三維可視化礦山安全生產管理系統(tǒng)結構的設計

三維可視化礦山安全生產管理系統(tǒng)結構的設計1引言由于我國地質條件復雜，礦井生產又受特殊工作環(huán)境的限制，充分掌握礦ft整體環(huán)境、礦井環(huán)境、設備等信息，對于礦ft生產管理、安全保障等都具有十分重要的意義。自1999年首屆“國際數(shù)字地球”大會提出了“數(shù)字礦ft”以來，經過十多年的發(fā)展，國外在數(shù)字礦ftGIS礦ft軟件，包括三維虛擬礦ft。我國大多數(shù)礦井內部三維模型較少考慮礦ft對全景激光移動測量、虛擬現(xiàn)實等技術進行研究，建立了實景三維礦ft框架，同時對其關鍵技術進行研究，可以為數(shù)字礦ft實景三維概述實景三維GIS是在二維GIS的基礎上，通過移動測量系統(tǒng)增加連續(xù)的地面可量測影像庫作為新的數(shù)據(jù)源，并通過開放的GIS軟件平臺與其實景三維數(shù)據(jù)無縫集成，從而為用戶理。移動測量系統(tǒng)移動測量系統(tǒng)（MobileMappingSystemMMS）是在移動載體（機動車、鐵路機車、飛機或無人機）上裝配GPS（全球定位系統(tǒng)）、CCD（攝影測量系統(tǒng)）、慣性導航系統(tǒng)（INS）等先進的傳感器和設備，在載體的行進之中通過攝影測量的方式快速采集地有用的專題數(shù)據(jù)?？闪繙y實景影像可量測實景影像（DigitalMeasurableImage，簡稱DMI）是一種以地面近景攝影測量包直接對立體影像進行測量、信息提取，并與其他基礎地理信息產品集成?？闪繙y實景影像可通過移動測量系統(tǒng)采集，并可通過開發(fā)與其他測繪地理信息產品進行集成，實現(xiàn)實景三維顯示、量測、統(tǒng)計分析等功能。以5m間隔采集一次覆蓋地表360范圍的影像。通過沿礦區(qū)道路進行地毯式掃描，即可建立礦區(qū)海量DMI立體影像庫。該影像庫實際上全方位地記錄了礦區(qū)地面的真實環(huán)境和三維空間尺寸，從而可以構成礦ft實景三維景觀，為實景三維礦ft地面實景三維數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)平臺框架利用全景激光移動測量系統(tǒng)，并結合礦ft各類安全傳感器（人員定位、瓦斯監(jiān)控、視頻監(jiān)控等），可以實現(xiàn)礦ft安全系統(tǒng)集成，為礦ft系統(tǒng)架構設計如圖1所示。系統(tǒng)建設關鍵技術實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)的實現(xiàn)涉及眾多的學科知識,主要包括三維空間數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結構及虛擬現(xiàn)實等關鍵技術。從圖1中可以看出,數(shù)據(jù)獲取是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,數(shù)據(jù)存儲是數(shù)字礦ft系統(tǒng)的基礎，數(shù)據(jù)表達是數(shù)字礦ft系統(tǒng)的核心。三維空間數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取是建立實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)的基礎工作。數(shù)據(jù)的準確程度是數(shù)據(jù)模型精度及空間分析準確性的關鍵。礦ft數(shù)據(jù)獲取主要集中在實景影像數(shù)據(jù)、礦ft測量數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)等方面。為此，數(shù)據(jù)的獲取具有多源性特點,應根據(jù)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構實施有效的組合和疊加,保證數(shù)據(jù)的質量和數(shù)量。除了傳統(tǒng)測量、地質鉆探等方法,礦ft三維空間數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)代技術主要有以下方法：基于移動測量技術的實景影像采集。MMS由于其自身的特點，可量測實景影像無論從采集方式、數(shù)據(jù)表達的直觀性、數(shù)據(jù)的豐富程度、后期數(shù)據(jù)處理上都較傳統(tǒng)礦區(qū)二維平面地圖有質的改進。此外，由于MMS采用地面近景攝影測量原理，除了獲得礦ft基礎空間數(shù)據(jù)外，同時獲得高分辨率立體影像數(shù)據(jù)。