3.数字化矿山的建模

CAD技术在矿山信息化中的应用•数字矿山的概念及框架•三维矿山建模方法•数字矿业软件的应用•二维矿图的绘制•设计案例展示及应用系统开发一、数字矿山的概念及框架•1998年底，前美国副总统戈尔提出了数字地球（DigitalEarth，DE）的概念，指出将各种与地球相关的信息集成起来，可实现对地球的数字化、可视化表达，以及多尺度、多分辨率动态交互。•矿山信息化基本现状：（1）空间基础信息不足：由于中国矿山资源赋存条件的复杂性、地质勘探程度的有限性、地质勘探手段的局限性，以及矿床资源与地质环境固有的不确定性影响，导致矿山可获得并有效利用的地质矿产资源信息不足，尤其是数字化、可视化的空间基础信息所占比例相当低。（2）信息孤岛现象严重：由于缺乏矿山空间数据集成与共享环境，导致包括地质、测量、传感在内的各类矿山静态、动态数据分别管理、相互孤立，不能或难以进行集成、融合与共享利用。面对众多的矿山信息孤岛，人们难以认识和发现不同数据之间的联系及其隐藏的有用信息。•数字矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域，它涵盖了矿山企业生产经营的全过程。所谓数字矿山是采用现代信息技术、数据库技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素实现采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS)、科学计算(SC)、可视化(VS)、办公自动化等多技术高度集成。从而将企业的安全生产与经营管理业务流程数字化并加工成新的信息资源，及时准确地提供给各层次的管理者及时掌握动态业务中的一切信息，以做出有利于生产要素组合优化的决策，使企业资源合理配置，从而使企业能够适应瞬息万变的市场经济竞争环境，求得最大的经济效益。3.生产过程安全监控与预警系统1.矿山海量、异质、时空数据库及分析系统5.矿山ERP系统数字矿山框架4.信息快速传输系统2.生产过程的控制数字矿山建设总体框架示意图问题：如何绘制图样？如何建模？矿山数字化的主要图样包括：平面图、剖面图、地质地形图、矿岩体三维仿真图等解决方法：•二维矿图的绘制：采掘工程平面图，地形图，矿区平面图等。可采用AutoCAD，专用矿图绘制软件完成•三维模型的绘制：地形，煤矿设备，房屋，人员等。可采用3DMax，Maya，Solidworks，以及其他专门软件完成矿山建模专用的有代表性的软件有：MapGis（武汉中地数码科技有限公司）3DMine（北京三地曼公司）D-Mine（长沙迪迈信息科技有限公司）二、三维矿山建模方法•矿山建模是数字矿山的重要组成部分，建模范围主要包括地表、地物、建筑、植被等。•三维矿山定义：三维矿山是在测量、地质、采矿、选矿、安全等各个专业知识和技术资料比较完备的基础上，结合相应软件建立起来的三维模拟图形，可以相当真实地立体展示地表形态和生产现场实际情况，模拟再现生产现场的调度指挥。•三维矿山系统建模关键技术：主要包括三维地形的建立、三维模型和三维景观的制作、LOD技术、虚拟现实技术、数据库建设与三维管理软件开发等。•目前，矿山三维维建模及可视化的软件及方法很多，如何运用软件快速简便的进行建模，已成为我们亟待解决的问题。（一）三维矿山建模技术流程1.地形图绘制利用GPS等先进测绘手段绘制地形图，主要包括:平面控制测量、GPS控制网测量、高程控制测量、图根控制测量、全野外数据采集、地形图数据编辑、成果整理等。2.三维地形的建立利用高精度数字高程模型(DEM)和数字正射模型(DOM)或更先进的三维建模模型建立三维地形，从而表达区域地形地貌。3.三维模型和三维景观的制作矿区工业区和生活区典型地物的三维建模，主要包括永久性建筑及其附属物;三维景观包括地面管线设施、道路及其附属设施、植被、水系等。利用三维建模工具对以上地物进行基于地理信息和外业采集图片的三维立体建模，从而用三维图表达真实的地物外观和整体结构。4.信息数据库建设建立信息数据库，其包含重点地区的矢量信息、属性信息和地标信息等内容，用于与相关地物的关联，点击地物时可看到这些信息。