基于GIS與SketchUp的礦井三維可視化方法研究

李海君，孟 健，張耀文

（1．防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201；2．中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

基于GIS與SketchUp的礦井三維可視化方法研究

李海君1，2，孟 健1，張耀文1，2

（1．防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201；2．中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

為更加實(shí)時(shí)、直觀地體現(xiàn)礦井信息及三維地學(xué)信息，本文運(yùn)用ArcGIS軟件與SketchUp Pro軟件，分別建立礦井三維地層模型，地表景觀模型與工程巷道模型，最終在．NET與ArcEngine編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)集成并進(jìn)行二次開發(fā)。經(jīng)實(shí)踐證明，本技術(shù)方案所實(shí)現(xiàn)的礦井模型三維可視化效果形象直觀、沉浸感強(qiáng)，成果切實(shí)可靠。這對(duì)煤礦開采設(shè)計(jì)水平的提高及其應(yīng)急管理決策支持軟件的研發(fā)有一定的借鑒意義。

三維可視化；礦井地層；地表景觀；巷道模型

0 引言

目前，“數(shù)字礦山”技術(shù)體系正積極推動(dòng)礦業(yè)信息化發(fā)展。礦井可視化，已成為數(shù)字礦山繁雜應(yīng)用模式中直觀刻畫空間地層、構(gòu)造、礦體及巷道的展布與拓?fù)潢P(guān)系的核心范疇，是智能化、自動(dòng)化采礦程式的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)之一［1］。因GIS軟件可實(shí)現(xiàn)地形、地質(zhì)、采掘工程布局及礦區(qū)建筑、交通系統(tǒng)等空間實(shí)體信息的高效綜合采集、存儲(chǔ)、分析、描述和模擬，同時(shí)可將數(shù)據(jù)庫(kù)中隱涵關(guān)系模式進(jìn)行多維度表達(dá)［2］。礦井GIS三維可視化，可克服二維圖件在表述三維地學(xué)空間時(shí)數(shù)據(jù)不連續(xù)或數(shù)據(jù)挖掘困難問題，有助于更好地理解井下地層、采掘工程及地表景觀等相互空間位置，為煤礦開采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理及應(yīng)急管理提供決策支持。

自1993年被提出，三維地質(zhì)建模可通過基于體元、曲面、泛權(quán)等建模方式［3］。相對(duì)于鉆探工作量要求不高的地層，基于體元的建模方法對(duì)建模時(shí)間與硬件配置要求均較高，在地層邊界確定、層內(nèi)填充效率面等實(shí)時(shí)性較低；而基于曲面建模，可通過局部增刪控制點(diǎn)更客觀逼近邊界面，達(dá)到理想建模效果［4］。此外，礦山信息化水平較高的美、澳等國(guó)已開發(fā)了一系列適合其實(shí)際采掘生產(chǎn)控制需求的三維GIS軟件，雖從采礦設(shè)計(jì)到進(jìn)度編制均有其優(yōu)勢(shì)，但開發(fā)平臺(tái)多基于工作站環(huán)境下的UNIX系統(tǒng)，其推廣在跨平臺(tái)性及二次開發(fā)方面均有一定難度［5］。國(guó)內(nèi)行業(yè)則基于引進(jìn)軟件，利用地學(xué)專家知識(shí)庫(kù)及圖形庫(kù)進(jìn)行底層開發(fā)，對(duì)地質(zhì)資料隱含內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行挖掘、分析，費(fèi)時(shí)耗力［6］。而ESRI公司推出的系列GIS平臺(tái)產(chǎn)品，基于Multipath數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可對(duì)三維空間及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行空間處理與查詢分析，并可靈活結(jié)合外部軟件進(jìn)行三維實(shí)體及屬性編輯［7］。因而，結(jié)合其內(nèi)嵌分析模型與人性化開發(fā)平臺(tái)，輔以三維地質(zhì)模型研發(fā)，使其在地質(zhì)調(diào)查、固體資源儲(chǔ)量評(píng)價(jià)及水文地質(zhì)過程模擬［8］等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

本文在分析三維地質(zhì)建模理論及行業(yè)軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)比ArcGIS及SketchUp在三維地質(zhì)建模方面的優(yōu)勢(shì)與不足，提出基于ArcScene與SketchUp Pro結(jié)合的地層、地表及巷道建模技術(shù)，實(shí)例應(yīng)用于開灤A礦，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置及地形地貌

