（计算机科学与技术专业论文）三维巷道矢量模型生成与动态漫游.pdf

己二己v 【 uo ( ，0lj g e n e r a t i o nm e t h o da n dd y n a m i cc r u i s eo f3 d l a n e w a yb a s e d o nv e c t o rm o d e l s p e c i al i t y - c o m p u t e rs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：ix i 旦g j _ i s u d e r v l s 0 r ： a s s o c i a t ep r o f c h e nx u e - g o n g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 7i 川，9舢8 mmmi舢7劓iil_删y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘乏日期：上! 生生年上月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盘幺导师签名蕴至! 日期坐f 全年上月堡日 种合适的三维巷道模型生成方法并实现巷道三维仿真。 考虑到矢量模型在三维表达上的优势，本文提出了一种巷道矢量 模型的建模方法，它在保证巷道形态正确的同时，将巷道模型的生成 与连接处平滑一次性完成。针对巷道连接处处理这个难点，在巷道连 接处插入旋转的断面组，使生成巷道体的同时又完成了连接处的平滑 处理，即保证巷道无缝连接又降低了算法的复杂度。 在实际应用中，巷道往往与其它地质实体共同存在。为了更直观 的展示出巷道与其它地质实体的位置关系，本文提出一种巷道体表面 着色的方法，它把与同一个实体相交的巷道表面区域赋上相同的属性 值，然后用不同的颜色对巷道表面上属性不同的区域进行填充，清晰 的标识出与巷道相交的实体以及相交区域的空间位置。 在上述巷道模型的基础之上，本文提出一种针对巷道漫游数据的 计算方法，该方法对漫游路径进了平滑处理，将当前所处巷道底面的 法向量作为视线的向上向量，并且拉长了视点与朝向点的距离，使视 觉效果更加真实流畅。最后结合o p e n g l 技术，实现三维巷道的动态 漫游，为更进一步从内部验证巷道结构的正确性和优化巷道设计提供 了最直接的工具。 关键词巷道建模，矢量模型，表面着色，动态漫游，三维可视化 a b s t r a c t a sa ne s s e n t i a le l e m e n ti nm i n ew o r k i n g s ，l a n e w a y sp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nd i g i t a lm i n e ss y s t e m s i n c el a n e w a y sa r ec r i s s c r o s s e du n d e r g r o u n d ， i ti sh a r dt ov i s u a l l yr e p r e s e n tt h eg e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o na n d s p a t i a l p o s i t i o no fl a n e w a yb y2 dg r a p h i c s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt of i n da p r o p e rm e t h o dt or e a l i z e l a n e w a y ss u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n d3 d simulation， c o n s i d e r i n g t h e s t r e n g t h s o fv e c t o rm o d e li n3 d s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t s a g e n e r a t i o nm e t h o dw h i c hc a l l g e n e r a t e3 dl a n e w a ya n ds m o o t hj o i n t sa tt h es a m et i m ea n dm a k es u r e t h e s h a p eo fg e n e r a t e dl a n e w a yi s c o r r e c t a i m i n