井上下一體化三維信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建

盧小平，朱　豐,2，豆喜鵬，趙現(xiàn)昌

(1. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實驗室，河南 焦作 454003；2. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 3. 河南水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

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井上下一體化三維信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建

盧小平1，朱豐1,2，豆喜鵬3，趙現(xiàn)昌3

(1. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實驗室，河南 焦作 454003；2. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 3. 河南水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

基于構(gòu)建的地質(zhì)體和特殊構(gòu)造的混合真實網(wǎng)格模型、巷道紋理自動添加及不同巷道交叉拼接技術(shù)，實現(xiàn)了集工業(yè)廣場與井巷、地質(zhì)體及采掘工作面于一體的井上下三維表達(dá)；利用多判據(jù)融合技術(shù)，研發(fā)了基于井下定位傳感網(wǎng)的人員逃生避險線路規(guī)劃與決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下人員避災(zāi)疏散、逃生自救等功能。示范應(yīng)用表明，該系統(tǒng)顯著提高了煤礦安全生產(chǎn)管理與應(yīng)急決策的信息化和科學(xué)化水平。

井上下一體化；三維信息管理；應(yīng)急；逃生避險

近年來，國內(nèi)許多大型礦業(yè)集團(tuán)都在研發(fā)基于多專業(yè)、一體化的安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，但是由于業(yè)務(wù)流程還基本采用傳統(tǒng)思路，基礎(chǔ)信息不能很好地共享利用，同時缺乏三維可視化展示，因此無法真正實現(xiàn)多源信息的有效集成，更難以滿足多部門多專業(yè)的動態(tài)實時監(jiān)督管理和決策應(yīng)用。因此，運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)處理等技術(shù)構(gòu)建井上下一體化三維信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)，打造以安全生產(chǎn)信息為基礎(chǔ)的數(shù)字礦山具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文綜合利用遙感影像和實測地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)，設(shè)計構(gòu)建井上下三維信息管理與應(yīng)急指揮系統(tǒng)，通過建立工業(yè)廣場真實場景、井上下一體化三維顯示，具有實時顯示礦山生產(chǎn)狀態(tài)信息、安全逃生路線規(guī)劃等功能，可為礦山安全生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層管理和維護(hù)地理空間信息數(shù)據(jù)庫、礦區(qū)專題要素庫；通過業(yè)務(wù)邏輯層可實現(xiàn)真實場景的三維可視化及漫游，并為表現(xiàn)層提供地圖檢索、標(biāo)注場景等公用函數(shù)開放接口；表現(xiàn)層通過界面表現(xiàn)和調(diào)用底層接口，實現(xiàn)用戶操作，并以插件調(diào)用形式與核心層集成。主要關(guān)鍵技術(shù)敘述如下。

1. 局部坐標(biāo)系和局部觀察相機(jī)的建立

數(shù)字礦山系統(tǒng)中的一個礦體范圍一般僅有十幾到幾十平方千米，本文采用建立局部坐標(biāo)系的方法解決了小場景漫游和瀏覽問題，采用的三維場景繪制流程、全局坐標(biāo)系關(guān)系如圖1所示。

圖1　三維場景繪制流程

2. 海量影像數(shù)據(jù)壓縮、高效組織與管理技術(shù)

基于自適應(yīng)紋理方向的小波變換算法提高壓縮倍率，采用自適應(yīng)碼率分配方案有效保留圖像中邊緣、細(xì)節(jié)及微弱信息，實現(xiàn)對遙感影像的處理、信息提取和解譯。

針對空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分布式特征，建立空間數(shù)據(jù)高效組織與管理機(jī)制，具有強(qiáng)大的查詢與檢索、海量數(shù)據(jù)的高速存儲/導(dǎo)出功能。

3. 多源海量數(shù)據(jù)管理

將多源、多尺度、多時相遙感數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，以及地名、境界、圖幅結(jié)合表等矢量要素，存儲于構(gòu)建的影像數(shù)據(jù)庫；研究建立統(tǒng)一坐標(biāo)系下的矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)管理模型及異構(gòu)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)數(shù)多源海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度和一體化管理。

4. 巷道自動建模技術(shù)