井田位于河北省唐山市東北，面積約9km2，行政隸屬唐山市開平區(qū)。研究區(qū)北依低山，南臥平原，地面標(biāo)高40～60m。井田內(nèi)地勢(shì)平坦，坡降方向與陡河流向一致。東南沿陡河北東—南西向低山丘陵，最高點(diǎn)位于東部巍山，向西海拔依次降低，于菀豆山向西南傾沒于平原之下，地理位置見圖1。

圖1 礦井交通位置圖Fig．1 The location of the studying mine

1.2 氣象水文條件

研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，最大降雨量1007.7 mm，平均降雨量為614.7 mm；冬季寒冷干燥，最低氣溫－21℃；年平均蒸發(fā)量1321.1 mm。冰凍期由每年12月至翌年3月初，凍土深度0.6～0.8 m。地表水系不發(fā)育，主要有煤田東部的季節(jié)性河流沙河及陡河，主要起排泄礦井水的作用。

1.3 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

井田隸屬華北地臺(tái)煤水組合煤礦，主要含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)和二疊系下統(tǒng)，總厚約450 m，各系、統(tǒng)間多以整合或假整合接觸，多被第四系黃土覆蓋，偶有零星出露。煤層厚約25.3m，為可采煤層9、11、12－1和12－2，主要集中在趙各莊組和大苗莊組。

研究區(qū)所處煤田為北陡南緩的北東向不對(duì)稱向斜構(gòu)造，本井田主要構(gòu)造為一亞圓形狀的盆狀向斜，位于開平向斜的西北，中間隔鳳山－缸窯背斜南北長(zhǎng)3.5 km，東西寬3.4 km，面積約9 km2，北端閉合，南端開放。井田內(nèi)構(gòu)造形式主要是斷裂和褶曲，根據(jù)井田內(nèi)各構(gòu)造的區(qū)域差異，將井田劃分為西翼、東翼和中南3個(gè)構(gòu)造塊段，區(qū)塊劃分與斷層分布見圖2。

區(qū)域內(nèi)含水層的補(bǔ)給主要為大氣降水，而導(dǎo)水構(gòu)造也造成各含水層的越流補(bǔ)給。井田東南低山丘陵，巖溶較發(fā)育，為重要的導(dǎo)水通道。排泄方式多以地下徑流及礦井排水系統(tǒng)向河流排泄。自上而下可分為8個(gè)含水層：第四系中上部砂卵礫孔隙承壓和孔隙潛水含水層（Ⅷ）、第四系底部卵石孔隙承壓含水層（Ⅶ）、風(fēng)化帶裂隙、孔隙承壓含水層（Ⅵ）、5煤以上砂巖裂隙承壓含水層（Ⅴ）、9煤～7煤砂巖裂隙承壓含水層（Ⅳ）、K6～12煤砂巖裂隙承壓含水層（Ⅲ）、K2～K6砂巖裂隙承壓含水層（Ⅱ）、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層（Ⅰ）。

圖2 井田構(gòu)造綱要圖Fig．2 The geological scheme diagram of mine field

2 礦井三維模型的創(chuàng)建

礦井安全生產(chǎn)需考慮地質(zhì)、測(cè)量、采礦工程、運(yùn)輸、事故救援預(yù)案制定等領(lǐng)域。煤礦地質(zhì)體、地表地形和巷道工程建模及其耦合集成（圖1），才能直觀反映礦區(qū)三維景觀、井巷與礦體位置關(guān)系。集成效果不僅決定了模型指導(dǎo)開采設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍與能力，而且為礦井火災(zāi)、透頂、瓦斯泄露等突發(fā)事件的應(yīng)急管理與救援提供技術(shù)支持［9］。

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

礦井地層需將勘察及生產(chǎn)階段地質(zhì)地形圖、鉆孔柱狀圖、剖面圖、綜合水文地質(zhì)圖、采掘及巷道工程圖等圖形數(shù)據(jù)源，數(shù)字化后整合至GeoDatabase數(shù)據(jù)庫(kù)；亦需將地質(zhì)報(bào)告、鉆探記錄等資料，轉(zhuǎn)換為鉆孔分層信息表、構(gòu)造信息表、剖面基本信息表等?？紤]井上信息系統(tǒng)配置及井下便攜單機(jī)版程序發(fā)布，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)選用Access數(shù)據(jù)庫(kù)。

