矿井巷道时空数据模型研究及其动态建模

邵亚琴，汪云甲，李永峰

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

随着数字矿山的不断建设，三维矿山地理信息系统(3D Mine Geographical Information Systems，3DMGIS)得到了广泛的研究和应用。在地下开采中，矿井生产系统是重要组成部分，巷道作为矿井生产系统的主体，是采矿过程中煤炭运输、安全通风、工人输送的通道，也是各种生产、检测设备的载体，其信息实现动态的更新、管理和建模，成为时态地理信息系统(Temporal Geographical Information Systems，TGIS)研究的热点，在矿山生产组织、灾害预防、资源评估与管理、矿山开采监管和越界开采监控等方面都有强烈的应用需求。

本文从时态三维矿山地理信息系统(T-3DMGIS)出发，研究一种面向巷道的时空数据模型，建立时空数据库并实现动态三维建模。

1 时空数据模型

为了有效组织和管理时空数据，需要建立一种使其属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型，能够有效地提高时态地理信息系统的运行效率和分析能力。

针对不同特点，国内外学者先后提出了多种时空数据模型，包括基态修正模型、序列快照模型[1]、时空复合模型、面向对象的模型[2-3]、基于事件的时空数据模型[4]、时间立方体模型[5]等。

基态修正时空数据模型以其存储冗余量低、表达地物变化充分、变化分析容易、在实际开发中较易实现等优点得到了广泛应用[6]。基态修正模型的基本原理是将某一时刻的状态作为基态，以后只记录相对于基态的变化量，即可推出某一时刻空间对象的变化状态。

基于事件的时空数据模型认为各时刻状态信息一旦发生变化则定义事件的产生，通过引入事件概念辅助于基于位置和面向对象的分析方法进行时空数据的时态分析。其优点是以事件作为数据模型的变化和更新单位，在时空拓扑关系的分析上使对象更明确。

2 矿井巷道的特点及其动态变化分析

煤矿开采分为两种形式，包括露天开采和地下开采，其中煤矿地下开采需要开凿一系列井巷，包括煤巷和岩巷，通过井巷进入地下煤层后进行采煤，所以地下开采也称井下开采。

矿井巷道作为地下开采最重要的空间实体之一，其种类很多，也有不同的分类方法。如果按其空间位置分类，则可分为竖直巷道、水平巷道、倾斜巷道和硐室。其中，竖直巷道包括竖井、小井和暗井，竖井是进入地下的主要垂直巷道，一般位于井田中部，主要承担运输、通风的任务；水平巷道包括平硐、平巷、石门、煤门等，平巷一般在煤层中或岩层中沿着其走向进行开掘，石门则垂直或斜交于岩层走向；倾斜巷道包括斜井、上山、下山、溜煤眼、开切眼，斜井是进入地下的主要倾斜巷道，上山位于开采水平之上，沿煤层或岩层从主要运输大巷由上而下开掘的倾斜巷道，下山的位置和开掘方向与上山相反，开切眼则是连接区段运输平巷和区段回风平巷的斜巷，准备开采的采煤工作面[7]。

矿井巷道的种类繁多，空间关系错综复杂，形似空间网络模型，在矿井建设和采煤过程中不断更新和变化，为了实时更新巷道的数据库，利用其时空关系实现科学的管理、应用和可视化，必须建立适合巷道自身特点的时空数据模型，并具备合理的时空拓扑表达[8-11]。

3 基于事件的基态修正巷道时空数据模型

针对矿井巷道的时空特点，以基态修正模型和基于事件的时空数据模型为原型，兼顾两种数据模型的优点，将引起基态的变化量视为事件的发生，在三维巷道模型中引入时间信息[12]，构建基于事件的基态信息与变化信息之间的映射关系[13]，记录巷道的变更时间，通过事件发生的时间序列组织变更文件，实现巷道数据随时间变化更新、显示、管理和建模。