本文改進(jìn)了復(fù)雜地質(zhì)體建模方法，研發(fā)了紋理自動添加和不同巷道之間的交叉拼接技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)體建模、井巷自動拼接及地下場景三維仿真。

二、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1. 空間數(shù)據(jù)處理與組織

(1) 空間數(shù)據(jù)

空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括以下內(nèi)容：①投影轉(zhuǎn)換：將所有經(jīng)過處理的影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Geographic投影，坐標(biāo)單位采用“度”，數(shù)據(jù)格式為IMG；②不同數(shù)據(jù)層的處理：對各數(shù)據(jù)層進(jìn)行暈色處理，使不同數(shù)據(jù)層色調(diào)均勻、反差適中，低精度數(shù)據(jù)向高精度數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，使不同數(shù)據(jù)層精確配準(zhǔn)；③DEM數(shù)據(jù)處理：對1∶10 000～1∶50 000數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拼接、投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理；④遙感數(shù)據(jù)處理：收集礦區(qū)范圍內(nèi)遙感數(shù)據(jù)影像，對其進(jìn)行色彩調(diào)整、投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、裁切、拼接等處理，形成符合入庫要求的遙感影像數(shù)據(jù)。

(2) 專題數(shù)據(jù)

地質(zhì)圖件包含11大類數(shù)據(jù)，涵蓋了地質(zhì)的8大圖件，如水文、地質(zhì)、測繪等專業(yè)數(shù)據(jù)。最常用的3種圖件為鉆孔柱狀圖、采掘平面圖等。

(3) 數(shù)據(jù)組織方法

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫用于構(gòu)建三維GIS平臺，對數(shù)據(jù)的有效組織和管理是數(shù)據(jù)收集和客戶端應(yīng)用之間的橋梁，同時關(guān)系到客戶端數(shù)據(jù)的可視化效果。

1) 柵格數(shù)據(jù)的組織。采用圖像分區(qū)處理及不同比例尺影像金字塔等技術(shù)，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的高效查詢、網(wǎng)絡(luò)快速傳輸和可視化。

2) 矢量數(shù)據(jù)的組織。矢量數(shù)據(jù)包括地理空間數(shù)據(jù)(地名、路網(wǎng)、境界、水系等)和專題數(shù)據(jù)(礦產(chǎn)資源、煤礦專題數(shù)據(jù)等)，通過“多工程”邏輯數(shù)據(jù)組織模型、LOD數(shù)據(jù)分層技術(shù)和快速空間索引技術(shù)，對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理。

2. 數(shù)據(jù)建庫

(1) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1) 柵格數(shù)據(jù)庫。柵格數(shù)據(jù)表用于記錄圖像斑塊及坐標(biāo)值、所在的圖層序號等。柵格數(shù)據(jù)一般為規(guī)則格網(wǎng)，且其分辨率及斑塊尺寸為定值，圖塊坐標(biāo)值與對應(yīng)的行列號一一對應(yīng)。因此，本文將金字塔結(jié)構(gòu)組織的影像數(shù)據(jù)分為N層×M層塊。由于Oracle數(shù)據(jù)庫最多只能存儲的記錄數(shù)為700 000，對于大于該值的影像層，就需要多個表進(jìn)行記錄(見表1)。

表1中，0層—6層為一個表，第7層用4個表記錄4個半球的數(shù)據(jù)；表數(shù)量從第8層開始按四叉樹比例增加。

表1　圖層與表的關(guān)系

2) 矢量數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計。矢量數(shù)據(jù)庫主要存儲邏輯管理信息和集合數(shù)據(jù)信息。要素層管理信息表用于管理不同類型的數(shù)據(jù)要素信息，幾何信息表和屬性信息表主要存儲要素的坐標(biāo)信息和每個要素的屬性信息。

(2) 數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)系統(tǒng)采用C/S模式，用于實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)、礦區(qū)專題數(shù)據(jù)的整理入庫、數(shù)據(jù)更新、質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)庫性能配置等操作。

3. 基于全球架構(gòu)的三維地理環(huán)境仿真漫游引擎

(1) 基本功能

讀取遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，快速建立地面場景三維模型；通過鼠標(biāo)或鍵盤控制平移、旋轉(zhuǎn)、縮放三維場景，并可依據(jù)視點(diǎn)高度自動顯示不同細(xì)節(jié)層次的地形場景。