（1）圖形數(shù)據(jù)處理

參考礦區(qū)配準(zhǔn)后的地質(zhì)地形圖、工程剖面圖以及綜合水文地質(zhì)圖，按鉆孔圖層、斷層控制圖層、控制剖面圖層等進(jìn)行矢量化，并將數(shù)字化后的鉆孔（包括編號(hào)、位置、坐標(biāo)、標(biāo)高、完探深度等字段）、斷層（包括斷層編號(hào)、斷層落差、斷層斷距、斷層折點(diǎn)坐標(biāo)及標(biāo)高等字段）、控制剖面（包括剖面線、位置、控制點(diǎn)及標(biāo)高等字段）等文件導(dǎo)入已建好的Geodatabase。同理，對(duì)巷道圖層需要按巷道線或點(diǎn)圖層逐點(diǎn)采集矢量化并導(dǎo)入。

（2）屬性數(shù)據(jù)處理

屬性數(shù)據(jù)參照鉆孔記錄、實(shí)驗(yàn)記錄及地質(zhì)報(bào)告，編制鉆孔分層數(shù)據(jù)表、地層特征表、測(cè)試數(shù)據(jù)表、巖性圖例表（填充符號(hào)編號(hào)、名稱）、斷層基本信息表、剖面基本信息表（剖面編號(hào)，剖面控制點(diǎn)編號(hào)，點(diǎn)位置，標(biāo)高）等基本信息表。此外，需將巷道建模時(shí)采集巷道信息表（巷道編號(hào)、類型）以及測(cè)量點(diǎn)信息表（測(cè)量點(diǎn)編號(hào)，位置，標(biāo)高）整理入庫(kù)（見圖3）。

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)以鉆孔分層數(shù)據(jù)表作為主表，以鉆孔編號(hào)為關(guān)鍵字，各子表分別以鉆孔編號(hào)、巖性編號(hào)、測(cè)試編號(hào)、填充圖例編號(hào)等字段建立索引，以進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取或更新操作。其中，巖性圖例需對(duì)應(yīng)《區(qū)域地質(zhì)圖圖例規(guī)范》規(guī)定，按標(biāo)準(zhǔn)建立礦區(qū)常用巖性符號(hào)圖例，可以為bmp、jpg或gif格式文件，文件進(jìn)行編碼后存放到指定的目錄，已備填充調(diào)用。

2.2 地質(zhì)體建模方法及相關(guān)理論

2.2.1 地質(zhì)體建模方法

基于ArcScene三維分析工具，可建立Tin表面模型并進(jìn)行編輯，并可通過Extrusion設(shè)置合適面擴(kuò)充倍數(shù)，重復(fù)建立填充體，直至與TIN界面擬合［10］。曲面拉伸法對(duì)側(cè)面凹凸較小的地質(zhì)體有理想的表現(xiàn)效果與交互性能。

基于曲面構(gòu)模方法可分為Triangulated Irregular Network（TIN）法和規(guī)則格網(wǎng)（Grid）法。其中，前者計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適于陰影、等高線等地形因子提取，但數(shù)據(jù)量大不易管理，且不能針對(duì)性的準(zhǔn)確表示地層界面及地形細(xì)部。而TIN建模中的Delaunay三角剖分法，既能保證建立Tin三角網(wǎng)唯一性，又可局部增刪控制點(diǎn)來表現(xiàn)地層分界面或起伏細(xì)節(jié)，模型數(shù)據(jù)相對(duì)復(fù)雜但運(yùn)算量小，其可基于層面填充法或Tin拉伸法實(shí)現(xiàn)。

鑒于研究對(duì)象屬華北型沉積礦床，沉積環(huán)境自下而上自海相向陸相逐漸過渡，故礦井地層均可視為由頂、底兩個(gè)界面及其間填充物構(gòu)成的特征主體，且上下相鄰地層接觸面同時(shí)是上覆地層底面與下伏地層頂面。據(jù)此，地層建模選擇曲面建模方法為宜。

