基于3DGIS的可视化矿山平台建设研究

郭向前，王良民， 郝伟涛

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450006；2.河南省地质勘查信息化工程技术研究中心，河南 郑州 450006）

随着计算机科学与空间信息科学技术的发展，以及“数字地球（digital earth）”、“数字中国”与“数字城市”等术语的提出，信息化与网络化成为各行业数字化的重要基础手段，在产业应用中发挥着重要作用。数字矿山（digital mine）等概念及相关的理论和技术研究已被纳入了工业信息化的课题。在这一大环境下，企业信息化建设正处于一个关键性阶段。

近十年来，我国矿山信息化发展迅速，特别是大型矿山企业对信息化的需求较大，然而煤炭行业信息化应用整体水平并不高，对硬件设备的需求仍然占据了主要部分。随着煤炭行业信息应用水平的不断提高，软件应用越来越受到煤炭企业的重视。矿山信息系统的实施，极大地改善和促进了煤矿的安全生产管理和决策，为实现高产高效、安全生产和绿色生产的和谐目标提供了技术支持。

1 概 述

基于3DGIS技术的可视化矿山及建设是一套完全基于网络的三维空间数据交互式可视化解决方案平台，它可以快速集成多源数据，更新数据仓库，有效支持大型数据库和实时信息流通信技术。

在网络技术、地理信息系统技术、虚拟现实技术等基础上，利用获取的地面钻探数据（钻孔数据、断层数据、地层数据）、三维地震数据、测量数据、数字影像数据、地形图数据等，构建包含各种复杂地质构造（正断层、逆断层、陷落柱、含水层、老窑区等）的高精度三维地质模型，模拟出矿井中自然实体和人工实体等在三维空间中的状态。

用户在虚拟的可视化矿山中，可以与地表和地下各种虚拟实体进行动态交互，如进行修改、编辑、剖切、查询等；可实现与二维GIS系统的无缝集成，将掘进巷道、回采工作面位置等三维动态空间数据实时发布。

在高精度地质模型基础之上，可实现掘进工作面灾害（陷落柱、采空区、老窑区、断层等）预警、生产辅助管理、生产运行系统的调度集成等应用，如通风线路模拟、生产进度模拟、设备属性查询；通过访问其他系统（如瓦斯监测系统、水文监测系统、束管监测系统、人员定位系统等）的数据，可以显示瓦斯监测和人员定位的实时数据，可浏览和查询井下设备的各种参数和实时状态信息。

2 数据仓库

利用矿山开采、地理信息系统、空间数据仓库的最新技术，设计可视化矿山的数据模型、数据结构、分析模型等，设计满足煤矿生产辅助管理、运行集成调度的专用系统平台框架，实现专业数据的分析和处理，实现系统与监测监控、自动化设备、其他应用软件信息的共享。

2.1 矿山数据仓库

1）基于图层的海量空间数据分类管理。根据地质、水文、通风、采矿、综合自动化、在线检测等行业规范，构建具有相同属性要素的同类空间实体的图层分类标准，并实现相应的数据动态管理。

2）基于图层的实体分割线性八叉树索引。针对每个图层建立一个空间线性八叉树索引，即把每个图层作为立体索引空间，并计算包围实体的区域所在八叉树的标识。利用这些标识，结合系统的状态参数，过滤相关图形实体，从而达到减少计算量，提高系统运行速度的目的。

3）空间数据仓库的构建。空间数据仓库主要由空间数据库和空间元数据库组成。前者主要包括图形库、图像数据库、属性数据库和专业模型数据库（如地测模型数据库、通风模型数据库、采矿设计模型数据库、决策支持模型数据库）的组织、管理、综合分析和事务处理；空间元数据库是完成空间数据库组织、管理、分析等元数据的组织与管理，也是专业应用GIS程序元素数据库和空间服务元数据库。

4）空间数据库引擎的设计和开发。采用标准规范进行接口的设计，对关系数据库（如MySQL、SQL Server）进行接口封装；采用IOCP技术实现并发操作；客户端和服务器端缓存技术研究，使检索、编辑操作效率最大化；数据传输格式的设计，采用二进制数据+Protocol Buffer表现数据来传输，这将保证数据量足够小的前提下能够对数据进行解释。