5.三维管理软件开发进行三维软件的开发，包括创建和定制各种功能和菜单的界面。主要实现查询、量测、定位、规划、模拟现场、增减建筑物(授权)等功能，并实现对三维地图内容的任意比例尺、任意角度浏览和对现场的管理。技术流程如图1所示。（二）三维建模基本步骤•纹理采集与信息采集：相机采集数码照片；•模型建立工作流程首先对招标方提供的白模数据进行必要的处理，矢量数据生成统一格式(ARCGIS的shp格式)，地形数据(等高线、高程点)生成DEM，正射影像(tif格式);然后分类型进行地形建模、建筑建模、植被建模等。1）建模工具：仿真建模工具———Creator、SketchUp辅助建模工具———3DMAX;数据转换工具———DeepExploration;数据提取工具———ArcInfo、AutoCAD2)地形建模采用专用设计软件，如TerraVista软件，导入建模区的DEM，并导入对应区域的DOM，以及河流道路等矢量数据，生成3维地形(包括河流、道路等)，格式为openflight，采用DeepExplo-ration软件，将其转换为3ds格式。3)建筑建模4)植被及其他复杂建模5)模型贴图•纹理映射：（三）矿体的三维建模方法图3数字高程模型DEM数字高程模型DEM的表示和生成方法•数字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）是地表形态等多种信息的一个数字表示，其中的属性包括地形（x,y,z）、地貌、地物、自然资源、环境、社会经济等等信息的定量或定性描述；•数字高程模型（DigitalElevationModel,DEM）是表示区域上地形三维向量的有限序列{Vi=(Xi,Yi,Zi)}Xi,Yi∈D是平面坐标，Zi是（Xi,Yi）对应的高程，对于规则格网{Vi=Zi}；也称DHM(DigitalHeightModel)•4D产品：数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DigitalOrthoimageMap，DOM)、数字线划图(DigitalLineGraphic,DLG)和数字栅格地图(DigitalRasterGraphic,DRG)等。前3D为国家空间数据基础设施（NSDI）的框架数据.1.DEM的表示方法及数据来源和生成方法数字地形的表达可分为：矢量(点、等高线）；三角网；栅格（连续栅格）（1）DEM的来源：•GPS接收仪、普通测量设备（如经纬仪），用于小范围内各种大比例尺高精度的地形建模，这种数据获取方法的工作量很大，效率不高，费用高昂；•地形图：数字化或由等高线自动生成。对于经济发达地区，由于土地开发利用使得地形地貌变化剧烈而且迅速，既有地图往往也不宜作为DEM的数据源；但对于其他经济落后地区如山区，因地形变化小，既有地图无疑是物美价廉的数据源。•航空影像：航空影像测量方法可直接得到DEM。航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获取的影像是高精度大范围DEM生产最有价值的数据源。利用该数据源，可以快速获取或更新大面积的DEM数据，从而满足对数据现实性的要求。•卫星扫描系统（如SPOT卫星[1]上的立体扫描仪）获取的图像也能提供DEM；•SAR[2]：雷达干涉波可直接得到DEM；（1）DEM的数据来源•遥感卫星：机载激光扫描仪也可直接获取DEM；经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。电子经纬仪光学经纬仪•人工网格法：将地形图蒙上格网，逐格读取中心或交叉点的高程值、构成数字高程模型。•摄影测量法：利用遥感立体像对[1]，根据视差模型，通过选配左右影像的同名点，可建立数字高程模型。•等值线插值根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。等值线插值法是比较常用的方法，输入等值线后，可在矢量格式的等值线数据基础上进行，插值效果较好。