基于ArcGISEngine的矿山3DGIS的设计与实现

S e r i e s N o .395M a y 2009

金 属 矿 山M E T A LM I N E 总第395期

2009年第5期

＊国家自然科学基金项目(编号:40401045),地理信息科学江苏省重点实验室开放基金项目(编号:J K 20050302),江西省教育厅科技项目。

刘贵明(1964—),男,河南城建学院国土系,副教授,467001河南省平顶山市。

·地质与测量·

基于A r c G I S E n g i n e 的矿山3D -G I S 的设计与实现

＊

刘贵明1

　张卫国1

　兰小机

2

(1.河南城建学院;2.江西理工大学)

摘　要　在分析A r c G I SE n g i n e 和V i s u a l C #

.N E T 的基础上,应用组件编程技术实现矿山3D 数据的三维显示

和三维分析的可视化系统设计。设计了系统的主要功能,探讨了系统集成的关键技术,介绍了基于A r c G I SE n g i n e 的矿山三维地理信息系统的体系结构,并讨论了系统实现过程中的一些关键技术,实现了矿山3D -G I S 可视化表达。

关键词　矿山　三维地理信息系统　A r c G I SE n g i n e V i s u a l C #.N E T 三维分析

D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o n o f t h e Mi n e 3D -G I S B a s e do n A r c G I S

E n g i n e

L i u G u i m i n g 1　Z h a n g W e i g u o 1　L a n X i a o j i

2

(1.H e n a n U n i v e r s i t yo f U r b a nC o n s t r u c t i o n ;2.J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y )

A b s t r a c t

B a s e d o nA r c G I SE n g i n e a n d V i s u a l

C #.N E T ,t h e v i s u a l s y s t e md e s i g n f o r m i n e 3Dd a t a d i s p l a y a n d a n a l -

y s i s i s i m p l e m e n t e d b y c o m p o n e n t p r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y .T h e p a p e r p r e s e n t s t h e m a i n f u n c t i o no f t h e s y s t e m ,d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n i q u e s o f t h e s y s t e m i n t e g r a t i o n ,a n d d e s c r i b e s t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r e o f A r c G I SE n g i n e -b a s e d m i n e 3DG I S .T h ec r i t i c a l t e c h n i q u e s i nt h e p r o c e s s t o r e a l i z e a v i s u a l e x p r e s s i o n o f m i n e 3DG I Sa r e a l s o d i s c u s s e d .

K e y w o r d s M i n e ,3DG I S ,A r c G I SE n g i n e ,V i s u a l C #.N E T ,3Da n a l y s i s

二维地理信息系统始于20世纪60年代的机助制图,今天已深入到社会的各行各业中,但二维地理信息系统存在着自身难以克服的缺陷,它本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界的三维真实感受。随着计算机图形图像软硬件技术的迅速发展,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。

随着计算机技术和G I S 在许多行业诸如地质、矿山、海洋、城市地下管网、城市空间规划、城市景观分析等对三维G I S 日益迫切的需求,三维G I S 的理论和应用近年来受到许多学者的关注,这就要求研究地理信息系统中的三维问题。

尽管三维G I S 具有巨大的应用价值,但由于三维G I S 在实际应用中的复杂性远远超过二维G I S ,目前并没有得到广泛应用,也不具备建立通用三维G I S 平台的条件,因此,人们的研究重点开始转向一些较小的应用领域,如地质、矿山、城市等。本研究以V i s u a l C #

.N E T 为开发平台,通过A r c G I SE n g i n e 提供的T O C C o n t r o l ,T o o l b a r C o n t r o l ,S c e n e C o n t r o l 等控件集成开发矿山三维地理信息系统。1　矿山三维G I S 研究现状

目前商品化G I S 软件大多以二维为主,尤其是

在地质矿山领域,由于它是一个真三维动态地理环境,所有的工作都是在真三维的环境下进行的,因其

空间对象的不规则性,很难用当前流行的G I S 软件描述,并且三维G I S 在地矿中的应用尚处于起步阶段,因此迫切需要对三维G I S 理论和方法进行研究。

1.1　国外研究现状

三维G I S 技术,在国外作为G I S 的一个重要发展方向,从20世纪80年代末以来,一直就是研究热点,其研究范围涉及数据库、地理信息系统、计算机图形学、虚拟现实等多门学科领域。1996—1999年分别在英国L e e d s ,新西兰O t a g o ,英国B r i s t o t ,美国弗吉尼亚州F r e d e r i c k s b u r g 举行的4次地质计算机会议内容都涉及矿山的建模、模拟和可视化[1]

