矿井三维模型可视化系统的设计与实现

1、矿井三维模型可视化系统的设计与实现 摘要：巷道包含了复杂的拓扑信息和空间信息， 是矿井其他信息的空间载体， 其建模尤为重要。本文针对矿井三维模型可视化的需要，设计并实现了一套 基于 Java 语言的矿井三维可视化模型。系统主要包括不同断面巷道模型的 分类和参数化构建、矿井液压支架模型的实现、巷道纹理材质库的选择、光 照选择，巷道漫游等。关键词：矿井三维可视化，JOGL，Java，巷道1 引言 数字矿山作为一种复杂的三维空间信息系统， 不仅能够存储、 分析和表达真实矿山中各 种空间实体对象的属性信息， 而且涉及大量复杂的空间定位特征及可能拓扑关系的组织 和管理。 因而，数字矿山的三维空间数据模型

2、是联结真实矿山世界和计算机中抽象的矿 山世界的桥梁 1。本研究就是对矿井三维模型可视化系统进行设计与实现。 通过数字矿山建设至少可以在以下几个方面给矿山企业带来好处：1、提高矿山企业的生产效率和资源优化；2、加强矿山的安全管理，积极的预防矿难事故；3、降低决策的风险性，提高企业快速反应能力。本文针对煤矿井下环境抽象出各类图元， 在空间上模拟真实井下系统， 实现了矿井三维 模型可视化系统 2-3 。2 JOGL 图形库Java开发的应用程序提供JOGL是Java对OpenGL API绑定的开源项目并设计为采用2D/3D 图形硬件支持。 JOGL 对 OpenGL 2.04-5 规范中的 API

3、和几乎所有第三方开发商 的扩展提供完整访问，而且集成了AWT和Swing界面组件。JOGL函数库的简单抽象要比高度抽象如 Java 3D 函数库执行起来高效的多，因为其大部分代码是自动生成的， 所以 JOGL 的升级可以迅速的与 OpenGL 升级相统一 6-8 。3 矿井三维模型可视化的设计模型按照断面分类， 可 圆形断面巷道。 各例巷道图拱形断面巷道，9。面和体是通过线复合而来的， 所以设计巷道的主10。3.1 巷道图元三维模型分析 巷道由于存在于地下， 其数据提取不像地表实体一样简单。 巷道图元与巷道图元间采用 非直线形式，以实际角度进行弧形连接。根据巷道的不同用途，其断面形状，宽度，高

4、 度也都不一样， 所以可以从巷道断面形状入手抽象出几例模型。 以简单分为矩形断面巷道，梯形断面巷道， 元根据其断面形状，自然具备其属性数据 在点线面模型中， 最基本的是点和线， 要思路为点和线的确定，然后构成面和体巷道图元的整体设计， 绘制起点设定在笛卡尔坐标系的原点，巷道向屏幕z轴负方向延伸。笛卡尔坐标系如图图3.1笛卡尔坐标系比如矩形断面巷道：矩形断面巷道需要接受的参数包括：矩形宽，高，以及巷道的长。当给定参数后开始建罠根据点绘制面，进而构成体。如上所述，构筑的起点位于笛卡尔坐标系原点，绘制 的方向为先绘制矩形左竖直面，然后按照顺时针方向，将其他面逐渐构出。3.2所示:使用OpenGL函数

5、根据点坐标绘制出三角形，然后再拼成巷道模型。如图3.2液压支架三维模型分析以相应绘制模式构建出实现各类巷道模型图3.2矩形巷道数学模型建立根据以上三维模型分析， 三角形面，继而构建成为矩形面, 的可视化建立11。在OpenGL环境下可以从点坐标入手，最终构建成不同类型的巷道模型,液压支架的型式很多。煤矿液压支架有以下属性特点，根据中间顶杠的有力伸缩，支架高度可以调节；支架前面板可以自由旋转角度，以灵活的支撑采区顶部。由此，可以在设定了其单个支架的大小后，连续排在采区进行模拟。其三维模型需要考虑以下问题： 一是液压支架的连动部分是根据其两排支柱的伸缩来控制，二是前支架面板的旋转角度可以自由设定。

6、由上分析，设支柱高度参数为Pla nkHeight，支架前面板水平旋转角度参数为 FrontPanelAngle。如图3.3所示，当支柱高低伸缩时，左边随之旋转的面板旋转角度设为LeftTurnAngle，而左边上下两块面板的旋转夹角设为InterturnAngle。此处还有一个假设数据是面板长度， 假设液压支架的上下两块面板大小一样，左边两块随动面板与上下两块面板大小也都一样。Front POiiiAlAi2J- LjnrtLanptrt* hRlankWicitliI rrtertLjrrL»nTurn AnglePlanKHoifijtTt巳旦 seO 0-1 Lf Ei【rt

7、FHonkW*cltli-VL errru rti A 丫也 le图3.3液压支柱数学模型3.3巷道图元的连接三维矿井环境下，使用已经抽象出的巷道图元，搭建走向不同的巷道时需要将巷道图元以一定的角度连接起来，从而组建成为真正的三维矿井走向图。以下是巷道俯视连接拐角图：补齐圆方法矩形连接拐角的主要功能是将两个矩形巷道图元连接起来，所需要的参数就是两个矩形巷道图元的对接参数，包括两个巷道宽度，高度，方向。将两个巷道的参数输入，就可 得到图元拐角。如图 3.4所示：1_ anA3AyrMO. 1L nnwii VWk Jtr IIl_a n «-w=> -y Wi cit h 2IA

8、/I ransitK|_ ar曰. N这种算法，称为“补齐圆法”，即使用所给参数将两巷道图元用弧形连接起来，而内外 的这两段弧形必是某圆上的一段，而这个圆唯一。根据图元连接坐标和平缓长度将圆补齐，再根据圆心角和半径求出平缓过渡的单元坐标。3.4矿井三维模型的总体设计由于三维矿井的概念是开放性的， 所以本文的设计并非是针对某一矿井， 而是根据特定 矿井实体数据构建出三维模型，将矿井巷道以及其他设备图元化，根据实体数据搭建模 型。另外，在搭建总体的三维虚拟矿井时，也需要一些其他东西做渲染辅助，如光照。系统提供两种光照方式， 散光源和点光源。 两种光源都是为模拟不同场景提供选择使用。如图3.6所示：再配合光照和交互,进行实际的巷道It图3.6构建巷道4系统运行综合显示效果就是将液压支架放入巷道的采区中, 模拟进行综合的显示。运行效果如图4.1所示：G菁迪 S 眸 EEWft駅F 1舟svKnr =北点厨r » %n祁：世UHilC -1 >9兀至"疮叭：aArt Ft f- u 雹滞的祥Jt假 «4fr =±敦A斗H 军稱IB|nVz|ll亡|riWK片屍II11 iTh和跡