简析结合VBA与CAD绘制矿山巷道立体图.pdf

第 6期 2 0 1 2年 l 2月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG NO 6 De C 201 2 d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 5 8 X 2 0 1 2 0 6 0 2 6 简析结合 V B A与 C A D绘制矿 山巷道立体 图 何月刚 ， 王长江 ， 姜 涛 ( 1 山东金岭矿业股份有 限公 司， 山东 淄博2 5 5 0 8 1 ； 2 莱钢鲁南矿 ， 山东 沂水2 7 6 4 2 1 ) 摘 要 ： 文 中通过使 用 V B A作 为二 次开发 工具 ， 开发 出能利 用 A u t o C A D 实现巷 道 立体 图绘 制 的程 序 ， 并以 A u t o C A D菜单项的形式实现 了矿山三维可视化。详细叙述了巷道三维立体 图建模之 中的关键 问题 ， 并结 合 山 东金岭 矿 业 召 口矿 一5 7 0 IT I 水 平巷 道 二 维设 计 图 对程 序进 行 了实例 测 试 演 示 ， 并 顺 利 完成 立体 图的绘 制 ， 为 以后矿 山数 字 化建 设做 了初 步 尝试 。 关键 词 ：数 字矿 山 ；三 维可视 化 ； A u t o C A D；V B A 中图分类号 ： P 2 0 9 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 9 0 3 井下 系 统 一 般 包 括 矿 山 地 质 、 采 矿 、 开 拓 掘 进 、 运输、 提升 、 通风安全、 排水 、 动力供应 、 通讯 、 照明等 若干个 子 系统 。每个 子系统都 有大量 数据需 要 收 集 、 传输和处理。而其 中的巷 道是矿井运输 、 行人、 通风和保证安全 的通道 ， 保 持 良好状况是实现矿井 高产高效和安全生产的基本条件。因此 ， 清晰准确 的巷道图是一个矿井高效和安全生产的必备条件。 l 设计 的可 行 性分 析 1 1 设 计 的立体 思 想 根 据 C A D 矿 图 的实 际 应 用 特 点 ， 对 预 开 发 的 C A D矿图( 莱钢鲁南 矿业井巷设计 图) 进行立体 图 的绘制并在此基础上进行相关应用程序的开发 。从 软件的适应性 、 方便性 、 维护性等方面进行具体的分 析， 在数字矿山三维矿体建模的基础上 ， 井巷的设计 得到 了简化。本 程序就是数 字矿山的组成部分 ， 用 内嵌的 V B A对 C A D进行二次开发 ， 实现巷道的立体 化 。就是利用三维井巷实体 的生成功能快速形成三 维巷道 ， 观察其空间位置 ， 直 观、 快捷、 准确 、 修改方 便 ， 而且不需设计位置的立面剖视 图， 采矿设 计人 员 可 以单独的完成采矿设计任务， 灵 活性加大。同时 ， 考虑到软件 的适应性 ， 模块 能够将用户 已经设计好 的二维 平 面图 纸 ， 按 照用 户 指定 的井 巷规 格 、 断 面形 状 ， 自动形成三维井巷实体 J 。 1 2 系统 的组 织结 构 程序侧重于矿井巷道 的立体 图绘制系统 的开发 研究 ， 从数据 的几何模 型设计 、 应用程序开发 、 实际 生产矿井三维巷道 的实现等方 面进行论述 ， 目标是 开发一套实用便捷的巷道三维 图像生成系统 。 程序 通 过两 种方 式获 得模 型 所 需要 的巷 道 顶板 中心线三维坐标和断面参数 ： 一是读取 已有 的三维 坐标值和断面的参数文件 ( 如 E X C E L ) ； 二是从现有 二维 图上 直 接提取 巷 道 中心线 三 维 坐标 和 断 面参 数 数据 。通过 V B A编程 工具 ， 实现数据 的 自动获得。 再利 用 V B A与 C A D之 间 的连接关 系 ， 通过 获得 的顶 板三维坐标和断面参数实现巷道 中心线 的自动绘制 和巷道 断面的 自动绘 制定位 。最后通过 C A D的拉 伸命令 ， 沿着 已绘制 的巷道 中心线作为路径进行拉 伸， 实现巷道的三维立体图。 2巷 道立 体 图建模 方 法及应 用 2 1 巷 道 立体 图建 模 流程 图 1 是绘制 巷道 三维立体 图的流程 图， 可以看 出， 巷道 的绘制必须解决巷道中心线的提取 、 巷道断 面的绘制、 旋转 断面并 使其与中心线 空间垂 直这 三 大问题 ， 这也是绘制巷道立体 图的关键 问题所在 J 。 