;加拿大、澳大利亚、美国、英国相继推出了一些有代表性的矿山模拟与矿业应用软件系统,比较有影响的有

[2]

:基于U n i x 的L Y N X ,V u l c a n(M a p T e c ),D a t -

·

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a m i n e ,M i n c o m ,M e d y s y s t e m ,P C -M i n e ,S u r p a c ,M K E a g l e s ;基于P C 机的M i c r o m i n e ,G e m c o m ,M i n c o m ,M i n e M a p ,L Y N X ,V u l c a n 和基于N T 的V u l c a n 。这些软件涉及的领域包括矿山模拟、矿业应用、开采评估、设计规划、生产管理等,并在世界许多采矿国家得到应用。

1.2　国内研究现状

在国内,三维地理信息系统的研究虽然起步较晚,其研究及应用水平与国外相比差距很大,虽取得了一定的成果,但仍不能满足矿山建模的需要。

近几年来,国内在三维G I S 系统开发方面的研究也逐步开展起来。例如,吴立新等基于L Y N X 软件进行了三维地学模拟可视化技术在煤矿的应用研究;陈郑辉等基于V u l c a n 软件进行了阿舍勒铜锌矿床三维立体模型的研究;西安煤田航测遥感公司应用R S 与G I S 技术在航空地质测量、煤田预测等任务中取得了多项成果[2]

。

2　系统体系结构和系统功能设计

2.1　系统体系结构

系统以目前在世界上占主流地位的开放型G I S

软件———E S R I 公司的A r c G I S 地理信息系统处理平台为基础,通过C #

开发语言调用A r c G I SE n g i n e 组件库所提供的符合C O M 协议的软件组件,进行集成二次开发,利用A r c G I S 空间数据引擎A r c S D E 提供对空间数据的调度管理,利用A D O .N E T 技术实现对S Q LS e r v e r 非空间信息的访问。系统开发的技术路线如图1所示

。

图1　系统开发技术路线

2.2　系统功能设计

系统的功能设计是系统开发的一个重要环节,根据需求可将系统设计为5个模块来实现,有数据

采集模块、三维显示模块、叠加操作模块、三维分析模块、系统设置模块。系统总控制窗口为进行各种系统操作提供了可视化的界面,它管理整个系统的处理、消息循环和功能,是系统的总调度。各主要功能模块各自完成相应的功能,并通过数据流及消息相应实现各功能模块的内部联系[3]

。系统功能流

程如图2所示

。

图2　系统功能流程

3　系统开发中的关键技术

3.1　A r c G I SE n g i n e 技术

A r c G I S E n g i n e 平台是E S R I 公司在2004年3月推出的A r c G I S 9系列中的一个面向开发的嵌入式开发包,E S R I 的A r c G I SE n g i n e 是一个用于建立自定义独立地理信息系统应用程序的平台,支持多种应用程序接口(a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e s ,A P I ),拥有许多高级G I S 功能,而且构建在工业标准基础之上。A r c G I SE n g i n e 包括2个产品:E n g i n e

开发包,是组件、A P I 和工具的集合,是创建自定义的G I S 和制图应用的工具包;E n g i n e 运行时,是为了运行自定义的E n g i n e 应用的可分发的A r c O b j e c t s 。开发人员可以使用A r c G I S E n g i n e 将G I S 功能嵌入到现有的应用程序中。

A r c G I S E n g i n e 可以在W i n d o w s ,U N I X 和L i n u x 桌面上运行并支持一系列的应用软件开发环境,包括V i s u a l

B a s i c 6,M i c r o s o f t V i s u a l S t u d i o .N E T 和各种J a v a 开发环境(表1)[4]

。

表1　A r c G I SE n g i n e 支持一系列操作系统平台和编程语言

Wi n d o w s U N I X /L i n u x C++

C++

J a v a J a v a

C O M .N E T

A r c G I SE n g i n e 的出现给开发带来了极大的便利。A r c G I S E n g i n e 是A O 的一个子集,没有A O 那么复杂的结构,却能实现A O 的大部分功能。使用A r c G I S E n g i n e 可以创建独立的应用程序,所有用A r c G I S E n g i n e 构建的应用程序需要A r c O b j e c t s 运行库,它提供了A r c G I S 应用的核心功能,这样程序发布时就不要求用户在机器上必须安装A r c G I S ,而是