2.2.2 空間離散插值

三維地質(zhì)模擬中插值方法主要有IDW、SPLINE及Krigine法。鑒于研究區(qū)部分區(qū)域鉆孔資料稀少甚至缺失，數(shù)據(jù)離散、有限，會(huì)導(dǎo)致所建模型不合理甚至失真［11］。本次研究采用的Krigine法插值，綜合考慮了采樣點(diǎn)離散分布規(guī)律、曲面誤差與空間無偏最優(yōu)估計(jì)值，避免資料不充分的情況下數(shù)據(jù)插值不穩(wěn)定性，分析嚴(yán)謹(jǐn)、建模客觀精確。

2.2.3 礦區(qū)三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型

（1）地層數(shù)據(jù)概化

據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，其主采煤層為9煤，下伏奧灰含水層，高程分層數(shù)據(jù)可概化為地形面、第四系卵礫石含水層頂板頂界、第四系底部粉粘土弱透水層頂界、五煤以上砂巖裂隙承壓含水層頂界、5煤－7煤隔水層頂界、7煤－9煤含水層頂界、9煤層頂界、9煤底奧灰含水層共8個(gè)巖片數(shù)據(jù)文件，將鉆孔分層數(shù)據(jù)加載進(jìn)行矢量化。

（2）地層分界面的插值擬合

應(yīng)用Spatial Analyst工具，選擇Kriging插值方法對(duì)Elevation屬性進(jìn)行DEM高精度擬合，并應(yīng)用3D分析模塊Convert工具進(jìn)行Tin與DEM之間及其它二、三維要素之間無縫轉(zhuǎn)換，將生成的地層DEM柵格層面模型轉(zhuǎn)換為可直接應(yīng)用的有邊界約束TIN模型。

（3）基于3DAnalyst中表面分析工具進(jìn)行多層TIN層面Extrude拉伸填充，選擇礦區(qū)邊界為隔斷邊界，對(duì)選中的頂、底層TIN模型拉伸填充形成單層地層。繼續(xù)重復(fù)第二、三步驟，至所有上下相連的地層聯(lián)結(jié)成地質(zhì)體。通過場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置，增強(qiáng)生成地質(zhì)體的立體感和層次感，為后期的模型整合及三維礦井集成系統(tǒng)的二次開發(fā)做好鋪墊（圖4）。同理，可繪制已有CAD控制剖面線上的垂向地層剖面及已知控制點(diǎn)柱狀圖。

圖4 基于ArcScene的三維地層模型Fig．4 The three?dimensional stratum model based on ArcScene

2.3 地表景觀建模及巷道建模

鑒于ESRI平臺(tái)產(chǎn)品與SketchUp Pro軟件均可對(duì)Tin、Multipath數(shù)據(jù)無縫支持，并可通過SketchUp ESRI plugin插件實(shí)現(xiàn)二者間點(diǎn)、線、面、體等TIN、Multipath的無縫轉(zhuǎn)換，故本次研究采用二者結(jié)合構(gòu)建地表景觀與巷道模型。

2.3.1 基于SU構(gòu)建地形與地表景觀模型

（1）地形模型實(shí)現(xiàn)

地形數(shù)據(jù)多為礦區(qū)紙質(zhì)或CAD格式地形圖，且以等值線或離散控制點(diǎn)表示地層起伏。地表面模型既可由數(shù)字化后的地形圖通過等高線抽稀平滑生成．shp文件插值生成柵格影像，并以礦區(qū)邊界為隔斷線進(jìn)行切割，又可利用CAD或者鉆孔文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為帶有坐標(biāo)和高程的．dxf地形文件借助SU中SandBox模塊模塊實(shí)現(xiàn)（圖5）。

經(jīng)對(duì)比，以柵格數(shù)據(jù)和矢量（．dxf）等值線生成地形的技術(shù)均簡(jiǎn)捷方便，但矢量等值線方式生成的效果更好，交互性強(qiáng)，且SketchUp渲染功能可增強(qiáng)模型沉浸感。

圖5 由SandBox生成的地形面Fig．5 The generated topographic based on SandBox module

（2）地表景觀模型的建立

應(yīng)用GetScreen或SketchUp軟件，可據(jù)礦區(qū)拐點(diǎn)確定邊界，獲取衛(wèi)片，用以地表景觀模型數(shù)字化底圖。定位與截圖后，導(dǎo)入GIS中配準(zhǔn)，對(duì)照Google Earth中空間地物方位關(guān)系及各地物實(shí)體高程，實(shí)現(xiàn)道路圖層、土地利用圖層，建筑物圖層及裝飾點(diǎn)圖層等進(jìn)行分層數(shù)字化和高程賦值，完成地表景觀矢量化圖層。而后，借助Feature to Skp．dll導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換至SketchUp Pro自動(dòng)生成粗線框的三維體模型，并借助SketchUp的繪圖工具對(duì)不合理部分進(jìn)行局部細(xì)化、修改和重繪，使地表景觀模型與實(shí)際空間信息相吻合。此外，可利用中的貼圖和紋理工具，對(duì)地表模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，使其更形象逼真（圖6、圖7）。

