基于Ogre引擎的三維數(shù)字礦山管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱煒鵬　張寧　李成建

【摘 要】本文以數(shù)字礦山原理為基礎(chǔ)，利用三維GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段，構(gòu)建出湖南省資江煤礦的三維可視化和虛擬環(huán)境平臺。真實(shí)反映該礦山地上地下場景、采礦過程及其引起的相關(guān)現(xiàn)象。并在此基礎(chǔ)上，對礦區(qū)現(xiàn)有各類信息、安全系統(tǒng)進(jìn)行集成管理，解決數(shù)字礦山建設(shè)管理過程中基礎(chǔ)信息不足、信息孤島等問題，為煤礦安全生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字礦山；虛擬現(xiàn)實(shí)； 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年首屆“國際數(shù)字地球”大會提出數(shù)字礦山（Digital Mine）概念以來，三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)作為數(shù)字礦山技術(shù)的一個具體應(yīng)用，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。三維數(shù)字礦山信息系統(tǒng)是針對礦山信息的復(fù)雜性、海量性、異構(gòu)性和多尺度等特點(diǎn)，構(gòu)建統(tǒng)一的綜合信息系統(tǒng)平臺，以實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的可視化集成，達(dá)到礦山信息共享和互操作的目的，為采礦勘探和生產(chǎn)提供決策支持[1]。另一方面，為了加強(qiáng)礦山的日常安全生產(chǎn)監(jiān)管和應(yīng)急救援保障，安監(jiān)總局相關(guān)文件要求，2013年金屬非金屬礦山必須建設(shè)完成安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)。由于在實(shí)際的建設(shè)過程中，這些系統(tǒng)多數(shù)是獨(dú)立分期建設(shè)，自成體系，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)信息難以共享。因此，礦山迫切需要對各系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一集成管理。

本研究選用湖南省資江煤礦為具體研究對象，以數(shù)字礦山的三維可視化和虛擬環(huán)境為平臺，真實(shí)反映礦山地上地下場景、采礦過程及其引起的相關(guān)現(xiàn)象。并在此基礎(chǔ)上，對礦區(qū)現(xiàn)有各類信息、安全系統(tǒng)進(jìn)行集成管理，解決數(shù)字礦山建設(shè)管理過程中基礎(chǔ)信息不足、信息孤島等問題，為煤礦安全生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思路

三維數(shù)字礦山管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：數(shù)據(jù)庫建設(shè)、礦山三維引擎封裝和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與集成。系統(tǒng)框架如圖1所示。創(chuàng)建基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫，對資江煤礦各類實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理后入庫。在保證數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠前提下，真實(shí)模擬出資江煤礦地上地下場景，包括礦區(qū)建筑、井巷系統(tǒng)、煤層分布、鉆孔與采掘工作面等，構(gòu)建出真實(shí)的礦區(qū)三維全息化場景。在此基礎(chǔ)上，充分利用和整合礦山現(xiàn)有的安全監(jiān)測、人員定位等安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，對各孤立系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)信息有效共享與統(tǒng)一管理。

1.1 礦山基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建立

由于礦山建設(shè)時間長，涉及到的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量大并存在周期性更新等特點(diǎn)。因此，在礦山三維信息系統(tǒng)建設(shè)之前，需要對礦山提供的各類不同專業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，統(tǒng)一格式及坐標(biāo)信息，并建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫以供存儲，方便在后期系統(tǒng)的直接調(diào)用。建立的數(shù)據(jù)庫需要滿足海量存儲，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰，便于檢索與更新等要求。主要的存儲內(nèi)容如下：

（1）矢量數(shù)據(jù)：礦區(qū)1：2000實(shí)測地形圖、煤層底板等高線、巷道導(dǎo)線點(diǎn)、鉆孔坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

（2）柵格數(shù)據(jù)：礦區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）、礦區(qū)數(shù)字正攝影像圖（DOM）。

（3）模型：主要包括礦區(qū)的地表建筑物和井巷生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備等，由3ds Max、SketchUp 等軟件創(chuàng)建模型，導(dǎo)出為.mesh格式供系統(tǒng)使用。

（4）元數(shù)據(jù)：是用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，主要包括對數(shù)據(jù)集的描述，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者以及數(shù)據(jù)序代（數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷史）等的說明，通過元數(shù)據(jù)可以有效地利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索，提高系統(tǒng)使用效率[2]。

1.2 三維可視化引擎設(shè)計(jì)

三維引擎設(shè)計(jì)和開發(fā)是三維礦山可視化平臺構(gòu)建的核心和基石。它是獨(dú)立于外部資源，具有一定完整功能的底層函數(shù)集；它將數(shù)字礦山三維可視化中關(guān)鍵通用技術(shù)進(jìn)行整理和封裝，構(gòu)建出面向三維礦山應(yīng)用的模塊框架，優(yōu)良的三維引擎設(shè)計(jì)對于三維礦山系統(tǒng)的功能開發(fā)以及擴(kuò)展有著至關(guān)重要的影響。

目前主流的三維圖形庫有Direct X、OpenGL等。本研究選用的是開源的Ogre庫。Ogre（Object-Oriented Graphics Rendering Engine，即：面向?qū)ο髨D形渲染引擎）是一個用C++開發(fā)的面向場景、非常靈活的3D引擎，它旨在讓開發(fā)人員更容易、更直接地利用硬件加速的3D圖形系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。這個類庫隱藏了底層系統(tǒng)庫（如：Direct3D和OpenGL）的所有細(xì)節(jié)，提供了一個基于世界對象和其他直觀類的接口[3]。本研究在基于Ogre引擎基礎(chǔ)上，進(jìn)一步封裝一套較為完善的針對于礦山應(yīng)用的基礎(chǔ)類庫，其模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 三維模型生成

