基于ArcGISEngine的礦井巷道三維自動建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)

1、第5期 2009年5月工礦自動化IndustryandMineAutomationNo.5 May2009文章編號:1671-251X(2009)05-0022-04基于ArcGISEngine的礦井巷道三維*自動建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)王學(xué)偉1,2, 邵亞琴1,2, 汪云甲1,2(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008) 摘要:文章比較和分析了幾種礦井巷道三維建模技術(shù),提出了一種基于ArcGISMultiPatch3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的礦井巷道三維建模方法,即在C#開發(fā)環(huán)境下,結(jié)合巷道自身的特點(diǎn),在ArcGISEngine平臺上進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了礦

2、井巷道的三維自動建模。該方法為礦井巷道三維信息系統(tǒng)的建立提供了新的解決方案。關(guān)鍵詞:礦井巷道;三維自動建模;MultiPatch;ArcGISEngine 中圖分類號:TD177 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AResearchof3DAutomaticModelingMethodofMineLanewayBasedonArcGISEngineandItsImplementationWANGXue wei, SHAOYa qin, WANGYun jia1,21,21,2(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformaticsofCUMT.,Xuzhou221008,

3、China.2.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationEngineering,Xuzhou221008,China) Abstract:Thepapercomparedandanalyzed3Dmodelingtechnologiesofminelaneway,putforwarda3DmodelingmethodofminelanewaybasedonMultiPatch3DdatastructureinArcGIS.Consideringcharacteristicsofminelaneway,themethod

4、realized3DautomaticmodelingofminelanewaybasedonsecondarydevelopmentonArcGISEngineplatformundertheC#developingenvironment.Themethodprovidesanewsolutionforestablishmentof3Dminelanewayinformationsystem.Keywords:minelaneway,3Dautomaticmodeling,MultiPatch,ArcGISEngine0 引言煤礦開采對象類型眾多、形態(tài)各異、條件多變,且是采前具有很大不確定性

5、的天然資源。井下巷道縱橫交錯、錯綜復(fù)雜,工作地點(diǎn)及資源條件不斷變化。如何立體、直觀、準(zhǔn)確地表現(xiàn)并反映井下巷道及其空間關(guān)系,是礦山測繪科技工作者的重要研究課題,也是煤礦安全、高效、合理開發(fā)的重要保障1多,包括應(yīng)用通用三維建模軟件建模、自主開發(fā)三維建模系統(tǒng)和基于組件技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)1。其中,通用三維建模軟件建模包括3DMAX和AutoCAD等,在這些軟件之上建立的三維模型雖有很好的逼真度,但是缺少靈活性,不便于模型更新,編輯能力不強(qiáng),可移植性差,更難以進(jìn)行空間拓?fù)浞治?自主開發(fā)三維建模系統(tǒng)軟件主要有OpenGL、Direct3D、Java3D等,該類技術(shù)要求開發(fā)者具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知

6、識2,并且是一項(xiàng)底層開發(fā)技術(shù),開發(fā)周期相對較長,容易產(chǎn)生解決困難的知識類錯誤,最關(guān)鍵的是該類技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)只是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),并不提供支持管理與決策的信息;而組件類技術(shù)是在已有的開發(fā)組件基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開發(fā),該類技術(shù)將絕大部分復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識都封裝在函數(shù)庫中,開發(fā)者只需要應(yīng)用組件中的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維可視化及分析功能,函數(shù)內(nèi)部的原理對開,。巷道系統(tǒng)是礦山三維虛擬場景的重要組成部分,是構(gòu)建數(shù)字礦山的基礎(chǔ)。目前,應(yīng)用于巷道三維可視化的建模技術(shù)很收稿日期:2008-12-10*基金項(xiàng)目:全國百篇優(yōu)秀博士論文專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(200348),國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(50534050)作者簡介:王