ga t t h el a n e w a y c o n n e c t i o np r o b l e m ，t h em e t h o di n s e r t sr o t a t e ds e c t i o n s o n jo i n t s ， g e n e r a t i n gl a n e w a ya n ds m o o t h i n gt h ejo i n t sa tat i m e i te n s u r e st h e s e a m l e s s n e s so fl a n e w a yjo i n t sa n ds i m p l i f i e st h e c o m p l e x i t yo ft h e m e t h o da sw e l l i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，l a n e w a y sa r ea l w a y sc o e x i s t e dw i t ho t h e r g e o l o g i c a lo b je c t s i no r d e rt or e p r e s e n tt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n l a n e w a y sa n do t h e rg e o l o g i c a lo b j e c t s ，t h ep a p e rp r e s e n t sa r e g i o n c o l o r i n gm e t h o do nl a n e w a ys u r f a c e i ta s s i g n st h es a m ea t t r i b u t ev a l u et o t h el a n e w a ys u r f a c er e g i o nw h i c hi n t e r s e c t e dw i t ht h es a m eo b j e c ta n d t h e nf i l l st h ed i f f e r e n t l a n e w a ys u r f a c er e g i o nw i t hd i f f e r e n tc o l o r a c c o r d i n g t ot h ea t t r i b u t ev a l u e t h ec o l o rc l e a r l ym a r k st h es p a t i a l p o s i t i o no fi n t e r s e c t e dr e g i o na n dt h eo b j e c t sw h i c hi n t e r s e c t e dw i t h l a n e w a y s o nt h eb a s i so fg i v e nm o d e ls c e n e ，t h ep a p e rp r e s e n t sac a l c u l a t i o n m e t h o dw h i c hi ss u i t a b l ef o rl a n e w a yc r u i s e t h em e t h o ds m o o t h st h e c r u i s ep a t hf i r s t ，a n dt h e ng e t s l a n e w a yf l o o rn o r m a la su pv e c t o ro f s i g h t l i n e ，s t r e t c h e st h ed i s t a n c eb e t w e e ne y e sp o s i t i o na n dc e n t e rp o i n t ， m a k e sv i s u a le f f e c tm o r en a t u r a la n ds m o o t h f i n a l l y i t c o m b i n e s o p e n g lt or e a l i z e3 dl a n e w a yd y n a m i cc r u i s e i tp r o v i d e st h em o s t d i r e c t l yt o o lt oo p t i m i z el a y o u ta n dv e r i f yt o p o l o g yf r o mi n n e rl a n e w a y i i k e yw o r d sl a n e w a yr e c o n s t r u c t i