礦井三維模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、礦井三維模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要：巷道包含了復(fù)雜的拓?fù)湫畔⒑涂臻g信息， 是礦井其他信息的空間載體， 其建模尤為重要。本文針對(duì)礦井三維模型可視化的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套 基于 Java 語(yǔ)言的礦井三維可視化模型。系統(tǒng)主要包括不同斷面巷道模型的 分類和參數(shù)化構(gòu)建、礦井液壓支架模型的實(shí)現(xiàn)、巷道紋理材質(zhì)庫(kù)的選擇、光 照選擇，巷道漫游等。關(guān)鍵詞：礦井三維可視化，JOGL, Java，巷道1 引言數(shù)字礦山作為一種復(fù)雜的三維空間信息系統(tǒng)， 不僅能夠存儲(chǔ)、 分析和表達(dá)真實(shí)礦山中各 種空間實(shí)體對(duì)象的屬性信息， 而且涉及大量復(fù)雜的空間定位特征及可能拓?fù)潢P(guān)系的組織 和管理。 因而， 數(shù)字礦山的三維空間數(shù)據(jù)模

2、型是聯(lián)結(jié)真實(shí)礦山世界和計(jì)算機(jī)中抽象的礦 山世界的橋梁 1 。本研究就是對(duì)礦井三維模型可視化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)數(shù)字礦山建設(shè)至少可以在以下幾個(gè)方面給礦山企業(yè)帶來(lái)好處：1、提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和資源優(yōu)化；2、加強(qiáng)礦山的安全管理，積極的預(yù)防礦難事故；3、降低決策的風(fēng)險(xiǎn)性，提高企業(yè)快速反應(yīng)能力。本文針對(duì)煤礦井下環(huán)境抽象出各類圖元， 在空間上模擬真實(shí)井下系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了礦井三維 模型可視化系統(tǒng) 2-3 。2 JOGL 圖形庫(kù)JOGL是Java對(duì)OpenGL API綁定的開(kāi)源項(xiàng)目并設(shè)計(jì)為采用Java開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序提供2D/3D 圖形硬件支持。 JOGL 對(duì) OpenGL 2.04-5 規(guī)范中的 AP

3、I 和幾乎所有第三方開(kāi)發(fā)商 的擴(kuò)展提供完整訪問(wèn)，而且集成了 AWT 和 Swing 界面組件。 JOGL 函數(shù)庫(kù)的簡(jiǎn)單抽象 要比高度抽象如 Java 3D 函數(shù)庫(kù)執(zhí)行起來(lái)高效的多，因?yàn)槠浯蟛糠执a是自動(dòng)生成的， 所以 JOGL 的升級(jí)可以迅速的與 OpenGL 升級(jí)相統(tǒng)一 6-8 。3 礦井三維模型可視化的設(shè)計(jì)3.1 巷道圖元三維模型分析巷道由于存在于地下， 其數(shù)據(jù)提取不像地表實(shí)體一樣簡(jiǎn)單。 巷道圖元與巷道圖元間采用 非直線形式，以實(shí)際角度進(jìn)行弧形連接。根據(jù)巷道的不同用途，其斷面形狀，寬度，高 度也都不一樣， 所以可以從巷道斷面形狀入手抽象出幾例模型。 模型按照斷面分類， 可 以簡(jiǎn)單分為矩形斷

4、面巷道，梯形斷面巷道，拱形斷面巷道，圓形斷面巷道。 各例巷道圖元根據(jù)其斷面形狀，自然具備其屬性數(shù)據(jù) 9 。在點(diǎn)線面模型中， 最基本的是點(diǎn)和線， 面和體是通過(guò)線復(fù)合而來(lái)的， 所以設(shè)計(jì)巷道的主 要思路為點(diǎn)和線的確定，然后構(gòu)成面和體 10。巷道圖元的整體設(shè)計(jì)， 繪制起點(diǎn)設(shè)定在笛卡爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)，巷道向屏幕z軸負(fù)方向延伸。笛卡爾坐標(biāo)系如圖 3.1 所示。圖3.1笛卡爾坐標(biāo)系比如矩形斷面巷道：矩形斷面巷道需要接受的參數(shù)包括：矩形寬，高，以及巷道的長(zhǎng)。當(dāng)給定參數(shù)后開(kāi)始建模根據(jù)點(diǎn)繪制面，進(jìn)而構(gòu)成體。如上所述，構(gòu)筑的起點(diǎn)位于笛卡爾坐標(biāo)系原點(diǎn)，繪制 的方向?yàn)橄壤L制矩形左豎直面，然后按照順時(shí)針?lè)较颍瑢⑵渌嬷饾u構(gòu)

