矿井巷道数据提取及三维巷道可视化研究

刘　乐，樊　娟

（1.西安建筑科技大学 信息与工程学院，陕西　西安　710055； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西　西安　710000）



矿井巷道数据提取及三维巷道可视化研究

刘乐1，樊娟2

（1.西安建筑科技大学 信息与工程学院，陕西西安710055； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710000）

摘要：针对传统的获取巷道数据的方式以及巷道模型通常需要借助Surpac，Skyline，3D Studio MAX等专业软件进行三维显示等问题，文章提出通过分析AutoCAD绘制的二维煤矿平面图提取出巷道三维建模所需的基本数据，然后分析JSON格式的三维数据格式结合现有的三维建模算法得到JSON格式的三维巷道模型，最后采用最新的HTML5所推出的WebGL技术，实现了基于移动端的三维巷道可视化。

关键词：矿井巷道；WebGL；JSON；可视化

随着数字化进程在煤矿领域的发展，实现对煤矿的数字化管理、生产以及设计，并建立一个可视化的、三维的煤矿井下场景已经成为煤矿建设发展的趋势。目前巷道的三维建模以及可视化显示是通过实地测量的方式得到巷道的基本数据，然后将其导入到专业的矿山建模软件中完成巷道的三维建模和可视化显示［1］。但是对于一般的用户而言，不仅需要获取巷道的基本数据，而且还要在电脑上安装庞大的矿山建模软件；对于专业人员，也只能在PC端进行巷道的三维建模及其可视化，这给一般的使用者都带来了很多不便之处。本文采用直接对AutoCAD所绘制的二维平面图纸分析提取得到巷道的基本数据，然后运用WebGL的Three.JS渲染引擎对模型进行可视化。对于用户而言，只需要一张煤矿的平面图纸就能看到巷道的三维模型，而且WebGL技术不需要安装任何插件就能在页面上显示复杂的三维模型，这就使得巷道三维模型在移动端的可视化变为了现实，用户可以通过手机等移动设备查看巷道的三维模型，这给用户和专业的使用者都带来了巨大的便利。

1　巷道三维建模的数据来源与提取

本次试验的数据来源是DXF格式的二维煤矿平面图，如果将现有的矿井三维空间实体转化为一张平面图纸，那么必然是煤矿综合工程平面图纸，它包含了巷道、永久导线点、工作面参数、采区布置、地质构造状况、通风线路等详细信息，是整个矿井生产及安全管理的真实反映。因此，把煤矿综合工程平面图作为创建巷道三维模型的数据来源是精准、可靠的。

DXF是AutoCAD图形文件中包含的全部信息标记数据的一种表示方法，用于AutoCAD图形应用程序之间输入、输出的交互图形文件。一个完整的DXF文件由标题段、表段、块段、实体段和一个文件结尾组成。实体部分（ENTITIES）包含了所绘制图形的所有数据，其中三维巷道建模所需要的基本信息（定义直线数据的起始坐标和终点坐标），可以通过对这一部分进行分析提取，提取的流程图如图1所示。

图1　巷道基本信息的提取流程

提取出直线的起始坐标和终点坐标以及高程信息后，结合矿图文件的比例尺信息就可以计算出直线的三维空间坐标，进而得到巷道的骨架图（中心线）。

2　JSON格式巷道三维模型的生成

JSON格式是本文采用的可视化技术WebGL原始支持的三维数据格式，相比于其他的数据格式，JSON格式的轻量性、文本性和语言非依赖性令其成为了理想的网络传输格式［2］，因而本文采用JSON三维数据格式。JSON格式巷道三维模型的生成，首先是运用分段法的建模思想将完整的巷道分为直巷道、弯曲巷道和交叉巷道分别进行模拟，得到各个巷道段的线框模型；然后将其转化为JSON格式的巷道段，最后基于巷道的骨架图加载对应JSON格式的巷道段得到JSON格式的巷道三维模型，其模型生成流程图如图2所示。

图2　生成JSON格式三维巷道流程

2.1巷道的三维建模

对于复杂的巷道，采用分段法的思想将巷道分为直巷道、弯曲巷道和交叉巷道三部分进行模拟［3］。直巷道的模拟重点在于断面的模拟，本文采用应用最为广泛的直壁拱形断面，断面的模拟主要是通过离散巷道断面上的特征点的方式完成，然后将巷道断面沿某一方向进行相应拉伸得到直巷道段。弯曲巷道的模拟主要运用贝塞尔曲线完成巷道弯曲处的平滑过渡，基本思想是首先基于导线点加载巷道截面，然后离散断面上的特征点，计算出各个特征点的坐标，最后将拱形断面的相应的特征点作为贝塞尔曲线的控制点，绘制贝塞尔曲线，进而完成弯曲巷道的三维模拟。交叉巷道的建模算法［4］首选计算出相邻分支巷道的公共特征点以及相邻分支巷道相交处拱形断面上的特征点，然后将巷道出拱形断面进行拉伸完成巷道支干的模拟，最后通过连接相邻分支巷道相交处拱形断面上的特征点完成巷道交叉处底面的顶面的构建。

