基于Ogre引擎的三维数字矿山管理系统设计与实现

朱炜鹏　张宁　李成建

【摘 要】本文以数字矿山原理为基础，利用三维GIS、虚拟现实等技术手段，构建出湖南省资江煤矿的三维可视化和虚拟环境平台。真实反映该矿山地上地下场景、采矿过程及其引起的相关现象。并在此基础上，对矿区现有各类信息、安全系统进行集成管理，解决数字矿山建设管理过程中基础信息不足、信息孤岛等问题，为煤矿安全生产和管理提供技术支持。

【关键词】数字矿山；虚拟现实； OGRE；集成管理

【Abstract】Based on the principle of digital mine， it uses the technology such as 3D GIS and virtual reality to construct a 3D visualization and virtual environment platform for Hunan Zijiang mine. It truely reflects the surface and underground scene， the mining process and related phenomena. On this basis， it not only provides an integrated management for the mining area of various existing information and the security system， but also solves the problem of insufficient basic information in the process of digital mine construction management and information island. Moreover， it provides technical support for coal mine safety production and management.

【Key words】Digital mine；Virtual reality； OGRE；Integrated management

0 引言

自1999年首届“国际数字地球”大会提出数字矿山（Digital Mine）概念以来，三维数字矿山信息系统作为数字矿山技术的一个具体应用，已经成为国内外学者的研究热点。三维数字矿山信息系统是针对矿山信息的复杂性、海量性、异构性和多尺度等特点，构建统一的综合信息系统平台，以实现矿山数据的可视化集成，达到矿山信息共享和互操作的目的，为采矿勘探和生产提供决策支持[1]。另一方面，为了加强矿山的日常安全生产监管和应急救援保障，安监总局相关文件要求，2013年金属非金属矿山必须建设完成安全避险六大系统。由于在实际的建设过程中，这些系统多数是独立分期建设，自成体系，各系统间的数据信息难以共享。因此，矿山迫切需要对各系统进行统一集成管理。

本研究选用湖南省资江煤矿为具体研究对象，以数字矿山的三维可视化和虚拟环境为平台，真实反映矿山地上地下场景、采矿过程及其引起的相关现象。并在此基础上，对矿区现有各类信息、安全系统进行集成管理，解决数字矿山建设管理过程中基础信息不足、信息孤岛等问题，为煤矿安全生产和管理提供技术支持。

1 系统结构及设计思路

三维数字矿山管理系统结构主要分为三个部分：数据库建设、矿山三维引擎封装和应用系统开发与集成。系统框架如图1所示。创建基础地理空间数据库，对资江煤矿各类实测数据进行分类整理后入库。在保证数据来源真实可靠前提下，真实模拟出资江煤矿地上地下场景，包括矿区建筑、井巷系统、煤层分布、钻孔与采掘工作面等，构建出真实的矿区三维全息化场景。在此基础上，充分利用和整合矿山现有的安全监测、人员定位等安全生产管理系统，对各孤立系统进行集成，实现信息有效共享与统一管理。

1.1 矿山基础地理信息数据库建立

由于矿山建设时间长，涉及到的数据种类繁多，数据量大并存在周期性更新等特点。因此，在矿山三维信息系统建设之前，需要对矿山提供的各类不同专业的数据进行分类处理，统一格式及坐标信息，并建立基础信息数据库以供存储，方便在后期系统的直接调用。建立的数据库需要满足海量存储，数据结构清晰，便于检索与更新等要求。主要的存储内容如下：

（1）矢量数据：矿区1：2000实测地形图、煤层底板等高线、巷道导线点、钻孔坐标等数据。

（2）栅格数据：矿区数字高程模型（DEM）、矿区数字正摄影像图（DOM）。

（3）模型：主要包括矿区的地表建筑物和井巷生产监测设备等，由3ds Max、SketchUp 等软件创建模型，导出为.mesh格式供系统使用。

（4）元数据：是用来描述数据的数据，主要包括对数据集的描述，对各项数据来源、数据所有者以及数据序代（数据生产历史）等的说明，通过元数据可以有效地利用计算机系统资源进行数据库检索，提高系统使用效率[2]。

1.2 三维可视化引擎设计

三维引擎设计和开发是三维矿山可视化平台构建的核心和基石。它是独立于外部资源，具有一定完整功能的底层函数集；它将数字矿山三维可视化中关键通用技术进行整理和封装，构建出面向三维矿山应用的模块框架，优良的三维引擎设计对于三维矿山系统的功能开发以及扩展有着至关重要的影响。