3.1 数据源

井下导线点是巷道最直接的数据源，一般分布在水平、采区、工作面、巷道、左帮、右帮，获取导线点三维坐标后通过巷道中线逼近算法，计算出巷道中心导线点的三维坐标，存储在数据库中。

3.2 巷道时空数据模型的数据组织

源于地理信息系统的网络概念，ArcGIS软件所涉及的网络，由一组不同类别的要素组成，这些要素可以度量，并能用图形表达成网络，构成几何网络的要素被限制存在于网络中，ArcGIS自动维护几何网络内网络要素之间的基于几何的一致性拓扑关系。该几何网络包括边线和交汇点，其中边线可以代表巷道，交汇点可以代表巷道交点，根据这个简单的思想，就可以将井下巷道抽象为边线和交汇点，将巷道抽象为单线网络模型，并赋予高程和时间[14]。

巷道时空数据模型有两种数据组织形式，可以以“点”为单位进行数据组织，即按照几何网络模型，使用“交汇点”组织数据，一条巷道由一系列有连接关系的交汇点构成，把巷道的相关参数存储在交汇点的属性表中，而顶板标高可存储在交汇点属性表中，也可将顶板标高直接存储在交汇点“Z”坐标中。

如果以“边”为单位进行数据组织，就可以将一条巷道抽象为一条或者多条线段。由于一条巷道对应唯一的截面、名称和编号，这些参数同样可以存储在“边”的属性表中。在ArcGIS的数据组织方式中，“Polyline Z”类型的线要素类就可以存储线顶点的三维坐标。将“边”要素类型设置为“Polyline Z”，就可以将顶板标高存储在各顶点中。

3.3 巷道时空数据模型的基本元素及其时空拓扑关系

基于GIS网络数据模型的思想，把巷道中线抽象成GIS理论中的几何网络边线，而网络边线由一系列的节点和结点组成，同时在巷道拓扑关系建立以后生成的交汇点作为巷道几何网络模型的一个重要元素。每一个基本元素都有对应的创建时间(set up time)，任一时刻的巷道网络都由以下四类基本元素组成。

结点(Crunode)：结点是巷道线的端点，包括起结点和终结点，如图1中的点1、点2、点3、点4、点5、点6、点7和点8；部分结点又是巷道线的交汇点，如点2(4)和3分别为巷道Ⅰ和巷道Ⅱ、巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交汇点。

图1 巷道几何网络拓扑关系示意图

节点(Node)：对于一条巷道，除了两端的结点以外，其内的点都属于节点(如点a、点b、点c、点d、点e)。导线已经逼近成巷道中线，因此，节点和结点都是中线上的点。由于巷道空间关系的复杂性，一个点还有可能具有节点和结点双重属性，如巷道Ⅲ的节点c又同时为巷道Ⅱ的结点3，巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交汇点A。

巷道中线(Laneway)：在巷道网络中，各巷道抽象为巷道线。一条完整的巷道由巷道线构成，它没有分支，其基本组成元素是由各中线点连接而成的弧段。巷道的创建时间开始于始结点(Begin Crunnode)，结束于终结点(End Crunnode)，以结点创建时间标识巷道的创建过程，能充分反映在采煤过程中巷道掘进的动态变化。

交汇点(Junction)：在由巷道中线数据集生成巷道几何网络时，要进行拓扑求交，生成的巷道线与巷道线的交点即为交汇点，一般情况下巷道交汇点可以为巷道结点或节点，分为联通和非联通的两类。

