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太原理工大学硕士研究生学位论文 三维巷道漫游的研究与软件开发 摘要 中国的煤炭储量居世界第三位，仅次于美国和俄罗斯。现在，中国消 费着世界上l 3 的煤炭，8 0 的电力和7 5 的家庭供暖要靠煤炭。随着我国 经济体制改革的不断深入和现代化进程的不断加快，煤矿生产必将改变目 前的人海战术，以现代化的管理和生产技术展现于世人面前。实现矿山管 理和生产现代化的关键技术之一在于矿山信息管理的现代化。 矿山地理信息系统是地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简 称g i s ) 在矿山中的应用，它是g i s 的一个重要分支。矿山地理信息系统 主要面对两类空间目标，即巷道和地层，巷道是采矿生产中将煤炭从工作 面运送到地面，以及通风、安全输送工人的通道。对整个矿井而言，巷道 是其核心部分；如果单独把某一条巷道作为研究对象，我们更关心的是巷 道的内部特征，如用处、岩性、内部设备等。因此研究和开发巷道及其内 部设备的三维漫游模型对煤矿安全生产、矿井优化设计和计算结果的可视 化具有指导意义。 本文主要研究了以下六个方面的问题： 分析了国内外煤矿三维巷道系统的研究现状，指出了目前的研究存 在的主要问题，并提出了相应的解决对策。 t 分析了国内外常用的面向煤矿应用的三维数据模型和相应的三维数 据结构的研究现状，最后探讨了适合煤矿三维巷道模拟的三维数据模型和 太原理工大学硕士研究生学位论文 三维数据结构。 主要研究了拱形巷道及其内部设备三维建模的数据来源和特点；给 出了拱形巷道建模的设计思路；研究了实现巷道体和相邻巷道体之间连接 处三维建模的算法；另外也研究了实现巷道体内部纹理贴图技术及巷道内 部设备三维建模的相关算法；研究了实现三维巷道漫游的算法。 在v c + + n e t 开发环境下使m o p e n g l 实现了三维巷道模型、三维巷 道内部纹理贴图、三维巷道内部设备模型及三维巷道漫游。 详细说明了煤矿三维巷道系统软件开发的总体设计思想以及系统的 整体框架和各个功能模块，选择了v c + + n e t 和o p e n g l 作为煤矿三维巷道 系统的主要开发工具，基于w i n d o w s 平台进行开发工作，实现了系统总体设 计中的各个功能模块。 就研究中取得的成果和存在的不足进行了总结，并对后续的相关研 究提出了建议。 关键词：三维数据模型，巷道内部设备，煤矿三维巷道系统，软件开发 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ha n dp r o g r a m m l n g t ot h r e e d i m e n s i o n a lt u n n e lc r u i s e a b s t r a c t c h i n e s ec o a lr e s e r v e st a k e u pt h et h i r di nt h ew o r l d ，a n da l eo n l yn e x tt ot h e u s aa n dr u s s i a n o w , c h i n ai sc o n s u m i n go i l1 3o ft h ec o a li nt h ew o r l da n d 8 0 o ft h ee l e c t r i cp o w e ra n d7 5 o fh o u s e h o l dh e a t i n ga r ed e p e n d i n go nt h e c o a l w i t ht h ei n c e s s a n tp e n e t r a t i o no ft h ee c o n o m i cs y s t e mr e f o r m a t i o no fo u r c o u n t r y , a n dw i t ht h ec o n t i n u o u s a c c e l e r a t i o no fm o d e m i z a t i o nc o u r s e , t h e p r o d u c t i o ni nc o a lm i n ew i l lb eb o u n dt oa l t e rt h et a c t i c so fp e r s o n sa tp r e s e n t ， a n di ts h o w st h em o d e r nm a n a g e m e n ta n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yt op e o p l e o n e o ft h ek e yt e c h n i q u e so fr e a l i z i n gt h em i n em a n a g e m e n ta n dp r o d u c t i o n m o d e m i z a t i o nl i e si nt h em o d e m i z a t i o no f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to