o n ，v e c t o rm o d e l ，s u r f a c ec o l o r i n g ， d y n a m i cc r u i s e ，3 dv i s u a l i z a t i o n i i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状和水平2 1 3 主要研究内容4 1 4 论文的组织结构5 第二章g i s 空间数据模型6 2 1 空间数据模型6 2 2 三维空间数据模型7 2 3 常见矢量数据结构8 2 4 巷道三维数据模型l o 2 4 1 三维数据模型选取原则l o 2 4 2 巷道数据特点11 2 4 3 适合巷道的三维数据模型1 2 2 5 本章小结。1 3 第三章三维巷道矢量模型的生成1 4 3 1 巷道中心线数据源。1 4 3 1 1 三维中心线建模1 4 3 1 2 巷道的自相交问题1 5 3 1 3 中心线数据预处理1 6 3 2 绕任意轴旋转变换算法1 7 3 2 1 旋转变换的基本步骤1 7 3 2 2 旋转矩阵1 7 3 3 巷道的三维建模方法18 3 3 1 巷道横断面建模1 8 3 3 2 直巷道的建模方法2 0 3 3 3 连接处的平滑处理一2 0 3 4 复杂度分析与实验效果2 2 3 5 本章小结2 3 第四章巷道体表面着色2 4 4 1 基本概念2 4 4 1 1 三维流形网格模型2 4 4 1 2 地质实体的特点2 5 i v 4 2 巷道体的数据结构2 5 4 3 巷道体区域划分2 6 4 3 1 巷道体与地质实体交线生成2 6 4 3 2 重建巷道表面三角网格2 9 4 4 表面颜色填充。3l 4 4 1 地质实体嵌套关系的确定3 l 4 4 2 判定点与体包含关系3 2 4 4 3 表面三角网格区域定位3 4 4 5 实验结果3 5 4 6 本章小结3 5 第五章三维巷道动态漫游与可视化技术3 7 5 1 可视化原理与实现3 7 5 1 1 三维模型可视化原理3 7 5 1 2o p e n g l 三维场景显示技术3 7 5 2 三维巷道动态漫游。3 9 5 2 1o p e n g l 场景漫游原理4 0 5 2 2 漫游路径生成4 2 5 2 3 视线朝向点位置4 2 5 2 4 视点向上方向4 3 5 3 实验结果4 3 5 4 本章小结。4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 研究工作总结4 5 6 2 进一步研究内容4 6 参考文献。4 8 致谢5 2 攻读学位期间主要的研究成果5 3 v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 矿山地理信息系统( m g i s ) 是应用于数字矿山项目中的区域性的地理信息 系统( g i s ) 。它在计算机硬、软件系统支持下，利用地理信息系统强大的空间 地质分析和辅助管理决策功能，对矿山项目中数据的采集、储存、管理、运算、 分析、显示和描述等方面给予强有力的支持，为提供正确的决策和保证安全的生 产提供服纠。由于矿山地理信息系统存在多源性、时空性、多时相性以及不确 定性几个特点，使得对这些大量的空间数据如何进行有效的管理、动态处理和时 空分析成为国内外学术和应用部门所面临的一大难题【2 3 1 。 三维巷道的建模与动态可视化是数字矿山中的一个专项应用。井巷工程作为 地下矿山的主要研究对象之一，自始至终贯穿于矿山资源的开采活动中。巷道是 为实现采矿生产中将矿产资源从工作面运送到地面，以及通风、排水、安全输送 工人等功能而掘进的通道，在数字矿山项目中占有十分重要的位置。对巷道空间 布置实现三维仿真，同时利用三维图形对矿体几何形态和岩性分布进行空间描 述，使开采人员不仅能够看到整个矿区外部的几何形态，还能够看到矿体内部的 工程布置以及岩性的分布情况，更直观的展示出工程布局是否合型4 1 。 本课题来自国家高科技发展8 6 3 计划项目“危机矿山三维评价系统”。首先 需要找到一种适合三维巷道建模的数据模型以符合应用要求，然后建立起相适应 的巷道模型，在构建好的巷道模型基础之上，实现该三维巷道模型的动态漫游功 能，使开采和设计人员获得一种身临其境的真实感，在巷道实际掘进之前就可以 对巷道的开采和设计进行全方位的观察和分析，进一步优化设计、确保巷道掘进 的安全性和合理性，因此建立巷道工程建模与动态可视化仿真系统，通过展示整 个矿区地下巷道的三维图像，使地下巷道的掘进数字化、可视化，实时的反映出 巷道工程的变化，直观的展示了地下巷道与附近地层、钻孔、矿体以及地表的位 置关系，从而大大提高了矿山工作的效率和准确性，对指导矿山安全开采与优化 巷道设计等具有十分重要意义。