圖6 地表景觀的全局布局概覽圖Fig．6 Global overview map of architecture landscape

圖7 局部細(xì)節(jié)景觀圖Fig．7 Local details of architecture landscape

2.3.2 基于SU構(gòu)建巷道模型

煤礦開采生產(chǎn)過程中，巷道始終發(fā)揮著提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、動(dòng)力供應(yīng)作用，與礦井生產(chǎn)安全以及職工的生命安全有緊密聯(lián)系。巷道及采掘工程可視化是礦井三維礦圖建模及數(shù)字礦山技術(shù)體系的重要組成，也是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)應(yīng)急演練虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的支撐技術(shù)之一。其既可向使用者形象展示礦山生產(chǎn)脈絡(luò)，闡明其擔(dān)負(fù)的物資運(yùn)輸、通風(fēng)、人員流動(dòng)等功能，為技術(shù)人員準(zhǔn)確記錄、表現(xiàn)井巷工程與礦體和地表地物交通空間交叉關(guān)系，提高采場(chǎng)的數(shù)字信息化管理水平；又可直觀監(jiān)控工作面與掘進(jìn)工程布置的合理性，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改善采礦規(guī)劃，進(jìn)行事故疏散與應(yīng)急管理預(yù)案制定，從而對(duì)礦山的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接的影響［12］。

鑒于傳統(tǒng)二維礦圖直觀性不強(qiáng)，不便直接應(yīng)用，三維礦圖建?？芍庇^表現(xiàn)地下實(shí)體交叉關(guān)系，同時(shí)可方便進(jìn)行三維個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的安全評(píng)價(jià)［13］，已成為礦業(yè)信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（1）三維建模方法

三維巷道信息采集方法有“矢量化生成概念圖模型”以及“測(cè)量點(diǎn)插值生成符號(hào)模型”兩種［14］。本次研究中三維巷道建模是在充分理解巷道功能分類與展布特點(diǎn)，礦區(qū)內(nèi)開采方式與特征的基礎(chǔ)上，將矢量化后巷道對(duì)象類中的巷道線等二維矢量模型、三維數(shù)據(jù)模型，利用SketchUp中的繪圖功能生成三維線狀體模型，最后將生成的體模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖以及塊體集成。

（2）三維巷道模型

經(jīng)對(duì)礦區(qū)井下工程分布圖及采掘進(jìn)度資料歸納總結(jié)，可知：開采方式為走向長(zhǎng)壁式；開拓方式為中央豎井水平階段式地下采礦；第一水平標(biāo)高為－375 m，階段高度為－375m，水平至煤層露頭；第二水平標(biāo)高為－475 m，階段高度為100 m，采用斜井開拓方式，從南翼大巷南端向井田深部開拓的2048、2049、2020E、2020W四條斜井，至－475 m水平作二水平車場(chǎng)，然后由－475 m水平向各煤層作上山。故本次三維巷道建模具體步驟如下：

①空間數(shù)據(jù)庫(kù)中新建巷道測(cè)量點(diǎn)、巷道中心線及風(fēng)井圖層，各圖層按規(guī)范新建識(shí)別字段；加載采掘工程圖，按平巷、斜巷、橫巷、回風(fēng)巷及主井副井等功能分類，實(shí)現(xiàn)分水平測(cè)量點(diǎn)以及巷道線逐點(diǎn)采集矢量化入庫(kù)，為后期緩沖分析做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。而后以巷道的高程值為基準(zhǔn)，設(shè)置輸出路徑，系統(tǒng)單位，組合字段，導(dǎo)出類型、格式以及參考坐標(biāo)系等屬性，將矢量化完成的巷道線模型導(dǎo)出為三維．Skp文件。