5、出。使用OpenGL函數(shù)根據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)繪制出三角形，然后再拼成巷道模型。如圖3.2所示：圖3.2矩形巷道數(shù)學(xué)模型建立根據(jù)以上三維模型分析， 在OpenGL環(huán)境下可以從點(diǎn)坐標(biāo)入手， 以相應(yīng)繪制模式構(gòu)建出 三角形面，繼而構(gòu)建成為矩形面， 最終構(gòu)建成不同類型的巷道模型， 實(shí)現(xiàn)各類巷道模型 的可視化建立11。3.2液壓支架三維模型分析液壓支架的型式很多。煤礦液壓支架有以下屬性特點(diǎn)，根據(jù)中間頂杠的有力伸縮，支架高度可以調(diào)節(jié)；支架前面板可以自由旋轉(zhuǎn)角度，以靈活的支撐采區(qū)頂部。由此，可以在設(shè)定了其單個(gè)支架的大小后，連續(xù)排在采區(qū)進(jìn)行模擬。其三維模型需要考慮以下問(wèn)題： 一是液壓支架的連動(dòng)部分是根據(jù)其兩排支柱的伸縮來(lái)

6、控制，二是前支架面板的旋轉(zhuǎn)角度可以自由設(shè)定。由上分析，設(shè)支柱高度參數(shù)為Pla nkHeight，支架前面板水平旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)為 FrontPanelAngle。如圖3.3所示，當(dāng)支柱高低伸縮時(shí)，左邊隨之旋轉(zhuǎn)的面板旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為L(zhǎng)eftTurnAngle，而左邊上下兩塊面板的旋轉(zhuǎn)夾角設(shè)為InterturnAngle。此處還有一個(gè)假設(shè)數(shù)據(jù)是面板長(zhǎng)度， 假設(shè)液壓支架的上下兩塊面板大小一樣，左邊兩塊隨動(dòng)面板與上F兩塊面板大小也都一樣。LeTtT-y圖3.3液壓支柱數(shù)學(xué)模型3.3巷道圖元的連接三維礦井環(huán)境下，使用已經(jīng)抽象出的巷道圖元，搭建走向不同的巷道時(shí)需要將巷道圖元以一定的角度連接起來(lái)，從而組建成為真正的

7、三維礦井走向圖。以下是巷道俯視連接拐角圖：補(bǔ)齊圓方法矩形連接拐角的主要功能是將兩個(gè)矩形巷道圖元連接起來(lái)，所需要的參數(shù)就是兩個(gè)矩形巷道圖元的對(duì)接參數(shù)，包括兩個(gè)巷道寬度，高度，方向。將兩個(gè)巷道的參數(shù)輸入，就可得到圖元拐角。如圖3.4所示:l_aIMCZ3 -叩圖3.4矩形巷道連接拐角這種算法，稱為“補(bǔ)齊圓法”，即使用所給參數(shù)將兩巷道圖元用弧形連接起來(lái)，而內(nèi)外 的這兩段弧形必是某圓上的一段，而這個(gè)圓唯一。根據(jù)圖元連接坐標(biāo)和平緩長(zhǎng)度將圓補(bǔ)齊，再根據(jù)圓心角和半徑求出平緩過(guò)渡的單元坐標(biāo)。3.4礦井三維模型的總體設(shè)計(jì)由于三維礦井的概念是開(kāi)放性的， 所以本文的設(shè)計(jì)并非是針對(duì)某一礦井， 而是根據(jù)特定 礦井實(shí)體數(shù)據(jù)構(gòu)建出三維模型，將礦井巷道以及其他設(shè)備圖元化，根據(jù)實(shí)體數(shù)據(jù)搭建模 型。另外，在搭建總體的三維虛擬礦井時(shí)，也需要一些其他東西做渲染輔助，如光照。系統(tǒng)提供兩種光照方式， 散光源和點(diǎn)光源。 兩種光源都是為模擬不同場(chǎng)景提供選擇使用。如圖3.6所示：圖3.6構(gòu)建巷道4系統(tǒng)運(yùn)行綜合顯示效果就是將液壓支架放入巷道的采區(qū)中，再配合光照和交互，進(jìn)行實(shí)際的巷道模擬進(jìn)行綜合的顯示。