基于3DMine的Web網(wǎng)頁三維可視化插件設(shè)計與應(yīng)用

鞏瑞杰 陳彥亭 常龍新 陳 越 龐曄斌

(1.河北鋼鐵集團(tuán)司家營鐵礦有限公司:2.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司)

當(dāng)今社會互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使資源高度共享，網(wǎng)絡(luò)信息化已經(jīng)成為各行業(yè)提高效率的首選。近年來，河鋼礦業(yè)公司加快了信息化建設(shè)的步伐，以圍繞礦山發(fā)展為目標(biāo)，以自主創(chuàng)新為支撐，以提高管理水平和經(jīng)濟效益為目的，信息化建設(shè)的步伐穩(wěn)步向前。數(shù)字礦山建設(shè)是公司提高礦山管控水平、改善各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)以及提升礦山長遠(yuǎn)競爭力的有力手段，它是以計算機及網(wǎng)絡(luò)為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工，應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的。三維空間模型的創(chuàng)建及拓展應(yīng)用是數(shù)字礦山建設(shè)中關(guān)鍵性的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對數(shù)字化礦山成果展示、礦山工程設(shè)計與管理決策具有十分重要的意義。

1 3DMine軟件及3DWEB插件

隨著計算機軟、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，三維建模軟件在地勘單位、設(shè)計院、礦山及高校得到廣泛應(yīng)用，比較有代表性的軟件包括Dmine、3DMine、Supac、Micromine等。3DMine三維礦業(yè)工程軟件是集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)管理、礦床地質(zhì)建模、構(gòu)造模型、傳統(tǒng)和現(xiàn)代地質(zhì)儲量計算、露天及地下礦山采礦設(shè)計、生產(chǎn)進(jìn)度計劃、露天境界優(yōu)化及生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)為一體的三維可視化軟件系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式相比，該軟件所作出的三維模型具有直觀、形象、容易理解等特點[1]。

在3DMine軟件的基礎(chǔ)上，利用C++語言開發(fā)的Web網(wǎng)頁三維可視化插件(以下簡稱3DWEB)可以使得3DMine軟件制作的三維模型在Web網(wǎng)頁窗口中顯示，并能進(jìn)行簡單的功能操作，同時兼容顯示MapGis、Autocad格式的二維圖形。在不增加軟件購置成本，使用人員不需要專業(yè)軟件培訓(xùn)的情況下極大地擴展了3DMine軟件的應(yīng)用范圍。

2 三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)

三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)是為了搭建礦產(chǎn)資源信息管理平臺，提高企業(yè)數(shù)字化管理水平而研發(fā)的管理軟件。它是在礦產(chǎn)資源信息數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)上建立一個包括地質(zhì)、測量、采礦、礦業(yè)權(quán)管理等在內(nèi)的空間信息平臺，使得礦產(chǎn)資源信息在統(tǒng)一的平臺傳輸和集成，實現(xiàn)對公司下屬各礦山礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并根據(jù)礦山管理工作的需要實現(xiàn)逐級用戶權(quán)限管理，打通礦山各部門之間、各礦山之間及礦山與礦業(yè)公司之間的數(shù)據(jù)共享脈絡(luò)，建立數(shù)據(jù)流通“高速公路”，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)全公司的礦產(chǎn)資源信息動態(tài)管理、數(shù)據(jù)二次挖掘，為礦產(chǎn)資源信息提供高效率、科學(xué)化的管理和決策支持。3DWEB依托于三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)，訪問系統(tǒng)后下載安裝插件即可實現(xiàn)三維顯示和相關(guān)操作。

3 程序設(shè)計

3.1 環(huán)境基礎(chǔ)技術(shù)

3.1.1 Eclipse平臺

Eclipse是一個開放源代碼的、通用的、基于Java的可擴展的集成開發(fā)環(huán)境。盡管Eclipse主要是一個Java開發(fā)環(huán)境，但其最有特色的是插件體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)確保了對其他編程語言的支持。3DWEB插件即選用C++編程語言。Eclipse本身的設(shè)計思想是通過集成大量的插件不斷擴展其功能，以支持各種不同的應(yīng)用。用Eclipse開發(fā)的插件可以適應(yīng)多平臺的需要，且具有良好的可擴展性和靈活性[2]。