7、學(xué)偉(1969-),男,遼寧北鎮(zhèn)人,中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院2006級博士研究生,主要研究方向?yàn)?DGIS、CAD軟件E mail:w1969s2009年第5期王學(xué)偉等:基于ArcGISEngine的礦井巷道三維自動建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)! 23 !正是二次開發(fā)在近幾年迅速發(fā)展的原因所在,其中,ESRI公司的ArcGISEngine3最為典型。ArcGISEngine具備豐富的GIS空間分析功能,可以很好地與管理信息系統(tǒng)(MIS)和決策支持系統(tǒng)(DSS)相結(jié)合,形成功能完備的三維礦山地理信息系統(tǒng)(3DMGIS)。本文基于ArcGISEngine探討了一種礦井巷道三維自動建模的方法,實(shí)現(xiàn)了礦井巷

8、道的自動建模和紋理映射,為 數(shù)字礦山 建設(shè)中三維巷道系統(tǒng)的建立提供了新的思路。1 開發(fā)平臺簡介1.1 ArcGISEngine開發(fā)平臺簡介ArcGISEngine是用于構(gòu)建定制應(yīng)用的一套完整的嵌入式GIS組件庫。利用ArcGISEngine,開發(fā)者能將ArcGIS的各種功能集成到一些應(yīng)用軟件中,還可以為用戶提供針對GIS解決方案的定制應(yīng)用。ArcGISEngine可在Windows、UNIX和Linux桌面上運(yùn)行并支持一系列的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境,在進(jìn)行二次開發(fā)之前,首先要根據(jù)需要和實(shí)際情況選擇一種適合ArcGISEngine的API和開發(fā)環(huán)境,不同的API使用的是相同底層的對象和接口,本文是在C

9、#環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)。ArcGISEngine提供了嵌入式的GIS組件,ArcGISEngine將一組核心組件ArcObjects封裝為21個類庫,其中System、SystemUI、Geometry為3個基礎(chǔ)類庫。System類庫是ArcGIS框架中最底層的一個庫,它包含了一些被其它庫使用的一些組件;SystemUI定義了一些在ArcGIS中被用戶界面組件使用的類型;Geometry包含了核心的幾何對象,比如點(diǎn)、線、面等,在幾何庫中還定義和實(shí)現(xiàn)了空間參考的對象,包括投影坐標(biāo)系和幾何坐標(biāo)系,為后面實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)模型分析和建模奠定了基礎(chǔ)。圖1為Geometry類庫功能圖。1.2 ArcGIS中的3

10、D數(shù)據(jù)模型分析礦井巷道三維建模難度較大,需要設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),ArcGIS中的MultiPatch數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為構(gòu)建復(fù)雜的3D巷道對象開辟了新的途徑。MultiPatch同Point(點(diǎn))、Polyline(線)等數(shù)據(jù)類型一樣,屬于矢量數(shù)據(jù),由一系列的有序三維點(diǎn)構(gòu)成三維平面,然后由這些平面構(gòu)成三維體。利用(c)Rings示意圖(a)TriangleStrip示意圖 (b)TriangleFan示意圖圖1 Geometry類庫功能圖MultiPatch構(gòu)建三維體的優(yōu)點(diǎn)是可以把這個三維體作為一個矢量要素存儲到MultiPatch類型的空間數(shù)據(jù)庫表中。3D模型包括矢量模型和表面模型。表面模型

11、包括TIN和Raster。3D矢量模型包括所有含有Z值的幾何對象:點(diǎn)(Point)、線(Line)、面(Polygon)以及MultiPatch(多片)。ArcGIS中的MultiPatch是從抽象類Geometry中繼承,產(chǎn)生方式有3種3:一是通過沿Z軸或者任意一條直線平移一個平面圖形的方法得到;二是通過定義每個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及組成面的類型得到;三是導(dǎo)入已有的三維模型到GeoDatabase中得到,這個已有的三維模型可以由3DSMAX、VRML或OpenFlight等軟件產(chǎn)生。通常,MultiPatch是一系列3D表面的集合,它用于描述三維物體表面,包括3種最常用的三維表面類型:三角條帶(Tri