•高程点插值方法以不规则点图元组织的Z变量的数据，并不适合于图形显示，也不适于进行分析。高级曲面分析要求将Z值转换成一个规则间距空间格网【2】，或者转换成不规则三角形网（TIN）【3】。栅格法可用来将不规则的空间数据转化为规则格网的空间模式。•栅格法以一系列不规则分布的点图元为基础，它涉及某个有效范围内任意点Z值的内插，这个生成的点通常在在格网垂直线与水平线的交叉处。•三角网转换法：（2）DEM的生成方法空间插值定义：根据一组已知的离散数据或分区数据，按照某种数学关系推求出其他未知点或未知区域的数据的数学过程。分类：根据使用已知采样点范围分：整体拟合和局部拟合；从内插的具体内容分：点的内插和区域内插。等高线插值算法生成DEM的方法采用移动拟合加权平均插值方法。设A点为待内插的点，从A点按45°的方位间隔引出八条搜索射线，八条射线与A点相邻等高线的交点为C1，C2……Ci，其高程分别为Z1，Z2…Zi，它们到P点的距离设为d1，d2…di，则P点的插值高程Zp为cimicimiipddZZ11)/1()/(DEM生成方法：三角网转换法对有限个离散点，每三个邻近点联接成三角形，构成三角网。每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面的拟合方程，可计算各格网点高程，生成DEM。1）TIN的生成方法首先取其中任一点P，在其余各点中寻找与此点距离最近的点P1，连接P和P1构成三角形的第一边，然后在其余所有点中寻找与这条边最近的点P2，找到后即构成第一个三角形，再以这个三角形新生成的两边为底边分别寻找距它们最近的点构成第二个、第三个三角形，依此类推，直到把所有的点全部连入三角网中。（2）三角网的插值：双线性方法目标：求落在各个三角形内的网络点高程值（包括落在三角形边上的点）方法：待求点落在三角形ABC内，先用线性插值的方法，求D，E两点的值。设A，B，C，D，E，P处的值分别为VA、VB、VC、VD、VE，其中VA、VB、VC为已知，在DEM中实质上为高程值，则D、E两点处的插值为则P点的插值为：DEM生成方法小结•DEM数据采集的几点结论–摄影测量是DEM的重要数据源，是进行数据库更新的最有效方法之一；–现有地形图是DEM的另一重要数据源，从等高线生产DEM的方法已经完全成熟，被广泛地用于生产；–使用GPS、激光扫描、干涉雷达等新型技术进行DEM数据采集是很有发展前景的方法；–利用基于不规则三角网TIN的方法进行数据建模和栅格转换，是快速可靠地生产高精度DEM的切实可行方案；–无论哪种方法，最大限度地采集重要的地形特征点是保证DEM质量和提高作业效率的基本前提；ARCMap软件主要界面（4）巷道的三维建模•基本方法24Why三维建模？•看图！18:58煤矿巷道三维可视化问题•巷道多：近400条•空间关系复杂：不同高度处理•接头与交叉多•巷道颜色：蓝色－煤巷，黄色－岩巷•如何解决？25煤矿巷道三维可视化流程26图纸信息读取AutoCAD采掘平面图手工/半自动巷道信息巷道表节点表Excel巷道三维建模SolidWorks自动构建二次开发模型导入Maya增加标志物接头处理修改处理文字标注渲染出图重新处理文字背景处理图片PS合成27国投登封教学三矿立体图18:58基于引擎模式构建的三维巷道截图基于引擎模式构建的三维巷道截图基于引擎模式构建的三维巷道截图三、数字矿业软件的实际应用（一）绘制地质剖面•地质技术人员用钻孔（坐标、测斜、品位表）数据导入数据库，然后将数据库在矿业软件中生成钻孔轨迹图。根据钻孔见矿信息，圈出矿体边界。三、数字矿业软件的实际应用（二）实体模型建模1、什么是实体模型•实体模型是一个三维的数据三角网，是用来描述三维空间的物体，是三维模型的基础。实体是一个封闭的面，不同于DTM(数字地形模型)，它有内外之分。矿体实体模型DTM表面模型三、数字矿业软件的实际应用•实体模型是由一系列在线上的点连成内外不透气的三角网，三角网由一系列相邻的三角面构成，由这些三角面包裹成内外不透气的实体。这些三角网在平面视图上肯定有交叠，但在三