3.1.2 Oracle數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息時代的一項重要技術(shù)，隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷提升，各種版本的數(shù)據(jù)庫不斷更新?lián)Q代，目前市場上關(guān)系型數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要有Oracle、SQL Server、DB2等。其中Oracle是一種適用于大型、中型和微型計算機的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用SQL(Structured guery language)作為數(shù)據(jù)庫語言。考慮到其本身的安全性能、對大數(shù)據(jù)量處理的技術(shù)成熟的特性、可靠的系統(tǒng)恢復(fù)和數(shù)據(jù)恢復(fù)的能力，3DWEB中主體功能的數(shù)據(jù)存儲選擇Oracle數(shù)據(jù)庫。

3.1.3 文件服務(wù)器技術(shù)

MongoDB是一個基于分布式文件存儲的數(shù)據(jù)庫。由C++語言編寫，用其來管理所有的文檔、二維矢量和三維模型文件，旨在為WEB應(yīng)用提供可擴展的高性能數(shù)據(jù)存儲解決方案。它具有高性能、易部署、易使用、存儲數(shù)據(jù)非常方便的特點。

3.2 3DWEB程序總體結(jié)構(gòu)

3DWEB插件是基于3DMine三維引擎所提供的SDK開發(fā)的ActiveX應(yīng)用程序插件，插件繼承了3DMine平臺優(yōu)秀的三維展示效果和先進(jìn)的三維空間算法，不但提供了管理系統(tǒng)要求的全部三維分析處理功能，并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對于管理系統(tǒng)獨有的如文件下載解壓、儲量核實、炮孔數(shù)據(jù)約束統(tǒng)計等功能模塊。用戶對程序軟件最直觀的評價就是程序界面顯示和交互，數(shù)據(jù)信息的顯示應(yīng)方便高效，而交互可以幫助用戶更好地完成工作。實現(xiàn)軟件界面交互的更高要求是界面的自定義配置以及三維顯示。為實現(xiàn)上述功能，在程序的總體結(jié)構(gòu)中將數(shù)據(jù)內(nèi)容和實現(xiàn)功能按類別分為自動化可視框架類庫、自動化實體對象類庫、自動化基本算法類庫、自動化三維操作類庫，如圖1。

圖1 3DWEB總體結(jié)構(gòu)

將礦山數(shù)據(jù)劃分為2個類別：數(shù)據(jù)文件和信息記錄。數(shù)據(jù)文件應(yīng)包括各種原始資料和運用各種二維、三維軟件產(chǎn)生的成果文件，這類數(shù)據(jù)的顯示應(yīng)體現(xiàn)體態(tài)特征以及空間關(guān)系，采用3DWEB控件可以在瀏覽器窗口調(diào)用數(shù)據(jù)文件執(zhí)行顯示，并可以提供回調(diào)函數(shù)提供操作；信息記錄可以利用豐富的Web前端控件靈活地展示數(shù)據(jù)內(nèi)部的關(guān)系。

3.3 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

為了把復(fù)雜的問題簡單化、直觀化，選用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，將系統(tǒng)中所有的對象和操作都抽象為類和類的操作[3]。3DWEB控件依托于三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)運行，因此，主要的程序設(shè)計以實現(xiàn)各種功能的命令為主，劃分為應(yīng)用程序類、應(yīng)用程序自動化類、自動化文檔類、自動化對象類、自動化圖層類。以應(yīng)用程序類為例，操作中涉及的主要功能是初始化三維界面、加載需要查看的文件、查看文件、清除當(dāng)前文件加載新的文件，因此，設(shè)計中主要用到以下幾個功能：

BOOL CVisualwebApp::Initlnstance(); ∥對程序進(jìn)行初始化

AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState();∥ 模塊切換時的狀態(tài)保護(hù)指向當(dāng)前模塊狀態(tài)