②在SketchUp Pro軟件中，通過調(diào)整合適視角，將同水平、同隸屬關(guān)系的巷道中心線及測(cè)量點(diǎn)歸類；通過圖層控制，應(yīng)用繪圖及自動(dòng)捕捉工具，分類別對(duì)各組巷道進(jìn)行繪制、編輯、修改和顯示，實(shí)現(xiàn)面拉伸操作及擠壓成體。此時(shí)，應(yīng)設(shè)置允許同一類型巷道群組進(jìn)行整體編輯、填充及紋理貼圖等操作。同時(shí)，對(duì)彎折較為明顯的巷道實(shí)體建模平滑處理，而后將原巷道中心線刪除。同理，繪制完畢所有巷道、豎井、風(fēng)井。

③按分組類型，利用Material材質(zhì)庫(kù)進(jìn)行紋理貼圖，并對(duì)每條巷道進(jìn)行連接拓?fù)錂z查，同時(shí)基于3 D Text對(duì)話命令對(duì)貼圖后巷道進(jìn)行命名（圖8），以增強(qiáng)管決策人員在巷道漫游時(shí)立體感與真實(shí)感（圖9），同時(shí)便于使用者根據(jù)屬性對(duì)巷道進(jìn)行網(wǎng)路分析。

圖8 添加紋理與三維文字效果圖Fig．8 Designing sketch of adding texture and three?dimensional characters

圖9 SketchUp中生成的巷道整體展布圖Fig．9 The whole exhibition layout map of roadway generated by Sketchup Pro software

2.4 建模流程

綜合以上建模步驟，總結(jié)出建模流程圖（圖10），區(qū)別于其它方法主要體現(xiàn)在：

（1）本文所用3DAnalyst與Animation工具進(jìn)行地質(zhì)體建模，無需OpenGL圖形程序接口或編程進(jìn)行可視化展示，且建模過程與操作方式易學(xué)易用。

（2）空間地質(zhì)體建模多采用Kriging插值以盡可能、客觀逼近真實(shí)地質(zhì)界面。

（3）借助于ArcScene透視可視化功能，實(shí)現(xiàn)巷道、風(fēng)井、地質(zhì)體以及地表模型的集成顯示，同時(shí)又借助軟件平臺(tái)的空間分析與編輯功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，經(jīng)濟(jì)高效而形象直觀。

3 基于GIS與SketchUp的礦井三維可視化系統(tǒng)開發(fā)

本次研究采用C＃．NET與ArcEngine相結(jié)合的編程環(huán)境，以礦區(qū)主采煤層為目標(biāo)進(jìn)行礦井集成建模二次開發(fā)，進(jìn)一步驗(yàn)證本次研究的三維礦井模型有效性。為提高系統(tǒng)效率和凸顯地質(zhì)分析功能和效果，將紋理與附屬物元素省略，而后進(jìn)行井上、井下模型集成耦合。基于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要有空間數(shù)據(jù)查詢、剖面分析、礦井漫游及數(shù)據(jù)挖掘分析等功能。

（1）數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資料及屬性數(shù)據(jù)錄入與查詢；同時(shí)可通過多方式的條件篩選進(jìn)行屬性限定，從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索已有圖件，進(jìn)行二維或三維顯示。

圖10 技術(shù)路線圖Fig．10 The technology route map

（2）剖面分析主要實(shí)現(xiàn)了基于剖面線的地質(zhì)體剖面分析以及基于鉆孔單孔柱狀圖分析。

通過右鍵菜單程序，本模塊可在圖形顯示界面觸發(fā)選定鉆孔柱狀圖顯示窗口，或依據(jù)篩選對(duì)所選擇鉆孔的進(jìn)行柱狀圖繪制（圖11）。剖面分析模塊通過在圖形顯示窗口繪制任意曲線或基于可控制井田構(gòu)造巖性的CAD走向線，對(duì)生成的地質(zhì)體進(jìn)行剖切，繪制相應(yīng)剖面（圖12）。通過切割所得剖面與實(shí)測(cè)剖面對(duì)比，地質(zhì)體模型能滿足精度要求。

圖11 柱狀圖分析界面Fig．11 The analyzing interface of borehole diagram

（3）數(shù)據(jù)挖掘功能，將斷層實(shí)體與模型剖面，或者將斷層、礦體與巷道進(jìn)行耦合顯示，通過點(diǎn)擊或拉框選擇程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)所選實(shí)體屬性進(jìn)行對(duì)話框顯示，可直觀了解構(gòu)造，礦體與巷道之間的展布關(guān)系及詳細(xì)信息（圖13）。