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状和水平 现有的地理信息系统大多停留在利用二维图形表达地表地物的几何形态和 属性信息的层面，离扩展到三维层面并全方位表达矿山内部结构的系统还有一定 的差距p j 。随着地质统计学、空间解析几何、计算机图形学和计算机网络的发展， 地理信息系统逐渐朝着数字化、集成化、可视化的方向发展 6 - z 。人们越来越倾 向于通过视觉直观的接受信息，在这种背景下，三维地质的仿真建模逐步成为地 理信息系统中的一个重要的研究方向1 1 。 国外在矿山地理信息系统方向的研究起步较早且成果较多，澳大利亚、英国、 德国、美国、加拿大等国家的地质学专家学者围绕石油物探、矿床地质、工程地 质和矿山工程问题进行了大量卓越的理论与技术研究，相继推出了大量的用于地 质资料处理、矿床建模、开采辅助设计以及管理信息系统等方面的矿用商品化软 件，比如d a t a m i n e ，m i n t e c ，l y n x ，m i n c o m ，s u r p a c ，v u l c a n ，m i n e m a p 等软 件系统，装备了许多矿山，特别是澳大利亚、北美和南非的一些矿山，取得了很 好的经济效益1 1 2 - 1 4 】。澳大利亚s u r p a c 国际软件公司( s u r p a es o t h v a r e i n t e r n a t i o n a l ，简称s s i ) 开发的s u r p a c 软件，是一套三维交互式图形软件系统。 其应用领域主要包括勘探和地质模型、资源评估、露天和地下采矿设计、生产计 划和开采进度计划编制以及尾矿和复垦设计等。英国矿业计算有限公司( m i n e r a l i n d u s t r i e sc o m p u t i n gl t d ，简称m i c l ) 开发了d a t a m i n e 采矿软件系统，它最大 的特点是屏幕上的作图功能，可以将露天或地下矿山设计所需要的各种图形，包 括钻孔及岩芯分布、矿体及主要开拓巷道位置或露天矿坑等，以三维和彩色的形 式在计算机屏幕上显示出来。美国宾西法尼亚大学开发出v r 矿工培训系统，该 系统允许用户在虚拟工作面上检查工作面的故障隐患，如项板支护是否合理，查 看工作面设备是否正确放置，应该采取哪些措施。应用该系统可以培训矿工的安 全意识。德国d m t 大学开发的矿井决策模拟系统s t m b e r g 是采矿专业里边的 训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实 环境中提供地质、开采设计工作面状况、工人、市场等方面的简化条件，学生可 以进行管理和决策。澳大利亚m i n c o m 公司开发的m i n e o m ，是一个基于三维 c a d 的采矿辅助设计软件系统，它提供了地质钻孔信息处理、地质模型建立、 新旧矿井设计、现场设计与管理、生产进度计划模拟，支持采矿设计与生产管理。 但该软件是基于u n i x 系统，它的应用在我国受到一定的限制。加拿大的l y n x 公司开发的m i n c a d 系统，具有三维地质统计、三维实体模型和集成c a d 系 统，能用于露天和地下开采。它的地下矿开采系统构造了实体矿化模型，在二维 或三维矿体视图上，可以设计地下巷道和采场，可以考察各种开采方案的效果 2 硕士学位论文第一章绪论 同国外的矿山项目中的三维巷道系统相比，国内应用研究的水平还存在很大 的差距。随着矿山地理信息系统的飞速发展，对于矿山项目中各空间要素的建模 与仿真也成了国内外研究的热点。目前一些关于巷道的三维显示是基于三维模型 生成软件的，如3 d m a x 、a u t o c a d 等。在这些软件之上建立的三维模型逼真 度虽好，但缺少灵活性，可编辑能力差，且不便脱离这些平台，使应用软件的维 护和发展造成困难，许多软件往往因第三方软件的升级而无法适应用户的需求。 另外，其可视化效果不逼真，系统性和集成性不强，研制的软件系统只针对某个 侧面的具体问题而开发，一般只解决局部问题。基于具有开放式的o p e n g l 图形 接口建立的三维显示系统却弥补了以上方法的一些缺陷。汪家琪等针对矿山生产 建设的需要研制了井巷三维立体图自动绘制系统，该系统从数据的输入、存储、 检索到数据的输出、绘图，各个过程成为一个有机体，它能做到与其它测量及绘 图系统共享数据。苏州非金属矿工业设计研究院在a u t o c a d 基础上开发了一套 井巷工程计算机辅助设计软件系统s c a d ，它主要用于设计各种平巷、竖井、斜 井、天井、溜井、各种车场等，能绘制井巷施工图。此外，侯运炳采用三维设计 方法，利用几何造型技术，建立了新城金矿采矿工程巷道基本部件的三维集合模 型库，由基本部件几何模型拼接采场的采矿工程结构，并构造标准采矿方法参数 几何模型和采场组合模型优选采矿工程布置方案”】。 