邵改革，李向陽(yáng)

（1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454000；2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州 450003）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了一系列礦山安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，但對(duì)數(shù)字礦山本體認(rèn)識(shí)不一致及軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境不同，各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，存在很大程度的異構(gòu)性，難以共享和互操作，且與地理空間信息沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系。隨著地理信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、信息獲取與傳輸技術(shù)等的快速發(fā)展，信息化管理正逐步應(yīng)用于社會(huì)的不同領(lǐng)域，并在企業(yè)管理與決策中發(fā)揮十分重要的作用。因此，利用信息技術(shù)將礦山六大系統(tǒng)功能納入到統(tǒng)一的礦區(qū)井上下一體化三維信息管理平臺(tái)之中，從根本上提高安全生產(chǎn)信息化管控能力，是數(shù)字礦山發(fā)展的主要趨勢(shì)［1］。

礦區(qū)井上下一體化管理系統(tǒng)旨在解決礦山安全生產(chǎn)管理與應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的難題。根據(jù)煤礦行業(yè)對(duì)信息化建設(shè)的需求，在實(shí)現(xiàn)信息查詢自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，建立集中管理的安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息平臺(tái)，提高煤礦監(jiān)管部門(mén)的監(jiān)控力度，以信息化帶動(dòng)企業(yè)管理和行政管理的科學(xué)化［2］。系統(tǒng)建立工業(yè)廣場(chǎng)地形地貌的三維影像景觀和礦區(qū)的井上下對(duì)照?qǐng)D，充分利用反映礦山生產(chǎn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)、表格和圖形，綜合安全生產(chǎn)管理的相關(guān)信息，包括井上下地質(zhì)測(cè)繪、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、井巷工程、安全監(jiān)測(cè)等有關(guān)的信息，并對(duì)以上數(shù)據(jù)、圖形、統(tǒng)計(jì)等信息綜合處理，提供對(duì)突發(fā)事故模擬分析功能，可為礦山安全生產(chǎn)管理科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。

1 技術(shù)路線

在國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有礦區(qū)三維管理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出礦山信息管理系統(tǒng)需要亟待解決的問(wèn)題。項(xiàng)目選取鶴煤八礦作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，通過(guò)對(duì)八礦實(shí)地調(diào)研和需求分析，提出針對(duì)性的解決方案。礦區(qū)的地面信息采集通過(guò)衛(wèi)星遙感獲取影像資料，以及野外控制測(cè)量和實(shí)地調(diào)繪所取得的資料；礦區(qū)井下信息通過(guò)已有的數(shù)據(jù)分類(lèi)和數(shù)字化，最后整理編輯成礦區(qū)基礎(chǔ)地理空間信息。礦區(qū)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的地理坐標(biāo)、編碼、交換格式及元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立礦區(qū)空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)和對(duì)礦山安全生產(chǎn)管理的要求，構(gòu)建礦區(qū)井上下一體化管理系統(tǒng)。

由于礦山具有三維本原性，利用三維GIS技術(shù)構(gòu)建虛擬礦山能夠?qū)崿F(xiàn)多源信息的有效集成，滿足多部門(mén)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)督管理和輔助決策［3］。系統(tǒng)集合多源、多尺度遙感數(shù)據(jù)與其他調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建整個(gè)礦區(qū)統(tǒng)一管理的三維影像空間數(shù)據(jù)庫(kù)，建立工業(yè)廣場(chǎng)地形地貌的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多級(jí)分辨率遙感影像的快速顯示和礦區(qū)范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)漫游。將工業(yè)廣場(chǎng)與井下三維空間可視化疊加，即可形成一種準(zhǔn)確的井上下對(duì)照關(guān)系。利用礦區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)建三維可視化應(yīng)用，瀏覽、查詢井上下設(shè)備的空間位置信息。系統(tǒng)采用分類(lèi)圖層技術(shù)，創(chuàng)建地上下居民點(diǎn)、水文、地質(zhì)體、巷道、瓦斯分布等要素圖層，實(shí)現(xiàn)圖層與地表三維的無(wú)縫融合，并使用目錄樹(shù)統(tǒng)一管理。為實(shí)現(xiàn)大量地理空間數(shù)據(jù)的高效管理，系統(tǒng)采用金字塔結(jié)構(gòu)的多尺度柵格數(shù)據(jù)分層技術(shù)、網(wǎng)格與四叉樹(shù)相結(jié)合的索引技術(shù)，建立遙感影像和DEM數(shù)據(jù)管理機(jī)制，構(gòu)建覆蓋礦區(qū)范圍的多尺度遙感影像和DEM數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速入庫(kù)、更新和檢索，同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的快速查詢和瀏覽顯示［4］。

2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，即由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層構(gòu)成［5］。每層負(fù)責(zé)各自業(yè)務(wù)邏輯，確保各部分的獨(dú)立性，以提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)三維地理場(chǎng)景的漫游驅(qū)動(dòng)，定義地圖查詢、場(chǎng)景標(biāo)注等公用函數(shù)接口，并開(kāi)放給表現(xiàn)層使用。表現(xiàn)層以動(dòng)態(tài)插件調(diào)用的形式與核心層集成，通過(guò)界面表現(xiàn)和調(diào)用底層接口，實(shí)現(xiàn)各種用戶操作。系統(tǒng)按實(shí)際位置和長(zhǎng)度構(gòu)建巖石層、含水層、隔水層、煤層等地質(zhì)體三維模型，并在地層立體模型中建立斷層等特殊地質(zhì)構(gòu)造模型；利用地勘數(shù)據(jù)構(gòu)建巷道三維立體模型，真實(shí)再現(xiàn)巷道的立體場(chǎng)景。依據(jù)空間坐標(biāo)系統(tǒng)與視截體關(guān)系得到屏幕視窗對(duì)應(yīng)的空間范圍，按照數(shù)據(jù)庫(kù)組織層次調(diào)用該范圍內(nèi)的DOM和DEM數(shù)據(jù)，并通過(guò)三維渲染技術(shù)達(dá)到實(shí)時(shí)三維瀏覽［6］。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將地表三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)、地質(zhì)體模型數(shù)據(jù)、巷道三維模型數(shù)據(jù)集合為有機(jī)的整體，構(gòu)建礦區(qū)三維信息平臺(tái)。