f m i n e m i n eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e mi st h ea p p l i c a t i o no fg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( f o rs h o r tg i s ) i nt h em i n e ，a n di ti sa l li m p o r t a n tb r a n c hi n g i s ，t h e r ea r et w oi m p o r t a n tk i n d so fs p a t i a lo b j e c t si nm i n eg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m , t h a ti st os a y , t u n n e la n ds t r a t u m 。t u n n di st h e t h o r o u g h f a r et h a tt r a n s p o r t i n gc o a lt og r o u n df r o mt h ew o r k i n gf a c ei nm i n i n g p r o d u c t i o n ，a n di st h et h o r o u g h f a r et h a ti su s e df o rv e n t i l a t i o na n di su s e dt o t r a n s p o r tw o r k e r ss a f e l y f o ra l lt h em i n e s t u n n e li st h ec e n t r a lp a r t i ft u n n e li s i i i 太原理：r ：人学硕十研究生学位论文 a st h er e s e a r c ht a r g e tb yo n e s e l f , w ea r em o r ec o n c e r n e dw i t ht h ei n s i d ef e a t u r e i nt u n n e ls u c ha sp u r p o s e , r a c kf e a t u r ea n di n t e r i o ri n s t a l l a t i o na n ds oo n t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fi n t e r i o r i n s t a l l a t i o no ft u n n e la n dt u n n e lh a v es i g n i f i c a n c et om i n i n gs a f e t y , m i n e o p t i m u md e s i g na n dv i s u a l i z a t i o no f c a l c u l a t i o n t h ef o l l o w i n gs i xq u e s t i o n sa l em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ： t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so ns y s t e mo ft h r e e d i m e n s i o n a lt u n n e li nm i n e i sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ；t h em a i np r o b l e m sa r ep o i n t e do u ta n dc o r r e s p o n d i n g m e t h o d so f s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u s o nt h r e e - d i m e n s i o n a ld a t am o d e la n d t h r e e - d i m e n s i o n a ld a t as t r u c t u r et h a ta r eu s e dt ot h ec o a lm i n ei sa n a l y z e di nt h i s p a p e r , f i n a l l y , t h r e e - d i m e n s i o n a l d a t am o d e la n dt h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a s t r u c t u r et h a ta r es u i m b l et ot h ec o a lm i n ea l ec o n c l u d e d i nt h i sp a p e r , r e s