基于三维模型的采矿工程可视化教学研究

摘要：矿山巷道布置通常以平剖面图的方式绘制，对于复杂的巷道空间位置关系往往难以理解。采用三维模型模拟真实的巷道空间形态，能够较大程度上提高采矿工程教学的可视化程度。因此，结合数字矿山软件，通过绘制巷道底板中线并利用断面参数设计相应的巷道断面形状，快速建立巷道三维模型，并且能够利用浏览器插件和HSF流文件实现巷道三维模型的网络发布。通过建立巷道三维模型将平面图形扩展到三维空间，增加了直观性和真实感，还可以通过网页查看巷道三维模型进行交互式学习。

关键词：采矿工程；三维模型；巷道建模；Web3D；HSF流文件

作者简介：荆永滨（1981-），男，河南郑州人，河南工程学院安全工程学院，讲师。（河南 郑州 451191）

基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目（项目编号：13B440925）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0138-02

在“煤矿开采学”、“采煤概论”、“井巷工程”等采矿工程专业的课程中涉及到许多巷道，而巷道的布置形式是以平剖面图表示的。巷道的空间位置和巷道之间的关系，需要学生借助巷道布置平面图和某个位置的剖面图去建立，增加了教与学的难度。三维可视化技术可以再现三维世界中的物体，可以用三维图形表示复杂的信息。三维可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对矿山开拓、采准和回采等巷道进行交互式操作。[1]随着计算机图形学和互联网技术的发展，三维图形逐渐向网络发展，通过Web3D技术实现三维模型在网络浏览器上的各种交互操作。[2，3]通过巷道三维模型可以直观、准确地模拟巷道布置的空间位置，学生可以借助网络访问课程所在网页进行学习。

本文在数字矿山实验室建设研究的基础上，利用三维可视化建模技术建立巷道三维模型，并实现了基于Web3D的采矿工程网络教学平台，通过三维可视化技术真实表达巷道空间布置，增强了学生对巷道形态和空间位置的理解，提高了采矿工程教学的可视化程度。

一、三维可视化建模技术

1.矿山三维建模软件

矿山三维可视化建模是起源于矿山对于矿石资源管理和采矿设计的需求而发展起来的计算机辅助设计技术，是在三维环境下运用计算机技术将空间数据管理、实体建模以及图形可视化等技术结合起来进行分析的一门交叉学科。国内外形成了许多成熟矿山三维可视化建模软件系统，如国外的Surpac、Micromine、Vulcan、Datamine以及Minesight等，国内方面有Dimine、3Dmine、QuantyMine等。[4]利用这些软件系统可以快速建立矿山各种对象的三维模型，并对模型进行查看和编辑。

2.三维模型数据结构

目前存在的三维数据模型，从几何特征上主要分为两类类：表面模型和体模型。[5]表面模型侧重于三维空间实体的表面表示，能够以较小的数据量准确地表示复杂的实体形态。面模型主要有不规则三角网（TIN）、边界表示模型（B-Rep）、数字高程模型（DEM）、NURBS曲面模型等。体模型将空间区域分解为一组基本单元，每个体元具有已知的大小、位置和属性。体表示的模型可以表示非均匀对象的内部属性变化。体模型主要包括：构造立体几何模型（CSG）、栅格模型、八叉树模型（Octree）、四面体模型（TEN）等。

矿山三维建模软件中多采用不规则三角网面模型，将离散点按照一定的规则构造成不规则的三角网面片，用来表示矿体、巷道等三维空间实体的表面。

二、巷道三维建模原理

巷道三维模型的建立需要空间的巷道底板中心线和平面上的巷道断面线，在底板中心线的不同位置计算得到空间的巷道断面线，然后通过三角化得到巷道三维表面模型。[6]

1.巷道断面

通过所提供的巷道断面类型和尺寸，计算平面上的断面，如图1（a）所示，为巷道宽3800、墙高1800的半圆拱断面。需将其转换为一条用一系列点表示的闭合线，如图1（b），半圆部分按照相同的圆心角转换为等长的折线。圆心角越小则线段越多，从而建立的巷道三维模型精度越高，一般转换为8段即可满足可视化的要求。

2.巷道三维模型

建立巷道三维模型的第一步是将平面上的断面经过坐标转换放置在底板中心线的各个点，然后通过表面重建算法在断面之间形成一系列三角形。巷道底板中线上的断面具有相似的几何形状和相同的顶点个数，因此巷道三维模型可以采用三角形条带作为其数据结构，三角形条带是一组相互连接的三角形，相邻的两个三角形有一条公用边，因为不用重复存储三角形顶点，三角形条带比三角形列表要节省内存且效率更高。如图2所示，为利用三角形条带建立巷道三维模型。

三、Web3D技术

实现通过浏览器查看和操作巷道三维模型需要进一步利用Web3D技术。Web3D技术有多种解决方案，VRML是最早出现的Web3D技术标准，2000年之后VRML转换成X3D，加入XML、JAVA、流技术等先进技术，具有更高效的三维计算能力、渲染质量和传输速度。随后出现诸如Cult3D、Viewpoint、Shout3D和Java3D等网络三维图形技术软件和开发工具包。Web3D技术的实现主要包括三维建模、图形顯示以及三维场景中的交互技术三部分。[7]因此，本文利用Dimine数字矿山软件，建立巷道三维模型，然后将其转换为开放源格式的HSF流文件实现模型的网络发布，其流程如图3所示。