通过A r c G I S E n g i n e R u n t i m e 的软件许可将这些程序分发给最终用户,不同级别的功能由许可文件控制。

3.2　V i s u a l C #.N E T 简介

V i s u a l C #

.N E T 是一套综合工具集,用于为M i -·

93· 刘贵明等:基于A r c G I S E n g i n e 的矿山3D -G I S 的设计与实现 2009年第5期

c r o s o f t W i n

d o w s和W

e b创建X M LW e b服务和基于M i c r o s o

f t.N E T的应用程序。这个强劲的开发包使用面向组件的C#开发语言,为具备C++或J a v a经验的初级和中级开发人员创建下一代软件提供了现

代的语言和环境。.N E T框架如图1所示[4]

。

图3　N E T框架

V i s u a l C#.N E T是基于强大的C++传统语言创建的。C#是一种现代化的面向对象的程序开发语言,它使得程序员能够在微软.N E T平台上快速开发种类丰富的应用程序。.N E T平台提供了大量的工具和服务,能够最大限度地挖掘和使用计算及通信能力。

V i s u a l C#还能为C++程序员提供快捷的开发方式,又没有丢掉C和C++的基本特征———强大的控制能力。C#与C和C++有着很大程度上的相似性,熟悉C和C++的开发人员很快就能精通C#。而且提供了重要的改进,包括统一的类型系统、最大化开发人员控制的“不安全”代码以及大多数开发人员容易理解的强大的新语言构造。通过一个优异的集成开发环境,V i s u a l C#.N E T为用户提供了终极开发人员环境,结合开发人员社区和有用的联机资源。

3.3　V i s u a l C#与A r c G I SE n g i n e集成

安装完A r c G I S提供的开发组件A r c G I S E n g i n e 后,可以方便地在.N E T环境中加载应用A r c G I S控件和其他A r c G I S E n g i n e库,具体方法如下:

(1)在[P r o j e c t]菜单中选择[A d dR e f e r e n c e],弹出[A d d R e f e r e n c e]对话框;

(2)在[.N E T]标签页选中“E S R I.A r c G I S.C a r-t o”“E S R I.A r c G I S.D i s p l a y”“E S R I.A r c G I S.G e o m e-t r y”“E S R I.A r c G I S.S y s t e m”“E S R I.A r c G I S.S y s-t e m U I”“E S R I.A r c G I S.U t i l i t y”6项,单击[O K]即完成A r c G I S E n g i n e的加载;

(3)在窗体上双击显示窗体代码窗口,在代码窗口的顶部增加“u s i n g”命令。

u s i n g S y s t e m;u s i n g S y s t e m.W i n d o w s.F o r m s;

//A r c G I S E n g i n e引用

u s i n g E S R I.A r c G I S.S y s t e m U I;u s i n g E S R I.A r c-G I S.C a r t o;u s i n g E S R I.A r c G I S.D i s p l a y;

u s i n g E S R I.A r c G I S.G e o m e t r y;u s i n g E S R I.A r c-G I S.e s r i S y s t e m等。

4　系统的开发实现

将三维建筑模型图层与三维地形模型图层进行定位叠加,建立三维矿山模型。然后定义各种三维对象的相关属性,选择属性库中对应的属性数据与之关联。使用A r c G I S E n g i n e和V i s u a l C#.N E T结合开发矿山三维地理信息系统的相关功能。

4.1　数据库的管理

数据库是系统的核心,它包括空间数据库和属性数据库。由于在建立G I S建设之前,已经有大量的属性数据存放在普通的关系型数据库中,为了利用、保护前期资源,减少在数据库方面的开支,仍然要使用到传统的关系型数据库。针对这种情况,美国E S R I(e n v i r o n m e n t s y s t e m r e s e a r c hi n s t i t u t e)公司推出了A r c S D E(s p a t i a l d a t a b a s e e n g i n e)这一空间数据库引擎,它是结合先进的C/S模式和数据库管理技术创建的一种新技术,允许用户用关系数据库管理系统(R D B M S)存储和管理空间数据,可将空间数据和属性数据集成在通用的商用R D B M S中。

A r c S D E在G I S和R D

B M S之间提供了一个接口,可以用数据表共享和管理空间数据。A r c S D E的开放式数据访问模型提供快速的、多用户的数据存取,提供开放的应用开发环境,是目前非常成功的空间数据库引擎系统。A r c S D E并不改变和影响现有的数据库和应用,它只是在现有的数据表中加入图形数据项,供软件管理和访问与其关联的空间数据。

4.2　三维显示

三维显示即三维可视化,它是目前许多地理信息系统软件具备的一项基本的数据浏览功能。同样的数据,在三维场景下观察可增加新视角,提供更多的知识,而这些知识是很难从平面地图上得到的。