o u r c ea n df e a t u r eo ft h r e e - d i m e n s i o n a ld a t am o d e lt ot h e a r c ht u n n e la n di n t e r i o ri n s t a l l a t i o na r em a i n l yr e s e a r c h e d ；d e s i g nt h i n k i n go f t _ h e a r c ht u n n e lm o d e li sg i v e no u t ；a l g o r i t h m so ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la b o u t t u n n e lb o d ya n dt h ej o i n tp a r to ft h ea d j a c e n tt ot u n n e lb o a ya r ea c h i e v e d ；i n a d d i t i o n ，r e l e v a n c ea l g o r i t h m so ft e x t u r em a p p i n gt e c h n o l o g yt o i n t e r i o ri n t u n n e lb o d ya n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fi n t e r i o ri n s t a l l a t i o no ft u n n e la l e a l s or e s e a r c h e d ( d t h r e e - d i m e n s i o n a lo fm o d e lt u n n e l ，t e x t u r em a p p i n gt ot h r e e - d i m e n s i o n a l i n t e r i o ro f a t o n e l 、t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fi n t e r i o ri n s t a l l a t i o no ft a n n e la n d 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h r e e - d i m e n s i o n a lt u n n e lc r u i s ea r ea c h i e v e du s i n go p e n g li nv ( ) + + n e t t h ep a p e rd e s c r i b e st h et o t a ld e s i g nt h o u g h t ，f r a m e , a n df u n c t i o nm o d u l e o f t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo f s y s t e mo f t h r e e - d i m e n s i o n a lt u n n e li nm i n e m a i n d e v e l o p m e n tt o o l sf o rs y s t e mo f t h r e e d i m e n s i o n a lt u n n e li nm i n ea r ev c + + n e t ，w h i c hi so b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n do p e n g l ，w h i c hi s a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c ef o rt h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c t h ed e v e l o p m e n t o p e r a t i o ns y s t e mi sm i c r o s o f tw i n d o w s a l lm o d u l e si nt h es y s t e md e s i g na r e r e a l i z e d p r o g r e s sa n ds h o r t c o m i n go f s t u d i e sp r e s e n t e da r ec o n c l u d e do n - g o i n g r e s e a r c hw o r k sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a ld a t am o d e l ，i n t e r i o ri n s t a l l a t i o no f t u n n e l ， s y s t e mo f t h r e e - d i m e n s i o n a lt u n n e li nm i n e ，p r o g r a m m i n g v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄i 盘丛 日期：垄21 ：三 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 太原理j = 大学硕士研究生学位论文 1 1 概述 第一章绪论 中国的煤炭储量居世界第三位，仅次于美国和俄罗斯。