目前主流的三维图形库有Direct X、OpenGL等。本研究选用的是开源的Ogre库。Ogre（Object-Oriented Graphics Rendering Engine，即：面向对象图形渲染引擎）是一个用C++开发的面向场景、非常灵活的3D引擎，它旨在让开发人员更容易、更直接地利用硬件加速的3D图形系统开发应用。这个类库隐藏了底层系统库（如：Direct3D和OpenGL）的所有细节，提供了一个基于世界对象和其他直观类的接口[3]。本研究在基于Ogre引擎基础上，进一步封装一套较为完善的针对于矿山应用的基础类库，其模块结构如图2所示。

2 三维模型生成

三维数字矿山系统是对地形、地上实体以及空间实体进行集成描述、建模、分析与管理的可视化信息系统，在三维空间建模过程中，需要对上述实体进行三维集成表达和整体数据管理。本系统主要采用3ds Max软件工具建模和代码建模两种方式。主要对象建模方法有：

2.1 地表模型

地形表面的模拟是以地面数字高程模型（DEM）为基础，建立地形基础模型的不规则三角网（TIN），在此基础上附加高分辨遥感影像作为纹理。

2.2 建筑模型和矿井设备模型

利用在3ds Max中建好的模型，导出为引擎支持的.mesh格式，加载到系统场景中。

2.3 煤层建模

煤层建模是以煤层底板等高线图为基础，沿等高线采集数据点，对采样数据进行克里格插值加密，构建出不规则三角网模型，并附上煤样纹理。

2.4 井巷模型

以全站仪实测巷道拐点数据为基础，提取巷道中心线数据，然后再以各个中心线上的点为基准向外偏移，扩展得到巷道截面模型顶点，最终生成巷道的网格模型。

3 系统功能开发与集成

三维数字矿山信息管理系统是在现有的引擎基础上，引入矿山建设、生产及管理等各类实际数据，搭建出能真实模拟还原矿山整体面貌的系统平台。在三维全景展示矿区生产建设场景基础上，充分整合矿山现有安全监测、人员定位等安全生产系统信息，实现与各相关系统的统一集成管理。三维数字矿山信息管理系统的主要功能有：

3.1 三维漫游与浏览

基于矿山测量真实数据建立出精细矿山三维模型的展示，提供场景平移、缩放、飞行、旋转以及属性查询等操作工具，实现矿山的虚拟漫游和浏览。

3.2 空间量算功能

系统提供了基本的空间量算功能，包括点位量算、距离量算和面积量算等。

3.3 视频监控

在三维矿山系统中接入矿区的工作面、进出口等重点区域的实时监控视频，在虚拟环境中接入真实影像，虚实结合的方式，更加有利于系统的高效监控与管理。

3.4 安全监测

在三维可视化平台中集成安全监测设备，提供设备相关信息查询。并接入现有安全监测系统实时信息，监测各主要巷道的瓦斯（一氧化碳、甲烷等）含量以及温度、风速等环境参数，对于超限或危险数据及时监测报警。

3.5 人员定位系统

湖南资江煤矿已建设完成的人员定位系统是通过在主要巷道内设置基站，通过人员识别卡准确获取员工通过某区域的坐标、时间等信息。这也是目前多数矿山采用的位置收集方式。接入矿区人员定位系统后，可以及时、准确的在三维环境中反映出井下人员的位置信息、区域分布，并可以查询井下人员历史轨迹，使得管理人员可以随时掌握井下人员信息，方便、高效地调度管理，同时也可作为日常人员考勤系统的依据。

3.6 钻探救援分析

当井下巷道发生各类事故时，能迅速判定事故点位置，指示出垂直地表点的具体位置坐标。以坡度、距离、地质条件等因子综合分析在指定范围内地表最适宜救援点的位置，供钻探救援使用。

3.7 最短路径查询

指定巷道内任意两点位置，自动规划出两点间的最短路径。对于路径查找，寻找避灾硐室等具有指示作用。

4 结束语

三维可视化技术的应用是矿山信息化管理中的重要一环，本研究依赖于湖南省资江煤矿的实际生产建设数据，构建出较为完善的三维数字矿山管理系统，真实客观反映了矿区生产建设情况，有效整合资江煤矿的各类地测与安全监测信息，实现了矿山信息的可视化集成，可以为矿山生产决策与矿山救援提供帮助。

【参考文献】

[1]僧德文，李仲学，等.数字矿山系统框架与关键技术研究[J].金属矿山，2005（12）：47-50.

[2]安力立，陈建平，等.三维数字矿山信息系统的集成与研发[J].地质学刊，2012，36（3）：180-184.

[3]孙益辉，陈福民，王海峰.一种基于Ogre图形引擎的实时分布式渲染系统[J].计算机工程与应用，2008，44（31）：102-104.

[责任编辑：曹明明]