基于Auto CAD的三维巷道可视化建模及应用

程相琛，郭进平，李角群，卢皎旭，郑冰,

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院， 陕西 西安 710015；2.山阳秦鼎矿业有限公司， 陕西 商洛市 726000)

0 引言

矿山图纸的生成和处理是矿山设计工作的主要内容，目前还有矿山为手工绘制，速度及精度已不能满足生产需要。因此，需要对矿山各类图纸进行数字化综合处理。现有矿图大多是二维的，在描述三维空间时存在着诸如可视性差、缺乏立体感等问题[1]。而三维矿图具有直观、计算方便等优点，所以三维矿图将是未来发展的必然趋势[2]。

随着计算机技术不断发展，矿山企业也开始使用计算机绘图，诸如Auto CAD等绘图软件应运而生。但是和其他产业相比，矿用计算机辅助软件还是比较落后。截至目前，仅有部分大型矿企开发出了一些矿用计算机辅助系统，绝大多数中、小型矿山企业还是以手工绘图为主[3-10]。这是由于大部分软件都是国外人员开发，然后引入国内，无论在矿体赋存条件、开采方法，还是软件语言和操作习惯甚至设计标准等方面都与国内存在较大的差异，再加上后期软件的维护升级等工作也存在较大的问题。尽管Auto CAD在矿山绘图方面给企业带来了方便和巨大的经济收益，但是在实际使用过程中还是存在一些问题。因此，需要对其进行二次开发并加以完善，使得Auto CAD在矿山图纸绘制中更加方便，给用户带来更大的经济效益和操作舒适性。因此，基于Auto CAD的二次开发技术，构建地下矿三维巷道的可视化模型显得尤为重要。

1 三维图形的绘制

在矿山生产管理过程中，实现三维巷道快速、准确的构建是矿业人不懈追求的目标。首先，三维图比二维图对于矿山安全生产和管理能起到更好的辅助作用，因为三维实体模型能够精确地描述地下矿的空间结构，为后续的生产提供支撑。其次，实现地下矿三维巷道的可视化也能辅助矿山生产设计。

矿山企业最常用的绘图软件为Auto CAD，经过多年的发展，其已经发展为一款多功能、多维矢量绘图软件。该平台搭载有不同的坐标系，也可以根据自身的实际需要建立用户坐标系。Auto CAD有大量的绘图控件和命令，操作简单、准确、灵活，深受广大用户的青睐。因此，基于Auto CAD平台实现三维模型的构建有一定的先天优势。

1.1 三维绘图坐标系

Auto CAD提供了两种坐标系：一种是世界坐标系，另一种是用户坐标系UCS，在创建对象时，三维坐标系可以使用笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系等。

（1）笛卡尔坐标系：笛卡尔坐标系即通常所说的直角坐标系。

（2）柱坐标系：极坐标系增加一个轴就构成了柱坐标系，如空间直角坐标系等。

（3）球坐标系：球坐标系是三维坐标系的一种，用以确定三维空间中点、线、面以及体的位置，它以坐标原点为参考点，由方位角、仰角和距离构成。

Auto CAD有一个局部坐标系，它跟全局坐标系有相同的特征，但是在创建三维模型时可以根据用户的实际需求创建自身需要的局部坐标系。其最大的优点就是可以通过相关命令实现其在空间内移动和旋转。三维空间的方位一般就是利用用户坐标系来确定的。一般位于Auto CAD绘图视口的左下方，需要的时候调出即可。

1.2 三维模型

Auto CAD一共有3种三维模型：线框模型、曲面模型和实体模型，它们在创建、编辑时均有较大的差异。

在Auto CAD中创建的三维对象通常称为三维模型，与其他模型一样，Auto CAD模型是全三维的，且易于创建和修改。创建模型的过程称为建模。而二维操作称为绘图。线框模型是用来展示三维模型的主体架构。只能描绘对象边界的点、直线和曲线，没有面和体，当然也就不能进行渲染等操作，更不能进行分析计算等工作。

1.2.1 曲面模型

曲面模型比线框模型更加复杂，用来表示三维物体的表面，它既定义了三维对象的边，也定义了面，可以解决图形的渲染、着色、计算等问题[11]。曲面模型特别适合于构造复杂的曲面立体模型，而且构造效果较好，比如实体外形等。然而曲面模型中没有体的信息，也不能进行相关计算。因此，只有难以建立实体模型时，才考虑建立曲面模型。

