礦井三維模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、礦井三維模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 摘要：巷道包含了復(fù)雜的拓撲信息和空間信息， 是礦井其他信息的空間載體， 其建模尤為重要。本文針對礦井三維模型可視化的需要，設(shè)計并實現(xiàn)了一套 基于 Java 語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現(xiàn)、巷道紋理材質(zhì)庫的選擇、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、 分析和表達真實礦山中各 種空間實體對象的屬性信息， 而且涉及大量復(fù)雜的空間定位特征及可能拓撲關(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)真實礦山世界和計算機中抽象的礦 山世界的橋梁 1 。本研究就是對礦井三維模型可視化系統(tǒng)進行設(shè)計與實現(xiàn)。 通過數(shù)字礦山建設(shè)至少可以在以下幾個方面給礦山企業(yè)帶來好處：1、提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和資源優(yōu)化；2、加強礦山的安全管理，積極的預(yù)防礦難事故；3、降低決策的風險性，提高企業(yè)快速反應(yīng)能力。本文針對煤礦井下環(huán)境抽象出各類圖元， 在空間上模擬真實井下系統(tǒng)， 實現(xiàn)了礦井三維 模型可視化系統(tǒng) 2-3 。2 JOGL 圖形庫JOGL是Java對OpenGL API綁定的開源項目并設(shè)計為采用Java開發(fā)的應(yīng)用程序提供2D/3D 圖形硬件支持。 JOGL 對 OpenGL 2.04-5 規(guī)范中的 AP

3、I 和幾乎所有第三方開發(fā)商 的擴展提供完整訪問，而且集成了 AWT 和 Swing 界面組件。 JOGL 函數(shù)庫的簡單抽象 要比高度抽象如 Java 3D 函數(shù)庫執(zhí)行起來高效的多，因為其大部分代碼是自動生成的， 所以 JOGL 的升級可以迅速的與 OpenGL 升級相統(tǒng)一 6-8 。3 礦井三維模型可視化的設(shè)計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)提取不像地表實體一樣簡單。 巷道圖元與巷道圖元間采用 非直線形式，以實際角度進行弧形連接。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 。在點線面模型中， 最基本的是點和線， 面和體是通過線復(fù)合而來的， 所以設(shè)計巷道的主 要思路為點和線的確定，然后構(gòu)成面和體 10。巷道圖元的整體設(shè)計， 繪制起點設(shè)定在笛卡爾坐標系的原點，巷道向屏幕z軸負方向延伸。笛卡爾坐標系如圖 3.1 所示。圖3.1笛卡爾坐標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。當給定參數(shù)后開始建模根據(jù)點繪制面，進而構(gòu)成體。如上所述，構(gòu)筑的起點位于笛卡爾坐標系原點，繪制 的方向為先繪制矩形左豎直面，然后按照順時針方向，將其他面逐漸構(gòu)

5、出。使用OpenGL函數(shù)根據(jù)點坐標繪制出三角形，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)境下可以從點坐標入手， 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，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)定了其單個支架的大小后，連續(xù)排在采區(qū)進行模擬。其三維模型需要考慮以下問題： 一是液壓支架的連動部分是根據(jù)其兩排支柱的伸縮來

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，當支柱高低伸縮時，左邊隨之旋轉(zhuǎn)的面板旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為LeftTurnAngle，而左邊上下兩塊面板的旋轉(zhuǎn)夾角設(shè)為InterturnAngle。此處還有一個假設(shè)數(shù)據(jù)是面板長度， 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需要將巷道圖元以一定的角度連接起來，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：補齊圓方法矩形連接拐角的主要功能是將兩個矩形巷道圖元連接起來，所需要的參數(shù)就是兩個矩形巷道圖元的對接參數(shù)，包括兩個巷道寬度，高度，方向。將兩個巷道的參數(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“補齊圓法”，即使用所給參數(shù)將兩巷道圖元用弧形連接起來，而內(nèi)外 的這兩段弧形必是某圓上的一段，而這個圓唯一。根據(jù)圖元連接坐標和平緩長度將圓補齊，再根據(jù)圓心角和半徑求出平緩過渡的單元坐標。3.4礦井三維模型的總體設(shè)計由于三維礦井的概念是開放性的， 所以本文的設(shè)計并非是針對某一礦井， 而是根據(jù)特定 礦井實體數(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)實體數(shù)據(jù)搭建模 型。另外，在搭建總體的三維虛擬礦井時，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， 散光源和點光源。 兩種光源都是為模擬不同場景提供選擇使用。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，進行實際的巷道模擬進行綜合的顯示。