通過建立礦ft基礎影像數(shù)據(jù)庫，可方便地進行實景三維地圖、地物普查數(shù)據(jù)與實物的比對，從而可以構成礦ft基礎普查數(shù)據(jù)質量檢查體系?；诘匦螖?shù)據(jù)的三維建模。數(shù)字攝影測量是獲取地面三維數(shù)據(jù)較為精確和可靠的技術,利用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)可以得到礦區(qū)地表影像及DEM。利用VBA的二次開發(fā)對DEMTIN進行數(shù)據(jù)處理，再利用ArcGIS下的ArcScene模塊實現(xiàn)礦區(qū)地面環(huán)境的虛擬建模。利用該方法進行礦區(qū)三維建模與傳統(tǒng)測量方式相比，它具有精度高、成本底、周期短、外業(yè)工作量少等優(yōu)點?；诒銛y式激光掃描技術的巷道三維建模。三維激光掃描即利用數(shù)據(jù)實景復制技術,采用中短距三維激光掃描儀采集掃描礦ft巷道點云,這些點云用點、多邊形、曲線或曲面等形式描述,可以建立幾何模型,同時配合其他但數(shù)據(jù)量大，需要進行數(shù)據(jù)簡化和壓縮，以便更好地用于礦ft巷道的三維掃描及礦ft安全生產管理平臺實際使用。數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)由于涉及眾多類型數(shù)據(jù)，為典型的多維動態(tài)系統(tǒng)。要對其數(shù)據(jù)進行抽象與表達,就要研究能夠對復雜地理現(xiàn)象進行動態(tài)描述和實時表達的時空數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)結構是指帶有結構的數(shù)據(jù)元素的集合，要建立實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)模型,就必須采用一種對其能夠準確表達的時空數(shù)據(jù)結構。在三維空間數(shù)據(jù)模型方面,國內外已經進行了眾多的研究,提出了多種三維數(shù)據(jù)模型。一般可以將數(shù)據(jù)模型分為面模型、體模型和混合模型。礦ft空間對象具有如下特點：幾何形態(tài)和空間關系的高度復雜性；幾何特征和內部屬性變化的不確定性。在研究面向礦ft空間三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構時,首先必須對這些特點有足夠的認識,才能找到最合適的三維實體的表達方式和建模方法。虛擬現(xiàn)實技術實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)以仿真與虛擬現(xiàn)實技術為支撐，能夠對礦ft周邊環(huán)境進行三維場景設計,從而對礦區(qū)開發(fā)、運營狀況進行監(jiān)測，對生態(tài)環(huán)境進行實時監(jiān)測與時空模擬，評估礦ft開采對自然生態(tài)環(huán)境的影響。同時，通過對開采巷道的建模，能夠實現(xiàn)對井下開采狀況的管理，以及進行巷道變形監(jiān)測、巷道應力分析、井下巷道貫通、井下場地開拓、超欠挖測量、儲量計算等。利用模型可以對井下采場礦ft壓力顯現(xiàn)、巖層移動等進行實時監(jiān)測，對礦ft火災、水災、瓦斯和煤塵爆炸等進行動態(tài)仿真，對采空區(qū)進行數(shù)字定位。從而實現(xiàn)對整個礦ft進行現(xiàn)實模擬，且模擬場景可以多維度、多視角、多分辨率等方式顯示。整個三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)利用虛擬技術能夠實現(xiàn)礦ft數(shù)據(jù)的可視化集成，能夠為科學開采和管理礦ft提供技術支持。結語隨著國民經濟的高速發(fā)展和工業(yè)化進程的快速推進,礦ft安全生產面臨著重大挑戰(zhàn)。實景三維礦ft安全生產管理系統(tǒng)通過利用車載全景激光移動測量系統(tǒng)、便攜式三維激光掃描技術、虛擬現(xiàn)實技術等，實現(xiàn)礦ft信息的獲取、存儲、傳輸、表達及應用，能夠為建設智慧礦ft提供技術保障。參考文獻吳立新.數(shù)字地球、數(shù)字中國與數(shù)字礦區(qū)[J].礦ft測量，2000，3（1）：6-9.李梅，毛善君.數(shù)字礦ft中3DGIS 關鍵技術研究[J].煤炭科學技術，2004，32（8）：44-48.僧德文，李仲學，李春民，等.礦床的三維可視化仿真技術與系統(tǒng)[J].北京科技大學學報，2004，26（5）：453-456．程朋根，龔健雅地勘工程三維空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結構設計[J].測繪學報，2001，30（1）：74-81.楊建宇，秦德先，