在巷道建模方面，文献【19 】提出了用连续断面和一个规则的类柱面模型来表 达矿井巷道。南京大学的马荣华学者把井下巷道抽象为沿导线点构成的导线或导 线网，在线状导线的基础上结合左右距和上下距来表达巷道的体状形态，他认为 矿井巷道由点、巷道线、巷道弧、面片的四种基本元素，分析了面向对象矿井巷 道的拓扑关系，最后用v c h 描述了矿井巷道数据模型并实现了某矿山地理信息 系统矿井测量模块【2 0 1 。王建民学者提出的三维巷道建模技术把巷道看作是各种 空间网络模型的组合，用接近并且平行于中心线导线点，同时在巷道中心线上插 入断面的方法建立三维巷道模型，此外还分析了组成巷道的各网络元素的拓扑关 系，并实现了三维巷道成图系统，其中包含了巷道的几何变换、显示以及漫游功 能1 2 。魏占营等学者把整个巷道分为单个的巷道体和巷道节点，提出了从巷道 边界到巷道中心线再到巷道断面组，最后到三维巷道表面线框的设计思想，其中 包含了对巷道中心线曲线化的处理【2 2 1 。但上述模型处理方法在连接处难以平滑， 在进入巷道内部漫游时，如果弯度过大则会出现“视线偏离”的问题。为克服这 些问题，孙中昶等采取首先去除交叉处重叠或错切部分生成巷道体，再对巷道拐 弯处进行平滑处理的方法田l ，虽然该方法在一定程度上解决了连接处平滑问题， 但由于它将巷道体的生成与拐弯处平滑处理的过程割裂开来，造成算法复杂度较 3 硕士学位论文第一章绪论 高。 李春明采用直接体绘制技术建立了针对矿山井巷工程的三维可视化仿真系 统，井对巷工程布局和矿体进行集成显示【1 5 】。张治木开发的三维地下巷道试验 系统建立了巷道的规则格网，实现了三维坐标、剖面面积、两点间距等空间查询 功制 】。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“煤矿信息与绘图系统”项目的实际需求，设计了一套普通p c 机下实用的巷 道三维可视化系统【2 4 1 。 由此可见，目前我国的三维地质巷道系统的应用研究与国外存在着明显的差 距，还处于对国外研究进展进行介绍以及进行展望的阶段。同时，由于国外软件 价格十分昂贵，并且在某些开采设计与方法等方面并不太适合我国国情，所以单 纯依靠引进国外软件不是长久之计。在这种情况下，我们必须扭转局面，加紧对 三维地质类软件的理论及应用的研究，尽快减少与国外水平的差距，开发具有我 国自主知识产权的三维巷道系统1 2 5 1 。 1 3 主要研究内容 在本课题中，生成三维地质巷道的主要应用于以下三个方面： 1 、找到一种生成三维地质巷道模型的方法，以满足实际应用的需要。如果 不考虑巷道断面形状，则完全可以把巷道抽象成一条线，这条线就是巷道中心线， 它决定了巷道在地下的空间形态，此外再结合给定的巷道截面形状、半径大小， 弯曲处光滑程度等信息，完成巷道的三维建模。 2 、完成巷道体的表面着色。在实际应用中，巷道往往与多种地质实体共同 存在，如岩层、矿体等。为了更清晰的表达出当前巷道所在矿体位置，我们将矿 体与巷道体进行类似求交的运算，巷道体与某种矿体相交的部分被划分成相同区 域并填充上对应的颜色，每个区域可以清楚的显示地质体内部的各个细节，能帮 助矿山的设计及开采人员更全面地了解地层构造，为判断、决策提供支持。 3 、实现虚拟地质巷道的三维漫游，用以检验巷道模型拓扑结构的正确性以 及优化巷道设计。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，如岩性、品位分布、内部设备等。在构建好的巷道模型基础之上，实 现该三维巷道模型的动态漫游功能，使开采和设计人员获得一种身临其境的真实 感，在巷道实际掘进之前就可以对巷道的开采和设计进行全方位的观察和分析， 从而实现地下巷道的三维可视化表达和矿井优化设计。 4 硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文的组织结构 本文共分为六章，分别为绪论、g i s 空间数据模型、三维巷道矢量模型的生 成、巷道体表面着色、三维巷道动态漫游与可视化技术以及总结与展望。 第一章为绪论，主要概述了本文的研究背景及意义，介绍了国内外三维矿山 软件的水平，详细描述了巷道建模的研究现状和本文研究的主要内容。 第二章为背景知识简介，主要介绍进行目前国内外三维物体表示的各种矢量 模型和它们的优缺点，分析了实际情况下巷道模型的特点，并选取了一种适合巷 道的三维数据模型。 第三章针对巷道矢量模型生成时可能存在在问题，首先设计一种对中心线数 据预处理的方法，接下来提出一种三维巷道矢量模型的生成方法，该方法通过在 中心线连接部分加载旋转的断面来实现巷道的生成与连接处平滑，在保证巷道形 态正确的同时，将巷道模型的生成与连接处平滑一次性完成。 第四章详细说明了如何实现巷道体的表面着色，对于巷道当前所处地层的岩 性，不同的区域用不同的颜色标示往往比用文字说明更为直观。