巷道几何网络模型可以通过如下数据结构存储在Geodatabase数据库[15-16]中。

1) 结点与巷道的时空拓扑关系见表1。

2) 节点与巷道的时空拓扑关系见表2。

3) 巷道与结点和节点之间的时空拓扑关系见表3。

4) 交汇点与巷道之间的时空拓扑关系见表4。

表1 结点与巷道的拓扑关系

表2 节点与巷道的拓扑关系

表3 巷道与结点和节点之间的拓扑关系

表4 交汇点与巷道之间的拓扑关系

3.4 巷道几何网络模型的生成

由于巷道是实体模型，具有宽度和高度，所以要根据巷道中线的空间位置，计算巷道间的空间距离d及阈值λ(λ根据巷道的形态而定)，通过编写程序自动判别并建立几何网络的拓扑关系，进而生成巷道几何网络模型，见图2。图3为某时刻单线巷道生成的三维巷道几何网络模型。ArcObjects组件库提供了组件类(CoClass，可以直接创建对象)GeometricNetwork、ForwardStar等和抽象类(Class，在ArcObjects组件库中它不可以直接创建对象)Network等以及它们实现的接口，通过IGeometricNetwork接口的IRule方法，可以设置巷道几何网络生成的具体规则，生成了单线巷道几何网络模型，并将相关数据导入Geodatabase数据库中。

图2 单线巷道生成二维巷道几何网络模型

图3 单线巷道生成三维巷道几何网络模型

4 巷道动态三维建模

4.1 建模原理

ArcGIS平台不但为巷道时空数据提供了有效的Geodatabase数据库，Multipatch(多面片)作为ArcGIS中一种新的要素专门用来描述三维实体表面。本文在建立巷道时空数据库后，利用ArcGIS Engine组件式技术完成巷道的动态三维建模。通过IGeneralMultipatchCreator接口创建Multipatch，需要设置纹理坐标点、材质列表、Multipatch顶点、组成Multipatch面的类型等，例如要创建建筑物的墙体(四个面)，程序如下所述。

IGeneraMultipatchCreator pCreator =new GeneralMultipatchCreatorCalss() as IGeneralMultipatchCreator;

PCreator.Init(20,4,False,False,False,20,pMaterialLis);

∥该Multipatch 共20个顶点，4个面，20个纹理坐标点

pCreator.SetPoint(0,pPoint1);∥ 设置第一个面的顶点坐标，Index 0从开始

pCreator.SetPoint(1,pPoint2);∥ 设置第二个面的顶点坐标，依次类推

……

pCreator.SetPatchType(0,esriPatchTypeRing);∥设置第一个面的类型

……

pCreator.SetTexturePoint(0,pTxLL);∥设置第一个面的纹理坐标点

……

Multipatch pMultipatch=new pCreator.CreateMulitiPatch();∥生成Multipatch

4.2 按时间轴显示三维巷道模型

基于事件的基态修正巷道时空数据模型，将时间引入巷道模三维拓扑关系，随时记录巷道的变更时间，通过事件发生的时间序列组织变更文件，更新巷道时空数据库，实现了巷道数据随时间变化更新、显示、管理和建模的目的。在巷道建模过程中，根据巷道创建时间在巷道时空数据库中选择需要显示的三维巷道模型，依据上面提出的建模方法，可动态建立和显示不同时间节点的三维巷道模型，图4和图5为巷道不断增加和开拓过程中两个不同时刻矿井巷道的三维模型。其中t1时刻是该矿520采区N2-4工作面正在开采，t2时刻是该矿520采区N2-5工作面正在开采。

图4 t1时刻巷道三维模型

图5 t2时刻巷道三维模型

巷道动态建模的实现，更加直观的将巷道随时间的空间动态变化展现出来，为矿山企业在矿山生产过程中的开采进度和开采界限监测提供了直观有效的方法，同时为管理部门针对越界开采等非法开采行为提供了有效的监管手段。

5 结 语

基于图论基本原理，本文充分利用ArcGIS平台提供的Geodatabase几何网络模型建立了巷道时空数据模型，融合了基态修正模型和基于事件的时空数据模型的基本思想，将时间引入巷道的三维拓扑关系，达到了巷道数据随时间变化更新、显示、管理和建模的目的，实现了按时间动态生成Multipatch三维巷道模型。矿井巷道时空数据模型的建立，强调了时间与空间的密切联系，对于矿山动态开采、动态管理和动态监测等提供了有效的技术途径。鉴于矿

井巷道时空数据模型及时空数据库的完成，建立矿体时空数据模型并进行矿山非法开采和越界开采监管，是本文进一步研究的主要内容。

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