2.2JSON格式巷道段的生成

要完成各个巷道段的加载，首先要将上一步得出的各个巷道段的线框数据模型转化为JSON格式的巷道段，以下是各个巷道段具体的转换方法：

直巷道的转换，是最简单最基本的转换，也是弯曲巷道和交叉巷道转化的基础，通过对vertices域和faces域的构建完成巷道格式的转化，格式转化的过程如图3所示。

图3　直巷道的转换过程

vertices域（顶点）是通过将直巷道的特征点按顺序遍历完成顶点域的构建，faces域（模型的面）是根据特征点的几何关系构建相应的三角面片，由于上一步出的巷道段的线框模拟是没有材质等信息的，所以根据JSON格式的规则［5］，一个三角面片表示为：

faces ［0， V1，V2， V3， 0， 0， 0， 0， 0， 0］

根据JSON格式的规则，第一个0是二进制00 00 00 00的十进制数，表示模型的面是由三角面构成，三角面没有材质、法向量以及顶点的颜色，V1，V2，V3表示三角面对应顶点的索引，后面的6个零表示贴图的索引和顶点法线的索引。按照这种方式，构建出所有的三角面片，得到JSON格式的直巷道段。

弯曲巷道的模拟是采用Bezier插值算法实现的，巷道模拟的精度，由Bezier插值点生成线框模型的折线的线段数决定的，折线的段数越多时，巷道模拟的精度越高。生成的折线模拟方法也就是直巷道的模拟，所以弯曲巷道JSON格式的转换是通过JSON格式的直巷道段一段一段拼接而成。

交叉巷道JSON格式转化是通过将交叉巷道分为巷道支干和巷道交叉处顶面和底面分别进行转化实现的，巷道支干的转换也就是直巷道的转化，巷道交叉处三角面片的构建是根据交叉巷道建模算法得出的相邻分支巷道相交处拱形断特征点的几何关系完成的。

3　巷道三维模型的可视化

本文采用的可视化技术是WebGL的Three.JS框架，其渲染结构主要包括：Renderer、Scene和Camera。三维模型的渲染是通过首先给三维模型设置场景，然后将相机和设置好的场景加入到渲染器中完成的。通过THREE.JSONLoader（）可将巷道模型加载到场景中。三维模型的动态交互是通过鼠标事件和动画循环实现的，通过renderer.render（）方法的设置便可实现动画循环效果，巷道模型的平移、旋转和缩放等基本交互操作是通过javascript的各类鼠标事件控制相机的位置和视角实现的。在Three.JS中提供了loadTexture（），ShaderMaterial（）等方法用于对三维模型进行贴图处理。在完成巷道的数据提取、三维建模、格式转换以及可视化显示，就已经完成了本次论文的全部内容。以某煤矿某号煤层采掘工程平面图为例，实验结果巷道内部效果如图4所示。

图4　三维巷道内部效果图

部分三维巷道显示如图5所示。

图5　部分巷道显示效果图

4　结语

综上所述，随着国民经济的不断发展，物质生活水平的不断提高，使用一张煤矿的平面图纸和移动设备就可以看到煤矿巷道的三维显示，这对普通用户进和专业人士都提供了巨大的便利，加速了煤矿数字化的发展进程。

［参考文献］

［1］于慧影，黄士红.基于OpenGL的矿井巷道的可视化研究［J］.测绘科学，2013（5）：178-179.

［2］王珩玮，胡振中.面向Web的BIM三维浏览与信息管理［J］.土木建筑工程，2013（3）：9-13.

［3］刘星，刘辉.基于O3D矿图巷道三维转换Web化的设计与实现［D］.沈阳：东北大学，2010.

［4］侯建光，朱月霞.矿山巷道三维建模数据组织与算法研究［J］.国土资源信息化，2014（29）：32.

Research on Mine Roadway Data Extraction and Three-dimensional Roadway Visualization

Liu Le1, Fan Juan2
（1.School of Information and Control Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an710055， China；2.CCTEG Xi’an Research Institute， Xi'an710000， China）

Abstract：With the problem of the traditional way of obtaining roadway data and roadway models often need the help of Surpac, Skyline， 3D Studio MAX or other specialized software for three-dimensional display， In this paper， by analyzing AutoCAD drawing twodimensional coal mine plan to extract the basic data needed for three-dimensional modeling， then analyze the JSON data format and the existing 3D modeling algorithm to obtain a three-dimensional model of the roadway in JSON format， Finally， using the latest HTML5 launched WebGL technology， To achieve a three-dimensional tunnel-based mobile end visualization.

Key words：roadway, WebGL; JSON; visualization

作者简介：刘乐（1988-），男，陕西西安，硕士。