矿山三维建模的数据量非常大,曲面的形成比较复杂,所以可视化的技术要求比较高。对于地形,采用G R I D空间数据模型,大型的建筑物和构筑物则采用平面数据加高程Z数据来构建,空间纹理和空间结构根据属性数据库和纹理库赋值。煤层建模中最重要的一步是取样点的选择,然后利用K r i g i n g 插值求取曲面及煤层厚度。

·

94

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总第395期 金 属 矿 山 2009年第5期

通过A r c G I S E n g i n e提供的S c e n e C o n t r o l控件,结合V i s u a l C#.N E T开发平台,可以方便地创建许多图层的场景,并轻松的控制每个图层场景的符号化以及在三维空间的定位和渲染等功能。

4.3　三维分析

三维分析是G I S中的高级分析功能,是衡量G I S功能的一个重要尺度。通过三维分析,用户可以得到更接近实际分析的结果,可以获取更为有用的与空间特征相关的各种信息。目前,三维分析能够实现如下功能[5]:可对任意一点进行定位查询,获取三维坐标值、坡度坡向值;可以进行距离查询、面积查询、体积查询、坡度面积查询;可以进行同时分析、填挖方分析、剖面图绘制;可以实现洪水淹没分析、地质特征三维分析等高级应用。

矿山三维实体的实时分析只有依靠三维矿山G I S才能完成。矿山三维G I S能够通过编辑三维多源数据库,提供一些执行3D模型分析的方法。矿山数据的三维空间分析包括[2]:矿山三维空间数据库和属性数据库的访问和关联;图示查询、信息查询、图数互查、条件查询等灵活多样的查询方式;实体间相互关系分析,如矿体与围岩、2个相邻或不相邻地层、构造与煤层、构造与矿体之间的相关分析;矿山三维网络拓扑关系分析,给出任一体域内与分析矿体上下左右前后相邻的矿体、围岩;不同类型的构造数据分析,如接触、岩层、褶皱、断层、岩脉;根据实际要求对各种矿山实体的定量分析,例如,矿体体积、吨位、级别的计算及地表沉陷的预测,以提供生产需要的信息;地下稳定性分析、古水流分析(沉积矿床)、塌陷土地状况分析、矿业权叠加分析。

4.4　系统运行主界面的实现

在系统编程过程中,依据规范性、完备性、实用性、可扩充性等软件开发的原则,利用.N E T环境和A r c G I S E n g i n e平台等资源的优势,充分应用综合集成的思想进行开发。

在开发过成中,主要用到A r c G I SE n g i n e平台中的A r c C a t a l o g,T O C C o n t r o l,T o o l b a r C o n t r o l,S c e n e C o n t r o l 等控件。通过对组件对象库的属性、事件、方法等通用编码方法以及扩展这些常见对象模型,大大提高了开发的效率,使得G I S应用开发变得非常方便。系统运行主界面如图4所示

。

图4　系统运行主界面

5　结　论

本研究基于V i s u a l C#.N E T为开发平台,以A r c G I S E n g i n e为开发组件,采用组件式结构详细介绍了开发矿山三维地理信息系统的方法、思路以及相关技术。系统的研究实现,为矿山信息化和政府规划等提供了综合性服务,具有一定的借鉴和参考价值。利用先进的可视化技术和交互图形技术建立数据库,存储和管理矿山数据,可为实现数字矿山打下坚实的基础。同时本系统还存在着一些不足,在矿山更为专业的某些方面,还有待于进一步开发深层次应用。

参　考　文　献

[1]　E h l e nJ,H a r m o nRS.G e o c o m p99:g e o c o m p u t a t i o na n dt h e g e o-

s c i e n c e s[J].C o m p u t e r＆G e o s c i e n c e s,2001,27(8):1-2. [2]　刘　征,郑贵洲.矿山三维G I S研究进展[J].地质科技情报,

2006,25(4):109-112.

[3]　张小诺,王　宇,王绍宏.电厂三维地理信息系统设计与实现

[J].计算机应用,2007(2):74-77.

[4]　刘仁义,刘　南.A r c G I S开发宝典———从入门到精通[M].北

京:科学出版社,2006.

[5]　韩　鹏,徐占华,褚海峰.地理信息系统开发———A r c O b j e c t s方

法[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

(收稿日期　2009-03-10)

(上接第19页)

响。在模拟的160m开采深度条件下,当层间距为下煤层采宽的1.7倍时,上下煤柱对齐与否,对地表移动无影响,因此,当c/b大于1.7后,在进行多煤层条带开采设计时,可以不考虑上下煤柱对齐方式。

参　考　文　献

[1]　郭文兵,邓喀中,邹友峰.条带开采的非线性理论研究及应用

[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.

[2]　钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大

学学报,2003,32(4):343-348.

(收稿日期　2009-04-02)

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