划分巷道表面并 重建表面网格，对不同的三角网所在的区域进行对应的颜色填充，使巷道所表达 的信息更为直观。 第五章首先对可视化原理也进行了介绍并重点讲述了o p e n g l 场景漫游原 理。提出了一种获取漫游所需要的数据方法，结合之前生成的巷道模型，完成巷 道动态漫游展示。 第六章也是全文的最后一章，对全文所开展的工作进行了总结，并指出了进 一步的研究工作。 5 硕士学位论文第二章g i s 空间数据模型 2 1 空间数据模型 第二章g i s 空间数据模型 模型是对客观世界以及人脑虚幻意识中所存在的事物或现象的简化和抽象。 它首先要求人们对该待认识对象得有一定了解，然后在此基础之上做进一步认识 以及获取更多客观规律。不同的模型反映了人们面对认识对象时不同的认识背 景、目的和方法。数据模型是用数学的思想和方法来表达和处理各种实际问题， 它通过对待认识的对象进行必要的简化、抽象处理，从而反映出待认识对象的一 些结构特点和功能属性，即设计何种数据结构和组织方式能更好的进行数据组 织、存储以及计算处理。因此，所采用的数据结构需要能够描述待认识对象的结 构特点及其空间拓扑关系等。 空间数据模型是以概念的方式对客观世界中的空间对象及其相互联系进行 的抽象描述。它给三维空间数据的组织和数据存储结构的设计提供了基本的方 法。它反映了客观世界中三维空间实体及实体之间的相关关系，因而对空间数据 模型的认识和研究水平将决定三维地理信息系统的发展程度。空间数据模型包含 物理数据模型、逻辑数据模型和概念数据模型三个层次。它是进行空间数据存储 结构设计以及空间数据组织运算的理论基础。它所表达的抽象过程是一个从物理 模型到概念模型再到逻辑模型，最后完成客观世界中三维表达的过程【2 6 1 。 世界概念数据模型 i 丫一一一一 逻辑数据模型 j 一一一一一一 物理数据模型 认知、抽象与概念模型化 设计 最高层 实现 图2 - 1 空问数据模型的层次 6 中问层 最底层 硕士学位论文 第二章g i s 空间数据模型 客观世界中几何事物在空间数据模型中被称为物理模型。物理模型通过一定 的数学模型描述之后，转换成概念模型。概念模型的主要用途是定义那些用于描 述物理模型的分类、属性、几何形态等抽象特征的规则。概念模型的定义规则是 按照物理模型的抽象特征来决定的，对于不同的物理模型需要采用不同的定义规 则。为了能够更好的组织存储和分析处理物理模型，还须要定义逻辑模型。逻辑 模型是介于概念模型与物理模型之间的模型，它的存在即分析了物理模型几何特 性又体现了概念模型的功能需求。逻辑模型决定了物理模型所具有的存储、分析、 管理和处理等功能，而概念模型则用于决定选取哪种合适的逻辑模型。客观世界 中的几何事物需要经历物理模型设计、概念模型设计、逻辑模型设计三个不同的 阶段，才能最终完成了模型的三维表达【2 7 1 。 2 2 三维空间数据模型 地理信息系统中所采用的数据模型按照对对象几何维数描述的不同，被分为 二维数据模型和三维数据模型两大类。数据模型在地理信息系统开发与应用中的 影响非常大，所选数据模型的优劣将直接影响到系统的功能与效率。由于目前对 地理信息系统中的可用的二维数据模型的研究已大致趋于成熟，地理信息系统中 所采用的空间数据模型正处于从二维向三维方向发展的时期，因此对三维地理信 息系统中的数据模型，即对三维空间数据模型的研究与发展显得十分重要。 三维空间数据模型是对三维坐标中空间对象的数据存储、组织管理以及运算 处理等的方法进行描述的基础，对该模型的研究水平很大程度上决定了三维地理 信息系统的发展以及应用范围。与二维空间数据模型相比，三维空间数据模型在 空间信息的可视化表达和空间查询等方面比有着无法比拟的优点和功能。 截至到目前，国内外此领域的学者提出的三维空间数据模型就多达数十种， 其中有三十余种最具代表性。这些已知的三维空间数据模型按数据描述格式来划 分，可分为矢量( v e c t o r ) 、栅格( r a s t e r ) 、矢量栅格集成( r a s t e r - v e c t o ri n t e g r a t i o n ) 三种类型。