2.2 系统总体架构设计

煤矿3DGIS可视化矿山系统的总体架构设计如图1所示。

图1 煤矿3DGIS可视化矿山系统总体架构图

从图1可以看出，整个系统由四大模块组成：数据管理、三维几何建模、三维综合管理基础平台和专业应用。其中，数据管理在数据仓库基础上为整个系统提供数据；三维几何建模采用三维的数据模型和数据结构表达地层、巷道和设备；三维综合管理基础平台利用一系列的虚拟现实技术构建虚拟的矿山环境，使用户产生身临其境的感觉，并能与虚拟环境进行交互，是系统运行的基础环境；专业应用包括高精度地质模型可视化表达、二三维一体化联动、生产辅助管理、生产运行系统集成调度、分析预警等多个方面。

3 三维综合管理基础平台

三维综合管理基础平台与煤矿专用二维GIS平台基于统一的地理空间数据库设计，确保从数据处理、数据更新、可视化、空间分析、业务定制等方面实现二三维一体化。

平台支持分布式海量空间数据存储，利用三维空间数据的分布式存储引擎能够高效地对图形图像数据进行存储、管理和查询操作。同时利用先进的图形引擎技术，支持多纹理光影渲染烘焙和动态光影、复杂数学模型扩散计算、大规模三维模型同屏、超大密度厂矿设备群等内容。

基础平台采用组件式开发，提高平台二次开发效率，开放有标准组件通用接口，提供网络支持。

1）三维模型可视化模块。实现工业广场主要建筑物、道路、绿地、树木、煤仓、井口等的建模与可视化，如图2、3所示。

图2 工业广场三维可视化

图3 副井井底车场

实现井口、井下主要巷道、采煤设备、运输设备的建模和可视化，如图4所示。

图4 井口三维可视化及其漫游

将工业广场可视化与巷道及各煤层三维可视化叠加，形成一种新型的井上下对照图，即三维井上下对照图。

2）模型导入模块。实现了地表工广、建筑、树木等3DMax数据，三维地测建模数据的导入和导出，如图5所示。

图5 地表工业广场导入和可视化效果

3）三维模型数据库模块。系统提供三维模型数据库，通过对各类模型的管理，方便虚拟场景的构建。用户对模型进行交互式操作，可以快速搭建三维虚拟场景。

4）场景设置模块。实现各种三维场景属性的配置。包括图层设置、指南针设置、背景颜色设置、显示方式设置、图片导出、地理网格、天空盒等功能。

5）场景匹配模块。通过交互编辑，平移、旋转等，将3DMax模型、自动生成的地测模型、天空球、地层轮廓等无缝匹配到一起。

6）图层控制模块。场景中的各种数据都是分层组织和管理的。包括图层可见性、图层颜色和材质、图层碰撞监测、图层渲染序列号等。

7）视图控制模块。实现三维场景中的视图控制，如视图平移、视图旋转、视图缩放、顶视图、底视图、前视图、后视图、左视图和右视图，显示模式等。

8）对象编辑模块。实现了对三维实体的鼠标选择、框选择、移动、旋转、缩放、模型拉伸、实体剖切等。

9）属性信息查询模块。查询三维实体的相关图片、参数等属性信息。可以弹出对话框，也可以进行超链接等。

4 高精度地质模型可视化表达

将井下地测基础图形自动生成井下地层、巷道、钻孔和采空区的三维模型、并建立拓扑关系，同时更新二维和三维数据。

1）地层三维可视化。系统利用复杂地质条件下三维地质模型建模技术，利用点数据（如钻孔、探煤点、导线点、实际煤层底板修改数据等）和边界数据（如断层、陷落柱、矿区边界等），能快速生成各个煤层和其他地层的三维模型。

2）钻孔自动建模。将地质钻孔、灌浆孔、水文观测孔、瓦斯抽放孔、排水孔、电力电缆孔、水文地质钻孔、井下疏放水钻孔等数据自动生成三维模型。

3）断层建模。将断层、陷落柱、断裂、向斜轴、背斜轴、反转轴、岩浆侵入等数据自动生成三维模型。

4）巷道建模。将井筒、巷道、硐室、采空区、工作面、煤仓、水仓等井下数据自动生成三维模型。巷道空间形态可视化、巷道断面可视化、巷道内部及设施可视化等。

5）积水区、陷落柱等建模。基于现有采掘工程平面图、水文地质图、瓦斯地质图等上圈定的区域，实现含水层、富水层、煤层、陷落柱、断层、高瓦斯区、突水区、老空区、采空区等自动建模。