现在，中国消费着世界上1 3 的煤炭，8 0 的电力和7 5 的家庭供暖要靠煤炭【l 】。随着我国经济的发展，煤炭工业同 其他行业一样取得了突飞猛进的发展，煤矿的各种生产管理技术也取得了一定的成就。 随着信息社会的到来及采矿技术的进一步发展，工矿企业信息量也在急剧增加，而传统 的信息管理模式及手段已经大大落后于生产力的需求，具体表现在：其一，数据的管理 方式存在问题。其二，管理工作的效率存在问题。其三，图纸和数据没有有效的联系手 段，达不到可视性、准确性和科学性的目的。所有这些都不利于目前我国煤矿建设和生 产的需要，在信息技术飞速发展的今天，明显不能适应社会的发展和需求【2 1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外在科学可视化( s e w ) 【3 1 、3 d 地理信息系统( 3 d g i s ) 4 1 、3 d 地学模拟系统( 3 dg e o s c i e n c e sm o d e l i n gs y s t e m ，3 d g m s ) 1 5 、3 d 有限元数 值模拟( 3 d f e m ) 1 6 等领域的研究进展迅速。矿山作为一种特殊的地理区域，具有一 般地理区域所没有的复杂性。基于“数字地球”的构思，国内外许多专家学者提出了 “数字矿山( d i g i t a lm i n i n g ，简称d m ) ”的概念。“数字矿山”是在矿山范围内建 立一个以三维坐标为主线的矿山信息模型，该模型能描述矿山中每一个点的全部信息， 并按三维组织、存储，提供有效、方便的检索手段和直观的显示方式。“数字矿山” 的核心是在统一时间坐标与空间框架下，科学、合理地组织各类矿井数据信息，将海 量异质的矿井数据信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合，并进行可视化表达， 实现图形与数据库的有效链接。以矿山为基础发展起来的工矿城市，面l 晦着建立“数 字矿山”的战略任务，以便于集成矿井的所有信息，实现基于w 曲环境下的可交互的 真实矿井的三维可视化表达，分布在不同地点的用户可以通过浏览器对其进行交互操 作，并提取有用信息。 矿山地理信息系统( m i n i n gg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称m g i s ) 是地理信 太原理： 大学硕士研究生学位论文 息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 在矿山中的直接应用，它是g i s 的 一个重要分支。它利用g i s 的强大地质分析功能和辅助管理决策功能，为矿山设计、规 划、开采、防火救灾以及矿区的可持续发展提供强有力的工具，为领导的决策和j 下常的 生产服务【刀，而真三维地质模拟、地面地下工程的空问整合分析以及三维动态模拟等问 题，己成为g 1 s 的技术前沿和攻关热点。如何对这些多维空间数据进行有效的集成管理、 动态处理和时空分析，已成为国内外学术界和应用部门面临的一大难题【8 】【9 】。 矿山信息化建设要求开发具有三维特征的、适应于矿山与地质领域的g i s 系统，并 以m g i s 为突破点开展三维g i s 系统研究。然而，矿山与地质领域的三维g i s 产品，国内 外的研究尚不成熟。因此在处理地质、矿山等领域的空间对象时将受到很大的限制。解 决这一问题的关键是建立三维g i s 及进行真三维地质模拟( t h r e e - d i m e n s i o n a lg o o l o g i c a l m o d e l i n g ，3 d g m ) 。3 d g m 幽加拿大s i m o n w h o u l d i n g 于1 9 9 3 年首先提出，其含义是 - - i 1 运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数 字表达，并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行真三维再现和可视化交互的 科学与技术【5 1 。三维g i s 的理论研究与产品开发都处于探索与实验阶段，众多学者对此 做了较深入的研究，取得了一定的成果，但目前还未开发出一个真正基于三维模型的g i s 系统。因此研究开发基于真三维的g i s 系统具有十分重要的意义l i 们。 巷道是采矿生产中将煤炭从工作面运送到地面，以及通风、安全输送工入的通道。 在井下每一条巷道都有它的空间形态，对于整个矿区而言，我们关心的是巷道与巷道之 间的空问关系，此时把巷道抽象成一条线是完全可以的；如果单独把某一条巷道作为研 究对象时，我们更关心的是巷道的内部特征，如用处、岩性、内部设备等。