(2) 關(guān)鍵技術(shù)

1) 采用DirectX 3D的API程序開發(fā)包建立三維視窗及全球統(tǒng)一坐標(biāo)系，實現(xiàn)世界坐標(biāo)系與地理球面坐標(biāo)系、屏幕坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。

2) 采用LOD技術(shù)實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的顯示和管理，即根據(jù)不同視點(diǎn)高度和視窗顯示范圍，實時讀取該層分辨率、顯示窗口范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；不顯示時，立即從內(nèi)存中釋放。

3) 采用多線程并行處理方法，實現(xiàn)實時讀取數(shù)據(jù)并快速顯示功能。

4) 采用JPEG2000壓縮技術(shù)存儲影像，可節(jié)省存儲空間、提高傳輸效率。

三、井上下影像空間信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建

井上下影像空間信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)包括三維地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)支撐軟件(管理與發(fā)布系統(tǒng))，利用遙感影像、DEM、地名、礦區(qū)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和礦業(yè)專題數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多尺度遙感影像的快速三維瀏覽、定位和查詢，礦產(chǎn)業(yè)務(wù)管理與分析、應(yīng)急指揮等功能。

1. 應(yīng)用模式設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了集團(tuán)—礦區(qū)—煤礦的多級數(shù)據(jù)組織管理模式，即在全球、全國或區(qū)域的小尺度上，實現(xiàn)多個礦區(qū)的綜合管理；在單個礦區(qū)大尺度上，具有精細(xì)場景的可視化表達(dá)和三維仿真瀏覽，以及巷道的標(biāo)注添加查詢、巷道空間距離量測分析及逃生路線分析等功能。為實現(xiàn)對多個礦區(qū)的管理，開發(fā)了不同坐標(biāo)系之間坐標(biāo)參數(shù)的轉(zhuǎn)換類庫和工具，提供多種模式計算礦區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)。

2. 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

(1) 系統(tǒng)基礎(chǔ)功能

1) 三維場景瀏覽。以遙感影像和DEM為基礎(chǔ)構(gòu)建的礦區(qū)地表大范圍三維場景，可任意改變觀察視角與高度，快速瀏覽影像和地形，并可結(jié)合行政區(qū)劃、礦區(qū)地名、道路水系等專題數(shù)據(jù)快速掌握全礦區(qū)概況。

2) 信息查詢與搜索定位。系統(tǒng)可根據(jù)行政區(qū)劃、地名坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，提供快速查詢和瀏覽功能。通過輸入地名進(jìn)行模糊查詢并進(jìn)行定位或按行政區(qū)域進(jìn)行選擇地名，并可定位飛行至所在區(qū)域。

3) 空間分析。提供空間距離量測、面積量測、體積量測、坡度坡向分析、斷面剖切、緩沖區(qū)分析、自動建模、場景動畫導(dǎo)出等空間分析功能。

(2) 系統(tǒng)專題功能實現(xiàn)

1) 礦區(qū)三維構(gòu)建。分別構(gòu)建地表和井下巷道立體模型，并將地上三維場景數(shù)據(jù)、巷道三維可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫對接，實現(xiàn)井上下的三維一體化顯示(如圖2所示)。

圖2　井上下三維一體化模型

地表要素圖層構(gòu)建。地表三維模型表示的要素包括水體、井口、通風(fēng)孔、水文地質(zhì)鉆孔、河流等，以地圖符號按實際位置建立圖層，標(biāo)注名稱及位置，并根據(jù)地表要素特征構(gòu)建真實三維符號和象形符號庫，實現(xiàn)地圖符號的實時調(diào)用。

2) 井下巷道建模。巷道建模包括兩種方式：一是將已建好的巷道模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換融合到系統(tǒng)中；二是依據(jù)巷道的測點(diǎn)和支距數(shù)據(jù)及紋理等自動建模。巷道采用圖層管理方式，每類巷道作為一個圖層，不同類型的巷道以不同的顏色或紋理進(jìn)行表示，具有巷道模型顯隱、改變透明度等功能。

