矿井三维模型可视化系统的设计与实现

矿井三维模型可视化系统的设计与实现

摘要：巷道包含了复杂的拓扑信息和空间信息，是矿井其他信息的空间载体，其建模尤为重要。本文针对矿井三维模型可视化的需要，设计并实现了一套基于Java语言的矿井三维可视化模型。系统主要包括不同断面巷道模型的分类和参数化构建、矿井液压支架模型的实现、巷道纹理材质库的选择、光照选择，巷道漫游等。

关键词：矿井三维可视化，JOGL，Java，巷道

1引言

数字矿山作为一种复杂的三维空间信息系统，不仅能够存储、分析和表达真实矿山中各种空间实体对象的属性信息，而且涉及大量复杂的空间定位特征及可能拓扑关系的组织和管理。因而，数字矿山的三维空间数据模型是联结真实矿山世界和计算机中抽象的矿山世界的桥梁[1]。

本研究就是对矿井三维模型可视化系统进行设计与实现。

通过数字矿山建设至少可以在以下几个方面给矿山企业带来好处：

1、提高矿山企业的生产效率和资源优化；

2、加强矿山的安全管理，积极的预防矿难事故；

3、降低决策的风险性，提高企业快速反应能力。

本文针对煤矿井下环境抽象出各类图元，在空间上模拟真实井下系统，实现了矿井三维模型可视化系统[2-3]。

2 JOGL图形库

JOGL是Java对OpenGL API绑定的开源项目并设计为采用Java开发的应用程序提供2D/3D图形硬件支持。JOGL对OpenGL 2.0[4-5]规范中的API和几乎所有第三方开发商的扩展提供完整访问，而且集成了AWT和Swing界面组件。JOGL函数库的简单抽象要比高度抽象如Java 3D函数库执行起来高效的多，因为其大部分代码是自动生成的，所以JOGL的升级可以迅速的与OpenGL升级相统一[6-8]。

3矿井三维模型可视化的设计

3.1巷道图元三维模型分析

巷道由于存在于地下，其数据提取不像地表实体一样简单。巷道图元与巷道图元间采用非直线形式，以实际角度进行弧形连接。根据巷道的不同用途，其断面形状，宽度，高度也都不一样，所以可以从巷道断面形状入手抽象出几例模型。模型按照断面分类，可以简单分为矩形断面巷道，梯形断面巷道，拱形断面巷道，圆形断面巷道。各例巷道图元根据其断面形状，自然具备其属性数据[9]。

在点线面模型中，最基本的是点和线，面和体是通过线复合而来的，所以设计巷道的主要思路为点和线的确定，然后构成面和体[10]。

巷道图元的整体设计，绘制起点设定在笛卡尔坐标系的原点，巷道向屏幕z轴负方向延伸。笛卡尔坐标系如图3.1所示。

比如矩形断面巷道：

矩形断面巷道需要接受的参数包括：矩形宽，高，以及巷道的长。当给定参数后开始建模，根据点绘制面，进而构成体。如上所述，构筑的起点位于笛卡尔坐标系原点，绘制的方向为先绘制矩形左竖直面，然后按照顺时针方向，将其他面逐渐构出。

使用OpenGL 函数根据点坐标绘制出三角形，然后再拼成巷道模型。如图3.2

所示：

根据以上三维模型分析，在OpenGL 环境下可以从点坐标入手，以相应绘制模式构建出三角形面，继而构建成为矩形面，最终构建成不同类型的巷道模型，实现各类巷道模型的可视化建立[11]。

3.2液压支架三维模型分析

图3.1 笛卡尔坐标系 图3.2 矩形巷道数学模型建立

液压支架的型式很多。煤矿液压支架有以下属性特点，根据中间顶杠的有力伸缩，支架高度可以调节；支架前面板可以自由旋转角度，以灵活的支撑采区顶部。由此，可以在设定了其单个支架的大小后，连续排在采区进行模拟。其三维模型需要考虑以下问题：一是液压支架的连动部分是根据其两排支柱的伸缩来控制，二是前支架面板的旋转角度可以自由设定。

由上分析，设支柱

高度参数为PlankHeight，支架前面板水平旋转角度参数为FrontPanelAngle。如图3.3所示，当支柱高低伸缩时，左边随之旋转的面板旋转角度设为LeftTurnAngle，而左边上下两块面板的旋转夹角设为InterturnAngle。此处还有一个假设数据是面板长度，假设液压支架的上下两块面板大小一样，左边两块随动面板与上下两块面板大小也都一样。

3.3巷道图元的连接

三维矿井环境下，使用已经抽象出的巷道图元，搭建走向不同的巷道时需要将巷道图元以一定的角度连接起来，从而组建成为真正的三维矿井走向图。以下是巷道俯视连接拐角图：

补齐圆方法

矩形连接拐角的主要功能是将两个矩形巷道图元连接起来，所需要的参数就是两个矩形巷道图元的对接参数，包括两个巷道宽度，高度，方向。将两个巷道的参数输入，就可得到图元拐角。如图3.4所示：

图3.3 液压支柱数学模型

图3.4 矩形巷道连接拐角

这种算法，称为“补齐圆法”，即使用所给参数将两巷道图元用弧形连接起来，而内外的这两段弧形必是某圆上的一段，而这个圆唯一。根据图元连接坐标和平缓长度将圆补齐，再根据圆心角和半径求出平缓过渡的单元坐标。

3.4矿井三维模型的总体设计

由于三维矿井的概念是开放性的，所以本文的设计并非是针对某一矿井，而是根据特定矿井实体数据构建出三维模型，

将矿井巷道以及其他设备图元化，根据实体数据搭建模型。

另外，在搭建总体的三维虚拟矿井时，也需要一些其他东西做渲染辅助，如光照。系统提供两种光照方式，散光源和点光源。两种光源都是为模拟不同场景提供选择使用。如图3.6所示：

4 系统运行

综合显示效果就是将液压支架放入巷道的采区中，再配合光照和交互，进行实际的巷道模拟进行综合的显示。

运行效果如图4.1所示：

图4.1 采煤区综合显示

5 结论

本文根据矿井三维可视化的需求，主要对矿井三维模型可视化做了分析和设计。将矿井内巷道、液压支架等多个实体参数综合到计算机中。本文的设计和分析对提高煤矿企业效益，构建数字矿山等都具有深远意义。

图3.6 构建巷道