2 2巷 道 的断 面 2 2 1 巷道 断面 模 型 巷道断面是巷道 三维建模 中的重要参数 ， 一般 来说 ， 巷道体 的断面有直壁拱形 、 梯 形、 矩形和 圆筒 形。直壁拱形 一般是 井下开拓大巷和准备巷道 ； 梯 形和 矩形 用 于 回采 巷 道 ； 圆形 用 于竖 井 和 矿 仓 。本 文采用直壁半 圆拱形作为巷道 的断面模型 ， 建立矿 区的巷道三维立体 图。矩形、 梯形断面与直壁拱形 巷道建模类似 ， 圆形相对比较容易， 其他形式的断面 模型不再进行分析 。 79 第 6期 矿 山 测 量 2 0 1 2年 1 2月 2 2 2巷道断面绘制的实现 举例说明 ： 直壁半圆拱形断面如图 2所示。 图 1 巷道三维立体图绘制流程图 y L 图 2直 壁 半 圆拱 形 以断面的左下角为坐标 系原点 O， 断面底线为 轴 ， 断面壁为 y轴。调 用三次直线命令 和一次画圆 弧命令 ， 具体步骤如下： ( 1 ) 第一条用直线命令 l i n e ， 以原 点为起 始点 ， 以断面的底线长为 轴 方向的距离确定第二个点 ， 以此 两点 画 出断面底 线 ； ( 2 ) 用 A d d A r e命令绘制断面的半 圆弧顶 ， 其 中 以断面的二分之一长度为 轴方 向的距离 ， 以断面 壁高为 y轴方向韵距离来确定半 圆弧 的圆点 ， 偏转 角度为 9 0 。 ， 且必须用弧度表示 ； ( 3 ) 同理， 以原点为起点 ， 以半圆弧的终点 为直 线的第二点画出断面左 帮； 以第一条 直线 的终点 为 第二条直线的起点 ， 以圆弧的起点为直线 的第二点 ， 以此 画 出断 面右帮 。 8 0 2 3 巷道中心线数据的采集 2 3 1 E X C E L文档应用 本程序就是依据 E X C E L强大公式计算方面的 优势 ， 在管理及计算巷道中心点 的坐标 的基础上 ， 利 用 A u t o C A D内嵌的 V B A直接读取 E X C E L文档 中的 、y 、 z坐标值 ， 再把坐标值展现在 A u t o C A D绘图窗 口中， 自动连接成三维多段线 ， 作为巷道的中心线。 2 3 2 A u t o C A D中读取 E x c e l 数据 A u t o C A D与 E x c e l 的数据交换 ， 需要加载 E x c e l A c t iv e X对象模型。首先打开 A u t o C A D的 V B A编辑器； 然 后在 V B A编辑器窗口中选择“ 工具” 菜单的“ 引用” ， 选 择加载“ M ic r o s o f t E x c e l 1 1 0 O b j e c t L i b r a r y ” 项。 读 取 E x c e l 工 作 表 中 的数 据 ， 首 先 要 打 开 工 作 簿， 然后访 问指定的工作表。程序 中应用 C o m mo n D ia l o g对话框 来实 现对包 含 巷道 中心线 坐标值 的 E x c e l 文档的定位 ， 把路径保存在 s t r f il e字符型变量 中， 这样就建立了 E x c e l 与 A u t o C A D的数据连接 。 E x c e l 的单元格位置由行和列唯一指定 ， 通过对 E x c e l 单元格的循环遍历 ， 实现对全部数据的读取。 2 3 3 A u t o C A D中绘制图形实体 读取 E e l 表格 中的数据后 ， 可 以在 A u t o C A D 模型空间中绘制出相应 的图像实体。用 A d d 3 D p o l y ( p o in t s ) 命令绘制三维多段线， 其中 p o in t s 为 E XC E L 中的巷道 中心 线坐标 值 。 2 4巷 道 断面的移 动 和旋转 按规定实际尺寸 画出巷道断面 ( 由多段线或其 他 线形组 成 ) ， 由 此 生 成 面 域 ( R E G I O N) ， 再 将 其 移 动到所画路径的端点 ， 进行两次旋转 ， 使其 与所画的 路径完全垂直。这是 因为在平面图 中显示垂直 ， 并 不代表真正空间意义上的垂 直， 有可能路径 与断面 不垂直 ， 不能直接进行拉伸 ， 所以必须进行旋转使断 面在空 间 内垂直 于拉 伸路径 。 2 4 1 实现方 法 此 程序 必 须 在 绘 图 窗 口为 世 界 坐 标 系 统 下 运 行 ： 巷道断面的绘制从原点开始 ， 然后把在原点附 近生成 的面域移 动到 巷道 中心线 的起 点处 ( 插 入 点) ， 如图 3 ， 此时调用 Mo v e ( a ， b ) 命令 ； 根据巷道中心线与 轴之 间的 角度 ， 以插 入点 为基点旋转断面， 使其巷道底线与巷道 中心线平行 ， 如图4 。