度，由Bezier插值點(diǎn)生成線框模型的折線的線段數(shù)決定的，折線的段數(shù)越多時(shí)，巷道模擬的精度越高。生成的折線模擬方法也就是直巷道的模擬，所以彎曲巷道JSON格式的轉(zhuǎn)換是通過(guò)JSON格式的直巷道段一段一段拼接而成。

交叉巷道JSON格式轉(zhuǎn)化是通過(guò)將交叉巷道分為巷道支干和巷道交叉處頂面和底面分別進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的，巷道支干的轉(zhuǎn)換也就是直巷道的轉(zhuǎn)化，巷道交叉處三角面片的構(gòu)建是根據(jù)交叉巷道建模算法得出的相鄰分支巷道相交處拱形斷特征點(diǎn)的幾何關(guān)系完成的。

3　巷道三維模型的可視化

本文采用的可視化技術(shù)是WebGL的Three.JS框架，其渲染結(jié)構(gòu)主要包括：Renderer、Scene和Camera。三維模型的渲染是通過(guò)首先給三維模型設(shè)置場(chǎng)景，然后將相機(jī)和設(shè)置好的場(chǎng)景加入到渲染器中完成的。通過(guò)THREE.JSONLoader（）可將巷道模型加載到場(chǎng)景中。三維模型的動(dòng)態(tài)交互是通過(guò)鼠標(biāo)事件和動(dòng)畫循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)renderer.render（）方法的設(shè)置便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫循環(huán)效果，巷道模型的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等基本交互操作是通過(guò)javascript的各類鼠標(biāo)事件控制相機(jī)的位置和視角實(shí)現(xiàn)的。在Three.JS中提供了loadTexture（），ShaderMaterial（）等方法用于對(duì)三維模型進(jìn)行貼圖處理。在完成巷道的數(shù)據(jù)提取、三維建模、格式轉(zhuǎn)換以及可視化顯示，就已經(jīng)完成了本次論文的全部?jī)?nèi)容。以某煤礦某號(hào)煤層采掘工程平面圖為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果巷道內(nèi)部效果如圖4所示。

圖4　三維巷道內(nèi)部效果圖

部分三維巷道顯示如圖5所示。

圖5　部分巷道顯示效果圖

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，物質(zhì)生活水平的不斷提高，使用一張煤礦的平面圖紙和移動(dòng)設(shè)備就可以看到煤礦巷道的三維顯示，這對(duì)普通用戶進(jìn)和專業(yè)人士都提供了巨大的便利，加速了煤礦數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程。

［參考文獻(xiàn)］

［1］于慧影，黃士紅.基于OpenGL的礦井巷道的可視化研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2013（5）：178-179.

［2］王珩瑋，胡振中.面向Web的BIM三維瀏覽與信息管理［J］.土木建筑工程，2013（3）：9-13.

［3］劉星，劉輝.基于O3D礦圖巷道三維轉(zhuǎn)換Web化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2010.

［4］侯建光，朱月霞.礦山巷道三維建模數(shù)據(jù)組織與算法研究［J］.國(guó)土資源信息化，2014（29）：32.

Research on Mine Roadway Data Extraction and Three-dimensional Roadway Visualization

Liu Le1, Fan Juan2
（1.School of Information and Control Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an710055， China；2.CCTEG Xi’an Research Institute， Xi'an710000， China）

Abstract：With the problem of the traditional way of obtaining roadway data and roadway models often need the help of Surpac, Skyline， 3D Studio MAX or other specialized software for three-dimensional display， In this paper， by analyzing AutoCAD drawing twodimensional coal mine plan to extract the basic data needed for three-dimensional modeling， then analyze the JSON data format and the existing 3D modeling algorithm to obtain a three-dimensional model of the roadway in JSON format， Finally， using the latest HTML5 launched WebGL technology， To achieve a three-dimensional tunnel-based mobile end visualization.

Key words：roadway, WebGL; JSON; visualization

作者簡(jiǎn)介：劉樂(lè)（1988-），男，陜西西安，碩士。