文献 2 8 1 对一些有代表性的三维空问数据模型按数据描述格式进行了 分类，如表2 1 所示 表2 - 1 三维空间模型分类 基于体表示的模型 基于面表示的模型 基于混合表示的模型 规则体元 不规则体元 矢 不规则三角网( t i n ) 结构实体 四面体格网不规则三角网 边界表示( b - r e p )( t e n ) 结构实体几何 量 几何( c s o ) 线框模型( w i r ef r a m o 似( 类) 三棱柱( t i n c s o ) 7 硕士学位论文第二章g i s 空间数据模型 断面模型( s e c t i o n l ( q t p v 、o t p ) 断面三角网( s e c t i o n t i n )地质元包 t i n 形式多层d e m s ( g e o c e l l u l a r ) 三维形式化数据结构不规则块体 ( 3 d f d s )( i r r e g u l a r 面向对象三维几何 b l o c k ) 目标数据模( 0 0 3 d 1实体模型 简化的空间数据模型( s s m )( v o l u m e ) 三维城市模型( 3 d c m ) 3 d v o r o n o i 图 栅 规则格网( g r i d ) 体素( v o x e l ) 形状模型( s h a p e ) 八叉树( o c t r e e ) 格 规则块 格网形式多层d e m s ( r e g u l a r b l o c k ) 八叉树四面体格网 矢量 ( o c t r e e - t e n ) 栅格 格网三角网混合数字针体线框模型块 高程模型( g r i d t i n )( n e e d l e )( w i r ef r a m e - b l o c k ) 集成 不规则三角网a 叉树 ( t i n - o c t r e e ) 2 3 常见矢量数据结构 基于矢量( v e c t o r ) 或边界表示的模型，它是利用一些基本几何元素及其组 合来描述三维空间对象，它是将二维平面中点、线、面这三种矢量模型进一步推 广到三维环境下，利用三维空间中的点、线、面、体这四种基本矢量模型来构造 更为复杂的三维对象。其中曲线用起点、终点来限定其边界，用一组型值点来限 定其形状，连通的曲面用一个外部界线和若干内部界线来限定其边界，用一组型 值曲线来限定其形状，体用一个外侧曲面和若干内侧曲面来限定其边界，用一组 型值曲面来限定其形状。矢量模型可以精确的表达出三维线状实体、面状实体和 体状实体的任何复杂边界，与栅格模型相比，它的数据存储格式更为紧凑、数据 量更小，并能更真实的还原空间对象的几何形态，图形输出美观，容易实现几何 变换等，此外矢量模型对表达空间实体之间的拓扑关系，进行空间查询等功能更 容易实现，缺点针对矢量模型的算法的实现通常较为复杂，对于同一个体内的不 _ _ i d w l 女i a k l 上n i “j jr m l 、不规则三角网结构( t i n ) 不规则三角网是根据区域的有限个离散数据点依照某种算法进行区域划分， 使这些离散的点集形成相邻但不重叠的形状无规律的三角面网络，并以此来逼近 三维空间中的各种复杂的表面【3 0 1 。不规则三角网模型将有限个点集将区域划分 8 硕士学位论文第二章g i s 空间数据模型 为相接但不重叠的三角面片网络，区域中任取一点都只可能落在三角面片的顶点 上或边上或三角形内。如果点不落在三角形的顶点上，则该点的高程值通常可以 利用线性插值的方法得到，因而t i n 是一个三维空间中分段模型，其高程值在 整个三角面网内连续但不可导。在三维实体表面建模中，通过离散分布的数据点 集生成连续的不规则三角网来逼近真实物体的表面。 2 、边界表示模型( b r e p ) 边界表示法简称b r e p 法。它的基本思想是一个实体可以通过它的面的集 合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义 【3 1 1 。例如一个立方体由六个面包围，有六个封闭的环，每个封闭的环由四条边 构成，每条边又由两个顶点定义，它们必须是有界、封闭、有向、不自交、有限 和相连接的，并能区分实体边界内、边界外和边界上的点。并且面、环、边、顶 点相互之间存在有一定的关系( 如图2 - 2 ) 。 第l 级体b 第2 级面s ? 地厶e l 晦e 2 闷e 3 e 4 卜卜l 第4 级点pf 屯、k 、k s 6 e 1 2 p 8 图2 - 2 立方体的边界表示法分级图 对实体边界表示的定义是否合法，需要符合以下几个条件： ( 1 ) 每条边都包含有精确坐标值的起点和终点； ( 2 ) 每条边属于也只属于两个面片，以确保实体的封闭性； ( 3 ) 每个面上的顶点只属于该面上的两条边，以保证面上的边能形成环； ( 4 ) 每个顶点的三维坐标( x ，y ，z ) 必须能在三维欧氏空间中孵3 中唯一确定； ( 5 ) 两条边的位置关系或者分离，或者重合或者交于一个顶点。 9 硕士学位论文第二章g i s 空间数据模型 边界表示法在描述实体的信息，主要指拓扑信息和几何信息两方面有以下几 个优点： ( 1 ) 便于获取实体中各元素的有关信息； ( 2 ) 便于完成实体的各种局部操作以及布尔运算，比如在某个面打孔，只需 计算出与小孔相交的面、边和点有关的位置信息即可； ( 3 ) 对几何形态相同的实体可以采用同一个的数据结构模板进行表示； ( 4 ) 便于将实体的各种特征信息附加在所采用的数据结构上。 