三維數(shù)字礦山系統(tǒng)是對地形、地上實(shí)體以及空間實(shí)體進(jìn)行集成描述、建模、分析與管理的可視化信息系統(tǒng)，在三維空間建模過程中，需要對上述實(shí)體進(jìn)行三維集成表達(dá)和整體數(shù)據(jù)管理。本系統(tǒng)主要采用3ds Max軟件工具建模和代碼建模兩種方式。主要對象建模方法有：

2.1 地表模型

地形表面的模擬是以地面數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，建立地形基礎(chǔ)模型的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），在此基礎(chǔ)上附加高分辨遙感影像作為紋理。

2.2 建筑模型和礦井設(shè)備模型

利用在3ds Max中建好的模型，導(dǎo)出為引擎支持的.mesh格式，加載到系統(tǒng)場景中。

2.3 煤層建模

煤層建模是以煤層底板等高線圖為基礎(chǔ)，沿等高線采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行克里格插值加密，構(gòu)建出不規(guī)則三角網(wǎng)模型，并附上煤樣紋理。

2.4 井巷模型

以全站儀實(shí)測巷道拐點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取巷道中心線數(shù)據(jù)，然后再以各個中心線上的點(diǎn)為基準(zhǔn)向外偏移，擴(kuò)展得到巷道截面模型頂點(diǎn)，最終生成巷道的網(wǎng)格模型。

3 系統(tǒng)功能開發(fā)與集成

三維數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)是在現(xiàn)有的引擎基礎(chǔ)上，引入礦山建設(shè)、生產(chǎn)及管理等各類實(shí)際數(shù)據(jù)，搭建出能真實(shí)模擬還原礦山整體面貌的系統(tǒng)平臺。在三維全景展示礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)場景基礎(chǔ)上，充分整合礦山現(xiàn)有安全監(jiān)測、人員定位等安全生產(chǎn)系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)與各相關(guān)系統(tǒng)的統(tǒng)一集成管理。三維數(shù)字礦山信息管理系統(tǒng)的主要功能有：

3.1 三維漫游與瀏覽

基于礦山測量真實(shí)數(shù)據(jù)建立出精細(xì)礦山三維模型的展示，提供場景平移、縮放、飛行、旋轉(zhuǎn)以及屬性查詢等操作工具，實(shí)現(xiàn)礦山的虛擬漫游和瀏覽。

3.2 空間量算功能

系統(tǒng)提供了基本的空間量算功能，包括點(diǎn)位量算、距離量算和面積量算等。

3.3 視頻監(jiān)控

在三維礦山系統(tǒng)中接入礦區(qū)的工作面、進(jìn)出口等重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時監(jiān)控視頻，在虛擬環(huán)境中接入真實(shí)影像，虛實(shí)結(jié)合的方式，更加有利于系統(tǒng)的高效監(jiān)控與管理。

3.4 安全監(jiān)測

在三維可視化平臺中集成安全監(jiān)測設(shè)備，提供設(shè)備相關(guān)信息查詢。并接入現(xiàn)有安全監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時信息，監(jiān)測各主要巷道的瓦斯（一氧化碳、甲烷等）含量以及溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，對于超限或危險(xiǎn)數(shù)據(jù)及時監(jiān)測報(bào)警。

3.5 人員定位系統(tǒng)

湖南資江煤礦已建設(shè)完成的人員定位系統(tǒng)是通過在主要巷道內(nèi)設(shè)置基站，通過人員識別卡準(zhǔn)確獲取員工通過某區(qū)域的坐標(biāo)、時間等信息。這也是目前多數(shù)礦山采用的位置收集方式。接入礦區(qū)人員定位系統(tǒng)后，可以及時、準(zhǔn)確的在三維環(huán)境中反映出井下人員的位置信息、區(qū)域分布，并可以查詢井下人員歷史軌跡，使得管理人員可以隨時掌握井下人員信息，方便、高效地調(diào)度管理，同時也可作為日常人員考勤系統(tǒng)的依據(jù)。

3.6 鉆探救援分析

當(dāng)井下巷道發(fā)生各類事故時，能迅速判定事故點(diǎn)位置，指示出垂直地表點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。以坡度、距離、地質(zhì)條件等因子綜合分析在指定范圍內(nèi)地表最適宜救援點(diǎn)的位置，供鉆探救援使用。

3.7 最短路徑查詢

指定巷道內(nèi)任意兩點(diǎn)位置，自動規(guī)劃出兩點(diǎn)間的最短路徑。對于路徑查找，尋找避災(zāi)硐室等具有指示作用。

4 結(jié)束語

三維可視化技術(shù)的應(yīng)用是礦山信息化管理中的重要一環(huán)，本研究依賴于湖南省資江煤礦的實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出較為完善的三維數(shù)字礦山管理系統(tǒng)，真實(shí)客觀反映了礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)情況，有效整合資江煤礦的各類地測與安全監(jiān)測信息，實(shí)現(xiàn)了礦山信息的可視化集成，可以為礦山生產(chǎn)決策與礦山救援提供幫助。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]孫益輝，陳福民，王海峰.一種基于Ogre圖形引擎的實(shí)時分布式渲染系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（31）：102-104.

[責(zé)任編輯：曹明明]