本研究课题 通过探讨适合煤矿巷道三维建模的数据模型和数据结构，可以建立相适应的三维巷道模 型；构建好相应的三维巷道模型之后，就可以对三维巷道模型这个整体结构进行三维漫 游，而煤矿巷道三维漫游的实现可以使人们全方位的动态观察和分析巷道及其内部特 征，从而实现煤矿巷道的三维可视化表达和矿井优化设计。因此研究和开发三维巷道漫 游模型的相关软件系统对矿山信息化建设有着重要的实际意义。 1 2 国内外相关课题的研究现状 现有的地理信息系统( g i s ) 都主要表达二维的地表地物的图形和属性信息，要扩 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距。随着地质统计学、数学、计算 机图形学和网络技术的发展，工程地质逐渐向着综合集成化、数字化、可视化的方向发 展 h - 1 2 】。三维地质建模已成为数字化的一个重要方面，并成为当前地学信息技术领域最 富有活力的研究方向之- - m 1 5 】【1 6 1 。 相对于国内而言，国外一些发达国家如法国、美国、加拿大、英国等的矿山信息化 程度较高，矿山信息化和可视化应用研究起步也较早。 法国n a n c y 理工大学开发的g o c a d 软件( g e o l o g i c a lo b j e c tc o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 是以工作流程为核心的地质建模软件，达到了半智能化建模的世界最高水平，具有功能 强，界面友好，易学易用，并能在几乎所有硬件平台上( s u n ，s g i ，p c l i n u x ，p c - w i n d o w s ) 运行的特点。g o c a d 软件研发中除采用j l m a l l e t 教授提出的离散光滑插值技术( d s i ) ， 还采用了适应能力很强的三角剖分和四面体剖分技术，并独立地开发了软件中的地质统 计学部分。自1 9 9 0 年软件诞生后，得到了国外许多石油公司和地球物理公司的支持，取 得了飞速的发展。从最初的简单构造建模，发展到今天复杂构造建模、复杂三维模型网 格生成、储层岩石物理属性模型、岩相模型等，可以说以g o c a d 为代表的先进地质建 模软件大大提高了地质建模的效率和精度，可以满足对复杂地质区域的建模要求【l ”。 美国r e s e r v o i rc h a r a c t e r i z a t i o nr e s e a r c ha n dc o n s u l t i n g 公司于1 9 9 8 年推出了三维地 球模拟软件( 3 de a r t hm o d e l i n g ) ，该软件具有数据库准备、建造和控制( r e s p r e p ) 、 地震波分析和解释( r e s s e i s ) 、图形旋转分析( r e s g r a m ) 、一维、二维、三维地质统 计模型( r e s m o d ) 、结构面三维显示和分析( r e s s c a p e ) 、模型修改和不确定估计 ( r e s c a l e ) 、图形的放大和缩小( r e s s c a l e ) 、复杂地形表面网格化等功能【l ”。 加拿大阿波罗科技集团公司开发的m i c r o l y n x 三维地质建模与分析软件，通过对离 散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生s e = c t d o n ( 剖面) 模型、v o l u m e ( 体) 模型、p o l y g o n ( 多边形) 模型、b l o c k ( 块) 模型、g r i d ( 层状) 模型和s u r f a c e ( 面) 模型。利用s e c t i o n 模型计算矿藏储量、构造复杂地质体、矿井、巷道等地面和地 下采矿建筑设施。利用v o l u m e 模型对地质体进行任意方向切割，从而表达任意复杂程度 的地质体。p o l y g o n 模型可直接由采样点数据生成，b l o c k 模型用于确定矿藏分布和等级 变化。m i c r o l y n x 软件有两大特点用于提高三维地质体的空间分辨率，一是在矿体或断 层边界进行晶胞细分，二是在三维勘探空间中采用不同尺度的晶胞。o r i d 模型与b l o c k 模型类似，但更适用于扁平分布的矿体。s u r f a c e 模型用于表现地表地形测量结果、露天 3 太原理 ：大学硕十研究生学位论文 矿设计和实际开采状况、计算两个地层面之间的体积等【1 8 1 。 英国诺丁汉大学化工、环境与采矿工程学院所属的人工智能及其矿业应用研究室 ( 简称a m i s ) 较早地从事了人工智能、计算机绘图、虚拟现实等在矿业应用中的研究 工作。其研究涉及采矿工程、矿山安全、环境评价等方面。a i m s 的研究人员已经开发 出了一系列的虚拟现实模型【1 9 1 ，如露天矿井单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型 等。虚拟现实技术创造出的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点。 与国外的煤矿三维巷道系统应用研究相比，国内的研究存在着明显的差距，尚处于 理论探讨阶段。