1.2.2 实体模型

Auto CAD中与曲面模型互相补充的是实体模型，与曲面模型相比，其具有面和体的属性，可以进行渲染等操作，也具有质量、体积等物理特性。实体模型是最容易使用的三维建模。在Auto CAD实体模型类型中，可以通过先创建以下基本三维形状来构建三维对象:长方体、圆锥体、球体、楔体和圆环体等实体，如图1所示。之后再将这些实体通过切割、剖切、布尔运算等操作来完成更为复杂的实体创建。

图1 三维实体模型

2 三维矿图的设计与实现

一般情况下，无论是设计单位还是生产单位，常用的图纸均是二维的，可视性不强，技术人员观测不方便、不全面。因此，实现矿山图纸的三维绘制显得尤为重要。在进行三维矿图绘制时，首先要对拟描述对象结构进行分析，之后将复杂的整体分解成为若干个简单体，最后利用Auto CAD上的实体模型操作来完成三维模型的绘制。

本文将主要阐述利用 VBA语言对 Auto CAD进行二次开发，结合夏家店矿斜坡道实测数据对其斜坡道进行研究，希望建立其三维立体模型，从而以此为基础实现采用巷道断面沿指定拉伸路径或指定拉伸高度的办法生成三维巷道，构建基于Auto CAD平台的矿山三维斜坡道自动化绘制模块，最终实现三维巷道的建模，实际上这也是对三维绘图功能的一个学习和开发。

2.1 巷道断面的设计

在进行三维建模前，首先需要了解Auto CAD的基本绘图功能，在绘制平面图时只要用双线或直线描出所有巷道的两侧边线即可，不需要考虑高程问题。而对整个矿山而言，巷道是矿山生产中的一个重要实体。巷道尤其是斜坡道，是采矿生产中将无轨设备从地面运送到井下以及辅助通风、安全输送工作人员的主要通道。

地下矿山现有的巷道断面形状有圆弧拱、半圆拱、矩形、梯形等，如斜坡道、运输巷道、采矿进路、排水沟等，不同的巷道在采矿设计过程中均有不同的设计标准。

2.2 建模方法

本文所叙述的巷道断面建模方法的 VBA编程原理是基于Auto CAD平台，借助巷道断面沿指定路径拉伸的方法实现三维巷道建模。主要介绍巷道断面沿直线路径和弯曲路径拉伸构建三维斜坡道。需要注意的是，以上建模方法均是首先建立一个巷道断面面域，之后再运行Auto CAD中的建模程序来完成的。

2.2.1 拱形巷道直线路径建模

拱形断面建模主要分两步：第一步是绘制巷道断面，直接利用VBA程序在Auto CAD中进行参数化绘制，如图2所示；第二步是在Auto CAD中调用[菜单→绘图→面域]，将已完成的巷道断面生成一个面域，完成三维巷道模型构建的准备。

图2 巷道断面绘制

除了按照上述方法绘制巷道断面之外，也可直接采用多段线和其他线的组合来绘制巷道断面。需要注意的是，由于拉伸命令需要巷道断面与拉伸路径在三维空间中处于垂直状态，因此之后需要进行很重要的一个步骤，即将巷道断面进行旋转，使得巷道断面和拉伸路径垂直。首先将断面移到巷道中线的端点处，然后进行旋转，使巷道断面与路径在同一水平垂直，如图3所示。巷道断面和拉伸路径在平面图中显示垂直，但这并不是真正空间意义上的垂直，因此不能直接对其进行拉伸，必须进行下一步的旋转才能使断面垂直于拉伸路径。具体操作方法如下。

图3 巷道断面与拉伸路径垂直

（1）点击修改工具栏的[旋转→回车→选择对象]进行旋转。这种旋转操作不能实现空间的旋转，要通过新建坐标系来实现。因此，首先新建坐标系。

（2）旋转坐标系。重复输入命令：[UCS→回车]，之后在命令行[新建（N）/移动（M）/正交（G）/上一个（P）/回复（R）/删除（D）/应用（A）/？/世界（W）]：输入N，回车，输入3，回车，再点击新坐标系的原点，在点击新坐标系的XX和YY方向。直至将原来坐标系旋转至如图4所示的坐标系。在这种状态下就可以完成图像在空间平面内的旋转。