1.HSF流文件

HSF是在OpenHSF中心的倡议下，全行业努力建立的一种通用开放格式，用于不同应用程序之间的可视化数据交换。通过支持HSF格式，应用程序能够与其他支持HSF的应用程序交换2D/3D模型。[8]①

使用HSF 格式作为巷道三维模型网络浏览的文件格式，其优势主要表现在丰富性、高压缩性、稳定性及开放性和扩展性。HSF规范支持一套完整的2D、3D、光栅和文本基元，还支持用于流式传输的多分辨率对象和大型模型的可视化。HSF支持文件范围和特定几何形状的压缩机制，能够减少文件的大小和互联网传输时间，从而使其更加易于流传输。HSF随着时间的推移保持相对不变，因为其独立于应用程序并且具有内置的可扩展性。HSF的可扩展性通过使用语法扩展机制和一套.hsf文件读取规则提供，未知的语法扩展会被忽略。例如，在.hsf 文件中添加的新操作码，会被旧版本HSF读取程序忽略。

2.HOOPS 3D流控件

经过文件格式转换后的巷道三维模型HSF文件通过HOOPS 3D流控件实现三维模型的网络发布，其流程如图3所示。HOOPS 3D流控件是在HOOPS 3D框架上开发的基于ATL创建的ActiveX控件，封装了HOOPS视图和模型对象，不仅支持HSF流文件，还包含多种场景交互方法。HOOPS 3D流控件嵌入在网页中，然后通过JavaScript等脚本语言设置控件属性和处理事件，用户通过IE内核浏览器访问含有该控件的网页时，自动下载安装控件，即可通过空间显示巷道三维模型并进行交互。

3.巷道三维模型的网络发布

设计网页时，在网页中添加相应的代码嵌入HOOPS 3D流控件和三维模型的HSF流文件，并通过JavaScript脚本语言设置相应属性来实现。可以设置的属性包括交互方式、显示对象、选择对象颜色、镜头、渲染以及动画等属性。

四、教学模型实例

结合单一煤层走向长壁采煤法上山采区巷道布置的平剖面图，建立对应的巷道三维模型。

1.底板中心线矢量化及坐标调整

将采区巷道布置平剖面图扫描成位图图像格式文件，然后在AutoCAD 中以光栅图像的方式插入，选择水平或垂直的线作为校正线对位图进行校正，在AutoCAD中利用描图的方法绘制底板中心线。在AutoCAD中绘制的底板中心线是平面图形，而巷道建模所需的是表示巷道真实位置的空间线，因此，需做进一步调整。将AutoCAD文件导入Dimine软件中，利用软件提供的线编辑命令结合剖面图，首先对上山的坡度进行调整，然后调整相应的水平巷道、联络巷和车场等巷道。

2.建立巷道三维模型

利用Dimine软件提供的巷道断面设计功能模块，提供巷道断面参数建立不同类型的巷道的断面，见图4。分别为每种类型巷道的底板中心线选择相应类型和尺寸的巷道断面，利用巷道建模功能建立巷道三维模型，并在相应位置进行文字标注，如图5为模型中区段运输平巷和上山的位置。建立的巷道三维模型进一步通过前文所述方法嵌入网页，如图6所示，为通过浏览器访问包含单一煤层走向长壁采煤法上山采区巷道布置三维模型的网页。

五、教学效果

在三维模型应用与采矿工程专业课程的教学中，通过真实表达的巷道空间位置以及相互之间的关系，增强学生的接受度和对知识的理解能力。此外，通过随时浏览器访问巷道三维模型所在网页，对模型进行交互式操作，提高学生学习兴趣和对知识的复习效果。实践表明，三维模型及其网络发布为教学提供了可视化的教学资源，提高了教学效果和质量，并能够实现教学资源的共享。

注释：

①参见http：//www.techsoft3d.com的内容。

参考文獻：

[1]吴立新，殷作如，邓智毅，等.论21世纪的矿山——数字矿山[J].煤炭学报，2000，（4）：337-342.

[2]丁伟，刘明举，钱省三，等.基于VRML的虚拟巷道系统[J].计算机工程与应用，2003，（15）：39-41.

[3]郝秀强，郝晋会，马斌.基于Web的采矿工程三维可视化系统框架[J].中国矿业，2007，（5）：92-94.

[4]姜华，秦德先，陈爱兵，等.国内外矿业软件的研究现状及发展趋势[J].矿产与地质，2005，19（4）：422-425.

[5]李仲学，郝晋会，李翠平，等.矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术[J].北京科技大学学报，2007，29（7）：651-654.

[6]王凤林，王延斌.巷道三维建模算法与可视化技术研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2009，（1）：91-94.

[7]Chittaro L，Ranon R.Web3D technologies in learning，education and training[J].Computers & Education，2007，49（1）：1-2.

[8]卫刚，李启炎，赵卫东.基于HSF的数字城市模型Web发布[J].工程图学学报，2008，（3）：69-73.

（责任编辑：王意琴）