用 R o t a t e ( p o i n t ， a n g l e ) 命令旋转断面 ， 其 中 p o i n t为 基 点 ， a n g l e为 旋 转 角 度 。 A n g l e F r o mX A x is 第 6期 李建章等： R T K测量中的坐标变换 2 0 1 2年 l 2月 式 ； 根据控制 网的性质 ， 可分为 G P S控制 网约束下的 R T K外业测量和传 统控制 网约束 条件下 的外业测 量。如下根据基准站安置位置分析。 3 1 基 准站 设 在 已知 点 的 R T K外业施 测 R T K在施测之前往往需要联测控制点 ， 其 目的 是获取各控制点 的 WG S 8 4坐标。而 G P S控制 点通 常有两套坐标 系， 即 WG S 8 4坐标 和地 方坐标系 ， 所 以不需要进行联测 ， 可 以直接根据 G P S控制 网解算 成果 中 WG S 8 4坐标 和地方坐标计算 转换参数。但 由于 G P S绝对定位精度低 ， 造成 R T K基准站现场测 量得基准站 WG S 8 4坐标与 G P S控制 网解算成果有 较大差异 ， 因此基准站设置时 以 G P S控制 网解算成 果作为基准站 WG S 8 4坐标。 如控制点是传统测量方式测定 的， 或者 G P S控 制点没有 WG S 8 4坐标 ， 此时需要对各控制点利用流 动站进行联测 ， 以便获取其 WG S 8 4坐标。 3 2 基 准站 设在 任 意点 的 R T K 外业施 测 在有些情况下 ， 基准站需要安置到非控制点上 ， 此时对于传统控制点而言， 则必须进行联测 ， 以获取 各控制点的 WG S 8 4坐标。而对于 G P S控制 网， 由于 基准站与控制网是分离 的， 此 时需要联测 一个控制 点 ， 以确定 平 移量 。 A 图 7 基 准站设在任意点示意 图 如图 7所示 ： A、 B、 C为 G P S控制点 ， P点为任意 点 ， 设基准站。显然 ， P点和控制 网是没有任何联系 的， 因此需要利用 R T K测量 A点( 或其他控制点) 和 P点在 WG S 8 4坐标下的坐标差 ， 再 由 A点 坐标反算 P点 WG S 8 4坐标 ， 从而将 P点纳入 G P S控制网。而 坐标转换参数仍 由 G P S控制点解算。 4 结 语 R T K在测 绘领域应用非常广泛 ， 然而要真正有 效的利用它 ， 必须理解其工作 的原理， 理解其 中涉及 到的各类坐标变换过程。本文对实际工作 中可能出 现的各类情况进行 了详细 阐述 ， 并分析 了其 中数据 转换 的原理 ， 因此对于帮助测量工作者理解 R T K测 量的原理 ， 提高其 应用 R T K的能力是 非常有 意义 的 O 控制点在 WG S 8 4坐标下 的坐标通 常有三维直 角坐标系和大地坐标系 ， 由于篇幅的限制 ， 本文对这 两类坐标 的转换不再赘述 ， 具体可参见文献 1 。 参考文献 ： 1 李 天 文 G P S原 理 及 应 用 M 北 京 ： 科 学 出版 社 ， “20 03 2 孔祥元， 梅是义 控制测量学 M 武汉： 武汉大学出版 社 2 0 0 2 3 李建章等 测量 数据 处理程 序设 计 M 北京 ： 国 防工 业 出版 社 。 2 0 1 2 4 李建章， 武生荣基于线性模型的二维直角坐标 变换 J 测绘科学 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) 5 李征 航 ， 黄劲松 G P S测量与数据 处理 M 武汉 ： 武 汉 大学 出版社 ， 2 0 0 5 作者 简介 ： 李建章 ( 1 9 7 4一) ，男 ，讲师 ，汉族 ， 甘 肃会宁 人 ， 研究 方向 ： 测量数据处理 。 ( 上接第 8 1页) 参考 文献 ： 1 吴立新 等 论 2 1世 纪 的矿 山 一数 字矿 山 J 煤炭 学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 ( 4 ) 2 孙 中昶 ， 卢秀 山， 田茂义 矿 山巷道 维建 模算 法研 究及 实现 J 测绘学报， 2 0 0 9 ( 3 ) 3 牛青等 A u t o C A D中的用户坐标 系及其在三维建模 中的应 用 J 甘肃联合 大学学报( 自然科 学版) ， 2 0 1