Void RemoveTempFile(); ∥刪除三維界面中的臨時文件

BCGCBProDllInitialize(); ∥初始化BCG動態(tài)庫資源

Typedef int (__cdecl *MineResInit)(); ∥加載資源序列

GetContextMenuManager()->AddMenu(_T("string Manager"),IDR_POPUP_MANAGE_STRING); ∥層管理器

m_AppCUI.ResetRibbon(); m_AppCUI.cleanToolbar(); ∥清除以前的設(shè)置

在自動化文檔類、自動化對象類、自動化圖層類中以STDMETHODIMP和HRESULT函數(shù)為主，如

STDMETHODIMP CAutoDoc::get_WorkPath (BSTR * ppVal) ∥文檔路徑

STDMETHODIMP CAutoDoc::Save () ∥文檔保存

HRESULT CAutoDoc::DownRemoteFtpFile() ∥調(diào)用FTP文件用于采場現(xiàn)狀自動更新

HRESULT CAutoDoc::CalcDynamicReserve() ∥表格動態(tài)保留

4 功能實現(xiàn)

4.1 顯示功能

三維信息交換共享是礦業(yè)公司與礦山之間實現(xiàn)傳達(dá)指示、匯交資源和生產(chǎn)信息的業(yè)務(wù)要求。在三維礦產(chǎn)資源信息管理平臺上進(jìn)行交換的信息流具有多種類型和表現(xiàn)形式。根據(jù)信息的類型、重要程度、在實際工作中的應(yīng)用等屬性，對之采用不同的處理方式。三維模型是其中最直觀、實時效果最好、數(shù)據(jù)量集成最多的一種信息流類型。3DWEB的研發(fā)使得各類常見的礦山三維矢量模型文件和DWG、Mapgis等矢量數(shù)據(jù)格式可以直接在網(wǎng)頁窗口中進(jìn)行展示，不需要借助專業(yè)的三維模型制作軟件。如圖2所示，在三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)的三維顯示界面中下載3DWEB插件并安裝程序，然后在系統(tǒng)中查詢到需要查看的圖件或三維模型，點擊查看按鈕即可顯示，操作者可以通過移動鼠標(biāo)來查詢不同位置的模型屬性。

圖2 3DWEB顯示功能

4.2 編輯功能

三維模型編輯功能的基本操作主要包括：

(1)全屏縮放，聚焦到當(dāng)前三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。

(2)清屏，清空屏幕中的所有數(shù)據(jù)。

(3)Gourand渲染，對實體或約束顯示的塊體進(jìn)行Gourand渲染，使圖形的顏色更加細(xì)膩，地表模型可以根據(jù)高程進(jìn)行顏色渲染，塊體模型可以根據(jù)品位屬性進(jìn)行顏色渲染。

(4)平移，按住鼠標(biāo)左鍵可以移動空間圖形。

(5)距離量測，查詢圖中任意兩點之間的距離。

(6)圖層管理器，層瀏覽器是用來顯示當(dāng)前載入圖形工作區(qū)的線、實體和數(shù)據(jù)庫等文件，不同特性的對象可劃分為不同的圖層，通過圖層管理器可以控制各要素圖層的開關(guān)。