12、angleStrip)、三角扇(TriangleFan)和組環(huán)(Rings),如圖2所示。圖2 MultiPatch細(xì)節(jié)圖TriangleStrip是按照集合中的三維點(diǎn)順序生條;!24!工礦自動化導(dǎo)入巷道數(shù)據(jù)庫。2.2 巷道三維建模算法分析2009年5月第一個點(diǎn)作為所有三角形的起點(diǎn),然后按照點(diǎn)位順序依次構(gòu)成三角形的三角扇面;Rings也是由三維點(diǎn)組成的集合,環(huán)相來說比較復(fù)雜,又分為4種類型:未定義環(huán)(RingUnknown)、第一個環(huán)(FirstRing)、內(nèi)環(huán)(InnerRing)與外環(huán)(OuterRing)。環(huán)可以描述多邊形的表面外邊界,用外環(huán)代表多邊形的外邊界,用多個內(nèi)環(huán)表示洞。Ring

13、也是由三維點(diǎn)組成的集合,只是它在三維表面模型的構(gòu)建中可以發(fā)揮特殊的角色,如建筑物的窗戶都可以通過環(huán)來實(shí)現(xiàn)。礦井巷道交錯復(fù)雜,形狀不一,特別是在自動生成巷道時,交叉接口和轉(zhuǎn)彎圓滑處理成為一個重要的問題,鑒于ArcGIS中MultiPatch環(huán)的特殊功能,本文采用環(huán)進(jìn)行三維巷道的建模。2 巷道三維建模的實(shí)現(xiàn)基于ArcGIS提供的MultiPatch3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),本文在C#開發(fā)環(huán)境下,結(jié)合巷道自身的特點(diǎn),在ArcGISEngine平臺上進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了礦井巷道的三維自動建模。圖3為礦井巷道三維自動建模實(shí)現(xiàn)流程圖。(1)獲取環(huán)節(jié)點(diǎn):通過巷道中線逼近算法得到巷道中心導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)后,根據(jù)巷道具體位

14、置的截面形狀(如圖4所示)計(jì)算截面各個頂點(diǎn)的三維坐標(biāo),為MultiPatch中的Rings的生成做好節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備。圖4 巷道斷面圖(2)生成環(huán)組模擬三維巷道:獲取各截面頂點(diǎn)三維坐標(biāo)后,將相鄰2個截面組成的柱體的每一個側(cè)面看作是一個環(huán),并且通過IPoint接口的sectionVertex方法設(shè)置各個環(huán)的節(jié)點(diǎn)參數(shù),利用IGeneralMultiPatchCreator接口中CreatMultiPatch方法依次生成Rings,這里要求不能有單獨(dú)的環(huán)生成,每一個環(huán)面都要與其它的環(huán)面相連,形成巷道三維模型,如圖5所示,組成巷道的每一個側(cè)面都是一個環(huán)。在巷道拐彎圓滑處理時,可以加密截面?zhèn)€數(shù),增加生成環(huán)的節(jié)點(diǎn)

15、,從而生成更多的環(huán)面來增加巷道模型的逼真程度。圖3 礦井巷道三維自動建模實(shí)現(xiàn)流程圖2.1 巷道中線點(diǎn)的獲取井下巷道最直接的數(shù)據(jù)源是采掘工程平面圖,而采掘工程平面圖的數(shù)據(jù)源是井下的大量導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)據(jù)。導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)據(jù)是巷道三維建模的基本數(shù)據(jù)源,其數(shù)據(jù)處理可以用經(jīng)典的測量平差方法進(jìn)行處理,處理方法已經(jīng)很成熟。目前有很多的井下巷道導(dǎo)線數(shù)據(jù)處理軟件,如北京的龍軟和西安的龍德地測管理系統(tǒng)。這類軟件一般都提供最終的導(dǎo)線點(diǎn)三維坐標(biāo)提取功能4。本文利用龍軟的地測管理系統(tǒng)所提取的導(dǎo)線點(diǎn)三維坐標(biāo)作為巷道三維建模的數(shù)據(jù)源,通過自己編寫的巷道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù),以及導(dǎo)線點(diǎn)所在的水平、采區(qū)、工作面、巷道、左幫、右?guī)偷葦?shù)據(jù)。