3) 巷道內(nèi)部要素建模。巷道內(nèi)部要素主要包括機(jī)運(yùn)、通風(fēng)、供電及給排水系統(tǒng)、水文監(jiān)測點(diǎn)、避難所等。機(jī)電設(shè)備及管線等模型通過建模軟件完成，生成的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型庫進(jìn)行管理，并按實際坐標(biāo)置入到巷道中；水文監(jiān)測點(diǎn)、避難所等要素根據(jù)坐標(biāo)信息，以符號形式在系統(tǒng)中標(biāo)注。

(3) 巷道相關(guān)功能

1) 巷道數(shù)據(jù)更新。新開采的巷道利用導(dǎo)線數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、區(qū)別化顯示，并支持單線巷道的延長和交叉巷道的生成擴(kuò)展。

2) 巷道查詢和定位。通過空間雙擊巷道，實現(xiàn)巷道屬性查詢；利用屬性對巷道進(jìn)行查詢和定位，支持不同條件下名稱、長度、坡度的模糊查詢，點(diǎn)擊查詢結(jié)果記錄，實現(xiàn)巷道快速定位。

3) 逃生路線分析。根據(jù)距離最近、用時最少或其他權(quán)重，實現(xiàn)緊急情況下最佳逃生路線分析與選擇；同時，系統(tǒng)還具有帶障礙點(diǎn)的路徑分析功能。

四、結(jié)束語

為滿足煤礦安全生產(chǎn)信息化管理需求，本文設(shè)計構(gòu)建了井上下一體化三維信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)組織管理、地質(zhì)體建模、巷道建模、地上下一體化視點(diǎn)瀏覽等功能，為煤礦企業(yè)提供了礦區(qū)井上下三維信息管理與應(yīng)急指揮平臺。

[1]盧小平,程鋼. 井上下一體化三維管理平臺建設(shè)及應(yīng)用前景[C]∥測繪地理信息藍(lán)皮書——中國測繪地理信息創(chuàng)新報告(2012).北京：社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2012.

[2]LI R X. Data Structure and Application Issues in 3D Geographic Information System[J]. Geomatics,1994,48(3):209-244.

[3]WU Lixin, YIN Zuoru, DENG Zhiyi, et al. Research to the Mine in the 21st Century: Digital Mine[J].Journal of China Coal Society,2000.25(4):337-342.

[4]孫中昶,盧秀山,田茂義.礦山巷道三維建模算法研究及實現(xiàn)[J].測繪學(xué)報, 2009,38(3):250-254.

[5]譚正華,王李管,畢林,等.平面連通巷道三維實體分層建模方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2010,35(3):360-364.

[6]盧小平,吳叢叢，葛小三. 從“數(shù)字礦山”到“智慧礦山”[C]∥測繪地理信息藍(lán)皮書—中國測繪地理信息創(chuàng)新報告(2013).北京：社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2013.

[7]葛永慧,王建民.礦井三維巷道建模方法的研究[J].地理空間信息, 2006(5):46-49.

[8]豆喜朋,盧小平.大尺度多源空間數(shù)據(jù)可視化與分析組件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報, 2011(1):21-24.

[9]毛善君.煤礦地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的研究[J].測繪學(xué)報, 1998,27(4):331-337.

[10]楊文靜,侯恩科,郝珠成,等.基于Surpac的三維巷道模型構(gòu)建方法[J].金屬礦山, 2007(8):272-275.

[11]張志華,侯恩科,趙洲,等.一種新的3D巷道建模方法——對稱建模法[J].金屬礦山, 2009(5):107-111.

[12]周智勇,陳建宏,湯其旺,等.巷道自動成圖及三維建模[J].測繪科學(xué),2010,35(4):182-183.

The 3D Information Management and Emergency System for Coal Mine

LU Xiaoping,ZHU Feng,DOU Xipeng,ZHAO Xianchang

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0168.

2016-02-01

河南省高校創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目(14IRTSTHN026)；河南理工大學(xué)2013年度博士基金(B2013-018)；河南省創(chuàng)新型科技創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃

盧小平(1962—)，男，博士，教授，研究方向為攝影測量與遙感、數(shù)字礦山等。E-mail：hpuluxp@163.com

朱豐

P208

B

0494-0911(2016)05-0107-03

引文格式： 盧小平，朱豐，豆喜鵬，等. 井上下一體化三維信息管理與應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建[J].測繪通報，2016(5)：107-109.