采用b r e p 是显示的表示实体的点、边和面等基本几何元素，实体的消隐、 真实感显示算法简单、速度快，便于对实体做各种局部运算。它的缺点在于数据 结构太过复杂，需要较大的存储空间，很难保证其拓扑关系一致，对实体的整个 建模过程没有记录，因而描述能力较弱。 3 、线框模型( w i r ef r a m e ) 线框模型是用有限条线段把空间轮廓线上相邻或对应的特征点相连，形成一 系列相连的三角边或多边形，然后把这些三角边或多边形所围成的曲面连接起来 以构成一个多边形网格或者封闭的实体来模拟真实的空间物体。 线框模型由众多离散的空间线段构成面，而没有具体的面状结构，因此线框 模型具有数据结构简单、数据存储量小、模型的处理速度较快等特点，常被用于 描述地表或地形的边界。但是，由于该模型只是利用边和顶点来描述物体，只能 反映出三维物体的部分信息，构造的实体含义不确切，不便计算空间实体的体积、 面积等，难以显示透视投影中的消除隐藏线、实体的剖面图以及表达实体之间的 拓扑关系等【3 2 1 。 2 4 巷道三维数据模型 2 4 1 三维数据模型选取原则 随着三维地理信息系统空间数据模型理论和研究的快速发展，出现了许多的 三维空间数据模型的构造方法。在实际情况中所面对的三维应用是各种各样的， 因此如果研究与应用的领域不同，对空间实体的表达方法则可能存在一定的差 异，每一种三维数据模型的构造方法都会有各自的优势以及不足，同时也不可能 存在一种数据模型能适用所有情况，所以具体的数据模型构造方法必须结合实际 情况与需求来设计，但有以下几条原则是一定要遵循的【3 3 - 3 5 】： 1 0 硕士学位论文第二章g i s 空间数据模型 ( 1 ) 数据模型必须满足用户的特定需求 由于不同的用户可能将模型应用于不同的领域或者处理不同的数据类型，对 三维地理信息系统的需求往往各不相同，因此选用的数据模型必须便于实现用户 的特定的功能要求。 ( 2 ) 尽可能的减少数据存储空间 内存是宝贵的系统资源，而三维对象操作处理本身数据量就很大，所以建模 时应考虑尽量选用结构紧凑的存储方式以减少存储空间。 ( 3 ) 数据处理的过程尽量简捷高效 时间就是生命，用户都希望模型在结构上能够支持一些较快的算法，且数据 处理过程尽量简捷，以减少计算时间。 ( 4 ) 数据维护简单便利 运行维护往往是一个模型生命周期中时间最长的阶段，它需要检查模型的完 整性，定期进行维护，当数据模型发生较大变化时，也不至于牵一发而动全身。 ( 5 ) 模型之间有较好的兼容性 实际情形是非常复杂的，各种模型都有各自的优点和不足，具有其各自的应 用的条件，因此不可能设计一种适用所有情况的模型，模型之间的较好的兼容性 可以使数据具有更广泛的应用范围【3 6 1 。 2 4 2 巷道数据特点 构成巷道的一系列三维空间数据点仁，弘力是巷道三维建模的基础，从理论上 来说，这些原始数据必须具有一定的精准度，能比较客观的描述真实巷道的几何 形态。但由于巷道本身的数据特点及其数据获取的来源及方式，使得在实际的矿 井项目中要获得真实准确的巷道数据的获取却十分困难。 在数字矿山项目中，由于技术水平的限制很难把一些先进的测量方法( 如 g p s 、航测、遥感) 运用到井下，所以对井下各实物测量的仍主要采用传统的测 量方法1 2 n 由于并下的空间范围相对地表来说比较狭小，不便于三角网的铺置， 因而在许多传统的测量方法中，中线测量一直是井下测量最主要的手段，此外随 着测量技术的不断发展，采用中线测量得到的距离精度也不逊色于三角网的测量 精度。 巷道相对于矿山项目的其它要素来说其空间区域并不大，可以抽象的看做是 硕士学位论文 第二章g i s 空间数据模型 由长、宽、高组成的一个空间体域，它断面的宽度和高度被限定在一定范围内， 而它的长度则随着巷道的掘进中线的布设自始自终随着巷道的延伸而延伸。井下 沿每一条巷道都按设计的中心线进行挖掘，中心线上的点按三维坐标的形式表 达，所以巷道内的中心线是建立三维巷道的原始数据。对于整个大的矿区而言， 巷道可以被简化为线状网络，而对于一个较小的工作区域或者一条巷道而言，巷 道则是一个三维空间体域【3 7 】，这条线被称为巷道中心线，而实际情况中的地下 巷道是客观存在的一个复杂的空间体域，如果仅仅只用中心线这样的线状模型描 述这个复杂的空间体是远远不够的。巷道的断面形状、宽度、高度按照巷道的功 能的不同而不同，所以用来描述巷道断面形状的宽度高度等相关数据也是建立巷 道模型的一项重要的数据源【3 引。 依照实际应用的情况，矿井巷道的数据呈现出以下几种特点： ( 1 ) 建立巷道的数据主要来自于矿井设计和井下中线测量，通过这些直接的 测量方法得到的信息是最重要并且最准确的； ( 2 ) 中心线的布局自始自终沿着巷道，随着巷道的掘进而逐渐进行，所以测 量中线网简单勾画出了井下巷道的布置情况； ( 3 ) 随着巷道的不断掘进，对井下的测量也在同时进行，尤其在中