16、通過巷道中線逼近算法,提取巷道中心,圖5 巷道生成原理及圓滑處理示意圖(3)紋理映射:三維巷道自動生成后,要經(jīng)過渲染才能更接近真實(shí)的三維模型,ArcGIS類庫IGeometryMaterial接口提供了TextureImage,可以通過設(shè)置圖象文件名稱及路徑來加載紋理圖片,渲染三維巷道。巷道三維模型的紋理映射首先要設(shè)定紋理坐標(biāo),然后通過IGeneralMultiPatciCreator接口的Init方法進(jìn)行初始化,設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量、環(huán)面數(shù)量和紋理點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)量等參數(shù),最后設(shè)置單面參數(shù)以及每一個單面對應(yīng)點(diǎn)的參數(shù)。設(shè)置單面參數(shù)是通過2009年第5期王學(xué)偉等:基于ArcGISEngine的礦井巷道三維自動

17、建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)! 25 !(設(shè)置單面類型)、SetMaterialIndex(設(shè)置圖片索引)、SetPatchPointIndex(設(shè)置起始點(diǎn)坐標(biāo)索引)和SetPatchTexturePointIndex(設(shè)置起始紋理坐標(biāo)索引)方法實(shí)現(xiàn)。設(shè)置單面對應(yīng)點(diǎn)參數(shù)通過接口IGeneralMultiPatchCreator的SetPoint(設(shè)置點(diǎn)索引、地理點(diǎn)坐標(biāo))、SetTexturePoint(設(shè)置點(diǎn)索引、紋理坐標(biāo)點(diǎn))實(shí)現(xiàn)。2.3 C#環(huán)境下巷道三維建模實(shí)現(xiàn)根據(jù)ArcGIS類庫提供的方法,本文在C#環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了巷道的三維自動建模,效果如圖6所示。(a)部分巷道三維模型效果圖(b)梯形截面部分巷

18、道三維模型效果圖(c)巷道轉(zhuǎn)彎三維模型效果圖圖6 C#環(huán)境下巷道三維建模效果圖2.4 礦井附屬設(shè)施和礦工模型的導(dǎo)入礦井巷道建模的目的是模擬現(xiàn)實(shí)中的巷道,但是巷道生成后,如果巷道內(nèi)部沒有相應(yīng)的實(shí)體,則 現(xiàn)實(shí) 的感覺就會大打折扣。利用紋理替代還是做模型庫是需要研究的一個重要內(nèi)容。如果利用紋理替代井下實(shí)體設(shè)備建模,可以減少模型數(shù)據(jù)庫的大小,從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度。但是,僅用紋理代替實(shí)際模型,降低了井下虛擬環(huán)境的真實(shí)程度。ArcGIS中的MultiPatch有一種生成方式是導(dǎo)入已有的三維模型到GeoDatabase數(shù)據(jù)庫中,ArcGIS桌面產(chǎn)品中支持其它格式的三維模型作為三維標(biāo)注符號顯示在地圖數(shù)據(jù)上,

19、這些格式包括由3DSMAX創(chuàng)建的3DS(*.3ds)格式、MultigenCreator創(chuàng)建的OpenFlight(*.flt)格式和VRML(*.vrl)格式5。由于井下附屬設(shè)施和礦工模型建模復(fù)雜,種類繁多,將不同的模型類型進(jìn)行分類、建模,然后建立模型數(shù)據(jù)庫,在已建好的巷道三維模型中確定模型具體空間位置后將模型導(dǎo)入,增強(qiáng)了虛擬環(huán)境的真實(shí)程度。3 結(jié)語隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 數(shù)字礦山 的建設(shè)也在煤炭行業(yè)得到重視,礦井巷道作為 數(shù)字礦山 的主體,其三維建模技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。本文基于ArcGIS提供的MultiPatch3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在C#開發(fā)環(huán)境下,結(jié)合巷道自身的特點(diǎn),在ArcGISEng