图4 旋转之后的坐标系

（3）旋转。采用Auto CAD中的 [旋转]命令：选择断面→指定基点→点击交点→指定旋转角度或[参照回车/指定基点/原始方向/新方向]完成旋转。

（4）重复上述操作使得巷道断面与路径在空间上垂直，如图5所示。之后就可以进行拉伸，完成巷道的三维建模，见图6。整个过程进行了多次旋转才使得巷道断面与所画的路径完全垂直。由于矿山巷道的断面一般情况下只有拱形，故其他断面形状这里不再赘述。

图5 巷道断面和拉伸路径垂直

图6 拉伸建立巷道三维模型

2.2.2 拱形巷道弯曲路径建模

上述建模过程利用Auto CAD中的拉伸命令，虽然也可以实现三维模型的建立，但是其过程太过复杂，且存在一个主要的问题，就是只能建立拉伸路径为直线的模型。而实际矿山的巷道往往都是弯曲的。因此，在进行弯曲巷道建模时，就需要采取其他的方法来完成，诸如通过Auto CAD中的VBA编辑器编程来实现弯曲路径下三维巷道的绘制。建模思想如下：

（1）建立一个巷道断面、一个三维拉伸路径；

（2）通过运行相关程序就可建立弯曲路径的三维巷道模型，如图7所示。

图7 程序化绘制弯曲路径三维巷道

通过上述建模过程，有如下思考：是否可以对Auto CAD进行二次开发，直接通过选定路径和巷道的断面来实现地下矿山斜坡道的自动绘制，从而实现地下矿山斜坡道的可视化。下面以夏家店矿山为例，详细叙述基于Auto CAD的二次开发构建三维斜坡道的技术。

3 夏家店矿三维斜坡道构建

3.1 构建三维斜坡道一般流程

由以上巷道建模过程，总结地下矿山三维斜坡道建模的思路如下：

（1）首先构建三维巷道中心线，由于斜坡道主要分为螺旋式和折返式，因此需要单独生成属于不同类型的中心线；

（2）绘制巷道断面，根据夏家店实测巷道数据绘制巷道断面，然后构建巷道断面面域，为之后的三维巷道构建做准备；

（3）三维斜坡道的构建，实现前两步之后，通过调用以下程序完成斜坡道的自动化绘制。

3.2 夏家店铁矿三维斜坡道模型

夏家店金钒矿位于陕西省山阳县，年产6万t。矿体破碎，工程条件差，矿山开采难度较大。为了使采矿工作顺利进行，就需要对矿体信息进行深入分析，以往工程相关数据主要以二维图纸为主，因此，在施工中无法获得立体化和更为精准的信息，资料的分析难度也增大，不利于直观地展现地下井巷工程的相关信息。而借助三维可视化建模技术进行三维信息展示，可帮助矿山采矿工作者结合空间关系进行开采条件分析，及时提出合理的开采建议，及时跟进采掘计划，不断优化采矿施工方案。

在绘制三维巷道时，一个重要工作就是确定断面的拉伸路径，也就是巷道断面的中心线。夏家店矿斜坡道采用的是折返式斜坡道，因此中心线的几何构型与楼梯相似，根据夏家店斜坡道的断面尺寸首先绘制巷道中心线，在完成三维斜坡道中心线工作之后，在中心线所在的平面按照要求创建巷道断面，使得巷道断面与巷道中心线的位置如图8所示，并利用Auto CAD中的面域命令将巷道断面转化为面域，为之后建立三维可视化斜坡道做准备。

图8 在巷道中心线空间创建巷道断面

完成上述工作之后，调用Auto CAD中的三维巷道绘制程序模块，完成对夏家店矿体三维斜坡道的绘制，结果如图9所示。

图9 基于Auto CAD构建的夏家店三维斜坡道模型

4 结论

（1）利用Auto CAD中内置的VBA管理器进行加载，通过VBA编程对Auto CAD进行了二次开发，实现了夏家店地下矿斜坡道的自动化绘制。提高了绘图的准确性、规范性，在降低工作强度的同时也提高了工作效率。

（2）Auto CAD是目前无论设计单位还是生产单位使用最广泛的矿用辅助软件，在Auto CAD中进行二次开发，实现夏家店地下矿三维斜坡道的可视化建模，具有较强的可操作性和实用性，同时对其他矿山和后续实现地下三维立体开拓模型的构建有一定的借鉴意义。

（3）基于 Auto CAD进行夏家店地下矿山三维立体斜坡道的绘制，证明了利用Auto CAD进行二次开发实现地下矿三维立体巷道模型可视化的可行性，为之后的继续研究打下了基础。