随着g i s 的飞速发展，m g i s 建模和可视化也成了国内外研究的一个热点。 北京灵图软件公司于2 0 0 0 年推出t v r m a p 三维地理信息平台软件，它从底层开发， 具有较强的海量数据处理、高级仿真、跨平台通信、数据库驱动、二次开发支持等功能。 v r _ m a p 2 x 具有丰富、强大的场景制作功能，用户可以利用各类g i s 数据、模型数据、 科学计算数据快速实现三维建模和显示。 煤炭科学研究总院西安分院于2 0 0 1 年4 月推出了矿井三维地质模型软件，它可以建 立三维多层地质模型，实现任意地质，水文地质剖面功能，矿井巷道系统三维地质模型 显示和成图，能够进行储量自动计算，实现光照模型显示。 北京东方泰坦科技有限公司于2 0 0 1 年5 月推出了t i t a n 三维建模软件，该软件基于 框架建模的思想研制而成，可以建立三维空间任意复杂形状物体的真三维实体模型。它 主要由剖面处理模块、对应关系处理模块、模型处理模块三部分组成。软件通过建立模 型的数据与剖面之间的对应关系，利用模型处理模块建立和处理三维实体模型。该软件 允许用户在三维方式下进行平移、旋转、缩放，能够以任意方向、任意角度切割模型， 并能计算模型的面积和体积1 2 0 l 。 武汉大学的龚健雅教授提出了用断面对象和似柱面模型来表达矿井巷道现象【l o 】； 南京大学的马荣华博士把矿井巷道抽象为巷道线( 孤段) ，通过上、下距和左、右 距来表达巷道的空间形态，他在深入分析矿山测量信息的基础上，提出了组成矿井巷道 的4 种基本元素，然后用c h 语言描述了面向对象的矿井巷道数据模型，并分析了所包含 的拓扑关系，并成功开发了矿井测量信息管理子系统【2 1 1 。 陈云浩等学者根据矿区巷道的特点提出了表达矿区巷道的双级三维空间数据结构 捌，即首级矿区巷道空间网络结构和次级巷道体六组拓扑关系的真三维矢量数据结构。 在这种数据结构中，可以把某矿区的全部或部分巷道看作复杂地物，巷道复杂地物由各 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 条巷道体域组成。从而组成巷道六组拓扑关系。 鲍艳研究了矿山巷道数据的特点，并结合西安科技学院地理信息研究所的“煤矿 信息与绘图系统”的研制与开发项目，设计了一套微机平台下的实用巷道三维可视化系 引2 3 1 。尽管此系统实现了部分功能，但是仍存在一些不足之处有待进一步的完善，主要 有以下几方面的不足：( 1 ) 巷道的宽度不是一成不变的，因为地质条件的差异，各煤 层的情况亦不相同，这里将煤巷和岩巷分别设置为统一的宽度，是一种较理想化的状况； ( 2 ) 在处理不同宽度的巷道之间的连接，即圆滑处理问题上，还没有找到合适的算法 研究。 丁伟等学者利用虚拟现实建模语言v r m l 建立了虚拟巷道系统，实现了用户对虚拟 巷道模型系统任意角度的漫游和一定程度上的互操作，并完成了与相关信息的简单链接 【2 4 】。 赵忠玲等学者根据工程实践建立起采掘工程平面图专用图素集，研究构造了工程平 面图形的组织与管理模式1 2 s j 。利用a u t o c a d 2 0 0 0 v b a 二次开发技术，将矿图中的巷道、 工作面等图形元素与它们的相关数据信息链接起来，建立了井巷工程r d m s 系统。 杨奎奇等学者首次提出了仅仅使用直接输入的空间数据使巷道动态生成的方法，实 现了三维巷道的动态生成、漫游与交互式查询【2 6 】。 王建民学者提出了一种新的三维巷道的建模方法一“断面中线法”，开发出了“三 维巷道成图系统”鲫。此系统把井下巷道“展示”在计算机屏幕上，同时能够对井下巷 道从各种角度实现全局或局部漫游，也能在巷道内部进行简单的漫游。系统虽然实现了 主要功能，但是还存在以下几个方面的问题有待进一步改进： 1 ) 如果两条巷道的宽度 或断面形状不同，在接口之处不能进行圆滑处理；( 2 ) 暂时不能把巷道的名称标注在巷 道壁上，在进入巷道内部漫游时，如果巷道的转变度太大时存在“视线偏离”的问题。 魏占营等学者仿照弧段一节点的拓扑数据结构思想，把巷道分为巷道体和巷道问节 点，分别对它们进行三维建模，并且构建了巷道问的拓扑关系i 冽。 由此可见，国内的煤矿三维巷道系统应用研究目前还处于介绍国外研究进展以及进 行展望的阶段，与国外存在着明显的差距。同时，由于国外软件价格昂贵，并且在开采 方法等方面并不适合我国国情，所以引进国外软件系统也是不现实的。在这种情况下， 如果我们不加紧研究，与国外的差距会越来越大。为了扭转这种局面，缩短与国外差距， 开发具有我国自主知识产权的煤矿三维巷道系统是一条必由之路例 5 太原理+ r 大学硕十研究生学位论文 1 3 课题研究存在的问题及解决方案 综合国内外煤矿三维巷道系统研究进展，笔者认为目前煤矿三维巷道系统的研究存 在以下几个问题： 由m g i s 的研究现状可知，目前制约m g i s 发展的主要因素是面向煤矿应用的三维 数据模型和数据结构的研究尚不成熟，这对于煤矿三维巷道系统的研究是一个很大的制 约。 由于研究起步较晚，再加上资金投入和重视程度不够，使得地学其它领域的三维 可视化研究尚处于探索阶段，这样不能给煤矿三维巷道系统的研究提供足够的经验。 虽然国外一些相关研究机构在矿山信息化、可视化方面取得了大量的成果，但在 煤矿三维巷道系统方面的研究尚处于初级阶段，还需要在理论上和实际应用过程中不断 完善。 