(7)屬性管理器，顯示圖形區(qū)內(nèi)圖形的相關(guān)屬性，比如圖層、線型、顏色等，可以點擊某項屬性進(jìn)行編輯更改。

(8)坐標(biāo)網(wǎng)，為空間模型數(shù)據(jù)插入坐標(biāo)網(wǎng)格。

(9)清除臨時標(biāo)記，清除繪制圖元時臨時產(chǎn)生的標(biāo)記。

(10)按鈕工具，包括俯視、前視、左視功能，分別查看圖形的XY面、XZ面、ZY面。

(11)切割剖面，剖面線可以通過手動畫線、指定高程值或勘探線等方式進(jìn)行選擇，將三維視圖下的操作快速轉(zhuǎn)換到二維視圖下。

(12)退出剖面，即退出當(dāng)前剖面狀態(tài)。

(13)畫線，根據(jù)需要繪制多段線。

(14)注記，根據(jù)需要添加文字注釋。

3DWEB編輯功能示意見圖3。

圖3 3DWEB編輯功能

4.3 計算功能

塊體模型是國際上通用的儲量計算方法中重要的理念，實際上也是一個數(shù)據(jù)庫[4]。主要是在空間上確定一定尺寸的空間塊體，利用規(guī)則的塊體來充填不規(guī)則的礦體。每個相對應(yīng)的塊體都有一個質(zhì)心點，這樣，在質(zhì)心點上可以存儲所有屬性；同時，引進(jìn)次級模塊的概念，保證礦體邊緣的塊體盡可能地與礦體界線(曲面)相一致，從而得到準(zhǔn)確的報告值。與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對品位分布進(jìn)行估值，從而形成不同約束條件下的品位模型[5]。3DWEB很好地繼承了這一功能，可以直接在網(wǎng)頁三維展示窗口中利用塊體模型準(zhǔn)確地進(jìn)行資源量和品級報告。如圖4所示，加載塊體模型之后，手工圈定任意感興趣的礦體或動用區(qū)域，多段線必須閉合，然后單擊“儲量報告”按鈕，設(shè)置后系統(tǒng)將以報表的形式在顯示窗口中輸出閉合線圈定范圍內(nèi)的礦體或動用區(qū)域的資源量，若為動用區(qū)域還可以利用自動更新功能直接更新采場現(xiàn)狀，展示動用后的采場形態(tài)，并列表給出每個位置的動用資源量。該功能可以快速得出礦體任意位置的礦產(chǎn)資源情況，展示采場工作面最新推進(jìn)情況，同時輔助用戶準(zhǔn)確定位，滿足各級領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)計劃部門對礦產(chǎn)資源情況的掌握。

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是礦山資源評估和采礦設(shè)計的基礎(chǔ)，是礦山生產(chǎn)管理的重點。為

圖4 3DWEB計算功能

了提高礦床勘探程度，達(dá)到儲量升級，為編制礦山生產(chǎn)計劃，進(jìn)行采礦生產(chǎn)設(shè)計和施工管理提供重要依據(jù)，公司地質(zhì)技術(shù)人員以爆區(qū)炮孔取樣化驗作為主要生產(chǎn)勘探手段。炮孔數(shù)據(jù)庫的建立方法與鉆孔數(shù)據(jù)庫類似，用3個數(shù)據(jù)表來記錄炮孔的開孔、測斜和化驗信息。數(shù)據(jù)庫可以直接在三維顯示窗口中打開，并自動統(tǒng)計分析閉合線區(qū)域內(nèi)的炮孔數(shù)據(jù)信息，包括有用組分，有效樣品數(shù)，品位最大值、最小值、平均值和變化系數(shù)信息，以有用組分為分類條件分別統(tǒng)計。

5 結(jié) 論

3DWEB插件在3DMine軟件的基礎(chǔ)上，利用C++語言開發(fā)而成，與操作系統(tǒng)間的整合性與兼容性良好。安裝插件后，使用人員不需要安裝專業(yè)的3DMine軟件和MapGis、Autocad等專業(yè)繪圖軟件即可在網(wǎng)頁中顯示上述軟件繪制的模型或圖形，降低了企業(yè)辦公成本。軟件界面友好，風(fēng)格統(tǒng)一，而且在服務(wù)器和客戶端都提供了插件下載窗口，大大方便了用戶的使用，操作簡單，提高了專業(yè)軟件的利用率，使用人員不需要經(jīng)過專門的軟件培訓(xùn)即可實現(xiàn)對相關(guān)軟件繪制圖形或所做模型的查看與簡單操作，將專業(yè)制圖軟件的應(yīng)用范圍從技術(shù)層擴大到了公司的管理層，但是該插件目前只依托于三維礦產(chǎn)資源信息管理系統(tǒng)運行，這是它的局限性。3DWEB插件對于礦山常用地質(zhì)專業(yè)軟件的推廣使用和礦山信息化建設(shè)的提高具有重要意義。