5 二三维一体化联动

整合二维GIS系统数据，有效控制煤层、断层、陷落柱、老窑区、老巷，甚至瓦斯、水的空间位置，实时修改、增删数据，实现编辑数据的自动更新。

1）巷道、工作面二三维联动。巷道、工作面联动是在二维图中创建巷道、工作面，同时三维系统接受服务器数据后在场景中自动进行巷道、工作面的创建。

2）煤层二三维联动。二维创建煤层，三维系统接受服务器传来的数据，便自动生成三维地层模型。

6 生产辅助管理

通过矿山三维漫游查看、三维地质模型剖切和辅助设计等功能实现生产辅助管理。

1）矿山三维漫游查看：三维漫游是矿井虚拟现实系统的主要功能。包括系统提供自动漫游和手动漫游两种漫游浏览方式。

自动漫游：用户可以通过自定义视点的位置、方向、高度、俯仰角和漫游速度来自动漫游三维场景。

手动漫游：系统提供鼠标、键盘或操纵杆控制，实现三维场景的任意浏览。

分层次实时显示生产与安全综合动态工况。实现工业广场主要建筑、道路、绿地、树木等的漫游。实现井口、井下主要巷道、掘进、回采动态信息管理，实现采煤设备、运输设备的动画现实。

2）储量计算：在煤层框选区域，自动计算该区域的面积、容重、平均厚度、体积、储量等。

对于高精度三维地质模型，其辅助设计的功能主要是储量计算。用户可以根据设计参数圈定煤层区域，系统则自动计算该区域的面积、容重、平均厚度、体积、储量等。

7 生产运行系统的集成调度

系统接入采、掘、机、运、通等生产运行数据，利用三维空间拓扑关系，提供一体化生产运行系统集成调度指挥界面，使决策者快速掌握所关心的企业运行数据。

1）井下环境监测信息实时显示。系统可以将井下瓦斯监测、防治水监测、束管监测、顶板压力监测、顶板离层监测等实时监测数据在三维环境中直观地进行展示。

2）综合自动化信息管理。在三维环境下，可以通过鼠标点击查询各种设备的基本参数（如设备编号、型号、规格、生产厂家、购买日期、单价、使用年限、安装地点、责任人等）和工作状态（综合自动化信息，如电流、电压等）。查询结果可以通过对话框、语音提示、动画模拟等不同方式进行展示。

3）工业视频数据接入与实时显示。系统可以将在煤矿地面、井下等重要场所采集的工业视频信号集成并在三维环境中直观地进行实时展示。

4）人员定位数据接入与实时显示。在矿井实时动态工况图中实时显示全矿井井下人员总数、井下不同区域的人员分布。同时，能够查询井下某一基站附近人员，相关人员的井下活动轨迹等信息。

8 分析预警

利用空间分析技术，通过危险源分析、突水模型、通风仿真等算法，实现可视化矿山的分析预警功能。

1）缓冲区查询。所谓缓冲区是指围绕地理对象一定宽度的区域。缓冲区查询常用来分析地理对象的影响范围或服务范围，如河流的灌溉范围、商店或银行的服务范围等。本系统特指查询某一感兴趣地质体周边或井上下信息的功能。缓冲区分为矩形缓冲区、球形缓冲区、投影地表缓冲区3种类型。

2）危险源三维预警。通过高精度地质模型和巷道模型，可以动态计算掘进头至相关地层的垂直距离，为预防瓦斯突出等灾害提供基础数据。这些数据可以通过无线网络及时传输给技术和管理部门。

3）矿井三维通风仿真。矿井三维通风仿真包括通风网络三维可视化，风机三维可视化、巷道信息可视化、节点编号可视化、解算结果可视化、风流及风机动态模拟、用户交互界面模块。

9 结 语

以煤矿专用地理信息系统为基础开发研制的高精度地质模型应用系统，不仅提高了安全管理水平，而且为矿山安全生产提供了重要的现代化手段，对改善煤企安全生产状况，保障矿工生命安全意义重大。使矿井达到高度信息化、自动化、高安全、高可靠、高效率及高效益的目的。为实现数字矿山奠定了坚实的基础。

高精度可视化矿山平台的构建和应用，可以通过网络直观显示矿区二维图形和三维模型之上的生产运行状况和预警信息；通过网络实现了基础数据自动传输，进一步提高了决策的准确性、可靠性，真正确保煤矿的安全生产。