与国外的研究相比，国内的研究显得比较落后，急需进行我国自主知识产权的煤 矿三维巷道系统的科研和开发工作。 针对以上问题，笔者认为，为了提高我国矿山信息化、可视化研究应用水平，缩小 同国外的差距，并力求有所突破和创新，必须进行以下几个方面的研究： 研究面向煤矿应用的三维数据模型和数据结构。 结合我国地学其它领域的三维可视化最新研究成果，给煤矿三维巷道系统的研究 提供足够的经验和相关技术支持。 进行煤矿三维巷道系统的总体设计。针对我国煤矿的实际情况，对煤矿三维巷道 系统的硬件配置、开发工具、关键技术以及功能等进行详细的分析和设计。 从底层开发具有我国自主知识产权的煤矿三维巷道系统， 1 4 课题研究主要内容及论文组织结构 论文的主要研究内容是： 研究适合煤矿三维巷道模拟的三维数据模型和数据结构。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究煤矿三维巷道及其内部设备模型的可视化实现。 实现煤矿三维巷道及其内部设备模型系统的初步开发。 在总结前人三维巷道显示模型建立方面所做的大量工作的基础上，本论文对巷道及 其内部设备的三维建模技术和三维漫游的实现进行了探讨研究和软件开发。 整个论文的章节安排如下： 第一章：绪论。本章简要的阐述了煤矿三维巷道系统的研究意义及国内外研究现状、 煤矿三维巷道系统研究存在的问题和解决对策、论文研究的主要内容及论文的组织。 第二章：面向煤矿应用的三维数据模型及其数据结构。本章首先详细阐述了国内外 常用的面向煤矿应用的三维数据模型，然后阐述了相应的三维数据结构，最后探讨了适 合煤矿三维巷道模拟的三维数据模型和三维数据结构。 第三章：煤矿巷道三维模型研究及算法实现。本章首先说明了巷道三维建模的数据 来源及特点，给出了巷道建模的设计思路，然后把巷道分为巷道体和巷道断面点分别设 计了巷道体和巷道断面点的数据结构，并实现了巷道体和相邻巷道体之间连接处三维建 模的算法；另外也研究实现了巷道体内部纹理贴图技术及巷道内部设备三维建模的相关 算法。 第四章：煤矿三维巷道及其内部设备的可视化研究。本章首先在v c + + n e t 下基于 o p e n g l 设置了合适的投影方式、相关参数和显示环境，然后在v c + + n e t 开发环境下使 用o p c n g l 实现了三维巷道模型、三维巷道内部纹理贴图、三维巷道内部设备模型及三 维巷道漫游。 第五章：煤矿三维巷道及其内部设备的系统开发和实现。本章根据现有硬件水平首 先给出了系统的总体设计原则和设计流程图，然后对系统功能模块进行了总体设计。 第六章：本文最后总结了自己的研究成果，并对今后的研究方向进行了展望。 1 5 本章小结 本章主要阐述了课题的研究意义及国内外研究现状、存在问题及解决方案、研究的 主要内容及组织结构。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章面向煤矿应用的三维数据模型及其数据结构 2 1 面向煤矿应用的三维数据模型【3 0 l 模型用来表示实际的或抽象的实体或对象。数据模型是一组实体以及它们之问的一 般性描述，是真实世界的一个抽象。建立模型的几何描述是对被处理的对象进行设计、 分析、模拟和研究的基础。在g i s q b ，连续的地理现象是通过采样以离散形式在数据模 型中表示，数据模型的选择取决于数据的类型和特点、对数据存储和处理的要求、所能 够使用的软件以及g i s 实际应用中各种不同应用特点，不同的数据模型对g i s 的功能影响 很大。现实世界中数据的种类繁多、类型复杂、几何数据复杂，要对现实世界的模型进 行三维真实的表达，需要对现实世界中的模型进行三维建模，从而在计算机中真实再现 现实世界中三维景观模型。三维建模的形成过程如图2 1 所示： 物概逻 = 理 念辑维 模 ， 模模表 型型 型达 图2 1 三维建模 f i g 2 - 1t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n g 由于没有一个实体的模型或抽象能表示实体的所有方面，设计一个适合所有情况的 一般性的数据模型是不可能的，特别是处理三维复杂地理现象时。在三维g i s q 。基于栅 格的数据模型不能很好的满足三维g l s q ：的一些要求，如数据存储，三维可视化等方面。 基于栅格与矢量混合的数据模型也存在上述问题。在三维g i s q h 应用较多的面模型实质 上是一种矢量结构数据模型。根据对矢量和栅格两类数据结构的数据模型的性能比较， 矢量结构的数据模型比橱格结构的数据模型在数据的存储、可视化、模型的表达精度、 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 拓扑关系等方面具有明显的优势。 综合目前已有的三维模型具备的功能，并结合实际应用的要求、三维数据的来源， 对于面向应用的三维g i s 开发的三维目标数据模型应该综合考虑下面几个问题： ( 1 ) 三维模型表达的精度对于设计合理的三维数据模型十分重要，模型表达的精度 要求越高，则所需要的几何数据量越大，数据管理也就会越复杂，反之亦然。 ( 2 ) 任何一种三维数据模型，不管采用哪种数据结构，都应该具有自动重建和半自 动重建两种功能。 ( 3 ) 三维数据模型的一个重要特点是能够进行三维可视化，层次细节( l o d ) 模型是 提高三维模型渲染速度的一种重要的解决途径。 ( 4 ) 计算机制图和g i s 最大不同之处在于g l s o 够处理模型的空问关系，在三维g i s 中，三维数据模型对空间关系表达能力的强弱，是空间分析功能进一步开发的基础。 ( 5 ) 三维g i s 所处理的不是一个简单的单体对象，它需要能够对大量的数据( 空间 和非空间数据) 进行管理，模型的数据存储量对g i s 三维显示的速度和数据检索的快慢 有很大的影响。 ( 6 ) 模型三维显示的效果、美观程度是由三维对象的数据模型和采用的数据结构决 定的，比如基于矢量数据结构的模型比基于栅格数据结构的模型的三维显示效果更美 观。 ( 7 ) 能够描述与该几何数据相关联的属性数据g i s 的空间对象不但具有几何属性还 具备语义属性，它们之间的连接可以通过多种方法进行。 ( 8 ) 为了保证g i s 中数据的现势性以及为其他的系统或决策获得服务，几何对象的 三维数据模型应该具备与其他系统的模型进行相互转换的能力。 一些国内外学者在三维g i s 空间数据模型方面，做了不少的研究，根据不同应用领 域的设计需求，提出了一些三维数据模型和建模方法，代表性的成果有：3 d f d s 拓扑空 间数据模型( m o l e n n a r ，1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 、结构实体几何法( c s g ，c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 与八叉树( o c t r e e ) 结合的混合数据模型( l i i l l 9 9 2 ) 、基于四面体的三维数据模型 ( p i l o u k m ，1 9 9 4 ：c h e nx ，1 9 9 5 ；t e m p f l ik ，1 9 9 6 ) 、面向对象的矢量栅格一体化模 型( 龚建雅，夏中国，1 9 9 6 ) 、基于几何元素的三维数据模型( 史文中，1 9 9 6 ) 四面体 与八叉树结合的混合数据模型( 李德仁、李清泉，1 9 9 7 ) 和基于单纯形剖分的拓扑空问 数据模型( 陈军等，1 9 9 8 ) 等，上述提出的数据模型在解决某些领域或某一专题时可以 9 太原理工人学硕十研究生学位论文 显示出优势，但试图用一个通用的模型来描述或表达客观世界中所有三维空间实体及其 空间关系，几乎是不可能的。如在矿山、地质以及气象、环境、地球物理、水文等众多 的应用领域，目前还没有找到一种很好的数据模型来满足各种需要。三维o i s 空间数据 模型的划分如图2 - 2 所示： 单元分解 r 三维格网等 空闻枚举 四面体格网 l 八叉树( o c t r e e ) 图2 - 2 三维g i s 空间数据模型 f i g 2 - 2s p a t i a ld a t am o d e lo f 3 d g i s 近年来，真三维地学模拟、地面地下工程的空间整合分析、三维动态模拟、三维地 学可视化等问题，已成为g i s 的技术前沿和研究热点。如何对这些多维空间数据进行集 成管理、动态处理和时空分析，是国内外学术界和工程应用面临的一大理论与技术难题。 解决这一闯题的关键是建立三维g i s 的空阋数据模型 2 7 1 。 随着三维g i s 数据模型研究的不断深入，出现了各种数据模型，如基于矢量的数据 模型、基于栅格的模型、矢量栅格集成模型以及面向对象的数据模型等。各种模型都有 其特点和适用性。根据数据模型的几何特征，可以划分成块段、线框、实体、断面、表 面等五大类构模法【3 1 1 块段构模法的研究和应用始于2 0 世纪6 0 年代初，是一种传统的地学构模方法。2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代开发的一些计算机系统即采用这种构模技术，比较典型的有控制 1 0 厂l r，、l厂，rr【 模 模 ， 朝 劂 嬲 魁 暇 蝴 嬲 麒 姗 鲋 姗 撒 悝 雉 锄 胎 惭 鹃 确 混 分 传ilhri ii110 太原理】：大学硕士研究生学位论文 数据公司的m i n e v a l 系统和m i n e t e c 公司的m e d s 系统。这类构模技术是把要建立模 型的整个立方块空间分割成规则的三维立方网格( g r i d ) ，三维立方网格也称为块段， 每个块段在计算机中存储的地址与其在自然矿床中的位置相对应，用克立格法、距离加 权平均等方法和优化原则来确定各块段中的品位或质量参数。这种技术的优点是可以用 隐含定位技术节省存储空间和运算时间；但在精确模拟矿体边界与分割粒度( 存储量) 上存在尖锐矛盾。 线框构模法是一种表面构模技术。即把面上的点用直线连接起来，形成一系列多边 形，然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格，以此来模拟地质边界或开采边 界。该法的缺陷是无法表达边界内部或地质体内部。 实体构模法是采用多边形网格来描述地质和开采过程所形成的形体边界，并用传统 的块段模型描述形体内部的品位或质量的分布。实体构模技术以l y n x 系统中提供的三 维元件构模为代表。该构模