圖12 剖面分析模塊界面Fig．12 The module interface of profiles analysis

圖13 剖面與構(gòu)造集成分析界面Fig．13 The integrated analysis interface of geological profile and geological tectonic

（4）礦井模型生成模塊可實(shí)現(xiàn)層狀地質(zhì)體生成及與SketchUp三維巷道和地表模型轉(zhuǎn)換和集成；前者按2.1實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行功能研發(fā)，分別實(shí)現(xiàn)展點(diǎn)、插值，TIN模型轉(zhuǎn)換生成、地質(zhì)體層面拉伸填充的功能。此外，可集成SketchUp ESRI plugin，實(shí)現(xiàn)巷道模型與地表景觀模型的交互集成。將軟件生成地質(zhì)圖于控制剖面線位置切割，與實(shí)測(cè)剖面對(duì)比，模型亦能滿足精度要求。

（5）三維景觀漫游模塊，可組合模型按加載菜單選擇性加載，設(shè)置光照參數(shù)、透明度、漫游步長(zhǎng)以及旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)參數(shù)，進(jìn)行等比例的集成，對(duì)地層模型、巷道模型以及地表模型進(jìn)行第一人稱的交互式瀏覽。

（6）此外，結(jié)合煤礦生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)所制定的生產(chǎn)、工作計(jì)劃，可直觀確定井下采掘工程的工作面、事故點(diǎn)，以此為源點(diǎn)，通過巷道中線所構(gòu)建的三維拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)向上追溯分析，或者通過緩沖區(qū)分析得出輸入范圍的巷道拐點(diǎn)，即可查找最近疏散硐室、風(fēng)井或最佳路線，為進(jìn)一步的采礦計(jì)劃修改定制以及井下單兵疏散救援提供及時(shí)指導(dǎo)（效果如圖14所示）。

圖14 礦井三維可視化集成界面Fig．14 The integrated interface of three?dimensional visualization model of coal mine

4 結(jié)論

本文在應(yīng)用GIS空間分析處理和SketchUp三維快速建模功能結(jié)合，進(jìn)行礦井地層建模、地表景觀建模及巷道建模構(gòu)建，最后應(yīng)用C＃．NET與ArcEngine編程環(huán)境通過內(nèi)嵌三維模塊GIS框架耦合集成礦井三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、勘察信息管理、礦井漫游、巖性渲染、事故點(diǎn)緩沖分析等基本功能；同時(shí)可基于切片原理對(duì)三維地質(zhì)體進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面和鉆孔柱狀圖快速生成，滿足采礦開采、生產(chǎn)管理及應(yīng)急管理基本決策需求。采用本文技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的礦井三維可視化，突破常規(guī)二維研究形式的束縛，為煤礦生產(chǎn)管理及應(yīng)急管理決策人員提供形象、逼真的決策軟件研發(fā)，為“數(shù)字礦山”技術(shù)體系下礦井安全生產(chǎn)、管理科學(xué)化以及生產(chǎn)與應(yīng)急管理預(yù)案編制提供借鑒。

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Research on Three?dimensional Visualization Method in Coal Mine by Applying GIS and SketchUp Pro Softwares

Li Haijun1，2，Meng Jian1，Zhang Yaowen1，2
（1．Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China；2．Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin150080，China）

To represent the information of both coal mine modeling and three?dimensional geoscience timely and visually，this thesis makes three models of three?dimensional stratum of coal mine，landscape architecture，and engineering tunnel by utilizing the ArcGIS and SketchUp Pro softwares，and finally accomplishes the system integration of prototype as well as its secondary development under the developing environment combined the．NET Framework and AE together．As proved，the three?dimensional visualization effect in coal mine models realized by this technical proposal is visual，immersive，practical，and reliable．Therefore，it can serve as a reference for the improvement of coal mining exploitation design and software development supported by emergent management．

three?dimensional visualization；coal mine stratum；landscape architecture；tunnel model

P208

：A

：1673－8047（2017）01－0034－08

2016－08－22

河北省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（Z2013027）；防災(zāi)科技學(xué)院專業(yè)核心課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)（201309）．

李海君（1986—），男，博士研究生，講師，主要從事GIS地學(xué)應(yīng)用及應(yīng)急管理系統(tǒng)研究及教學(xué)。