3 功能模塊

根據(jù)數(shù)字化礦山建設(shè)的要求和礦區(qū)安全生產(chǎn)的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)研獲取各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)需求，設(shè)計(jì)出礦區(qū)井上下一體化三維系統(tǒng)，主要功能如圖1所示。系統(tǒng)的功能模塊主要包括視圖操作、信息查詢、空間測(cè)量、空間分析、應(yīng)急救援和自然效果模擬6個(gè)部分。針對(duì)礦區(qū)的特殊情況，需要對(duì)地下的鉆孔、地質(zhì)體和巷道等礦山實(shí)體三維建模，不同的模型之間還要進(jìn)行三維檢測(cè)。在對(duì)巷道模型做出修改時(shí)，需要模型分析；利用鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建出的三維地質(zhì)體模型能夠進(jìn)行剖切分析。除了三維GIS的基本功能，系統(tǒng)中還包含了對(duì)于井下安全生產(chǎn)管理的相關(guān)功能。系統(tǒng)通過(guò)OGRE技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)、透水等事故的模擬，提供最佳的應(yīng)急救援方案，以便礦井工作人員逃生。在沒(méi)有最佳地下逃生路線的情況下，系統(tǒng)通過(guò)上下對(duì)照的功能，將事故發(fā)生點(diǎn)和井下被困人員的位置信息準(zhǔn)確地反映到地面上，利于地面人員展開(kāi)救援。

圖1 系統(tǒng)的功能模塊

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 大數(shù)據(jù)組織管理技術(shù)

基于四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)研究柵格空間數(shù)據(jù)有效組織與管理技術(shù)，并針對(duì)空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分布式特征，在傳統(tǒng)金字塔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上根據(jù)空間數(shù)據(jù)范圍索引構(gòu)建多金字塔結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)組織與管理系統(tǒng)，建立規(guī)范的數(shù)據(jù)查詢、索引機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)遙感影像的高效存?。?］。影像數(shù)據(jù)庫(kù)中不僅需要存儲(chǔ)不同數(shù)據(jù)源、不同比例尺、不同時(shí)相的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)影像的定位和檢索，還應(yīng)具備地名數(shù)據(jù)、境界數(shù)據(jù)、圖幅結(jié)合表等矢量要素及DEM數(shù)據(jù)。針對(duì)如此復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型，系統(tǒng)使用基于統(tǒng)一參考基準(zhǔn)的柵格和矢量數(shù)據(jù)管理模型，并建立不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成管理和統(tǒng)一調(diào)度。

4.2 礦區(qū)模型構(gòu)建

系統(tǒng)利用覆蓋礦區(qū)的多尺度遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）和DOM，建立工業(yè)廣場(chǎng)地形地貌的三維影像景觀，實(shí)現(xiàn)多級(jí)分辨率遙感影像的可視化漫游，提供三維礦區(qū)地面場(chǎng)景全貌，地表模型如圖2所示。地質(zhì)模型包括地質(zhì)體建模、鉆孔建模、特殊地質(zhì)構(gòu)造建模，采用改進(jìn)的似三棱柱建模方法，構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)體模型［8］。根據(jù)巷井的斷層數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)以及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查獲得的有關(guān)數(shù)據(jù)，基于二維或三維剖面形成合理的斷層面，然后建立地質(zhì)體和特殊構(gòu)造混合的網(wǎng)格模型。巷道建模采用基于點(diǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)的中線、斷面建模方法，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則的巷道模型無(wú)縫拼接。針對(duì)不同形狀、不同寬度三維巷道模型拼接，采用基于復(fù)雜度的拼接模式；對(duì)于不同復(fù)雜模式的拼接分別采用布爾拼接、數(shù)學(xué)拼接、差值拼接等方法，實(shí)現(xiàn)所有井巷工程的三維建模。根據(jù)巷道中線和巷道斷面構(gòu)網(wǎng)建立巷道模型的技術(shù)難點(diǎn)是紋理的自動(dòng)添加和不同巷道之間的交叉拼接問(wèn)題，系統(tǒng)研究采用曲面擬合的方法以實(shí)現(xiàn)不同巷道交叉拼接處的自動(dòng)拼接。巷道自動(dòng)建?？梢允褂脩舨僮鞲奖?，而且易于了解每天巷道掘進(jìn)的進(jìn)度。

4.3 三維場(chǎng)景模擬與交互

礦區(qū)井上下一體化管理系統(tǒng)中通過(guò)八叉樹(shù)算法實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景管理器，經(jīng)場(chǎng)景管理器篩選后再進(jìn)行渲染，實(shí)驗(yàn)表明：基于八叉樹(shù)算法渲染的三維場(chǎng)景表現(xiàn)細(xì)膩，且運(yùn)行流暢。系統(tǒng)通過(guò)腳本開(kāi)發(fā)粒子系統(tǒng)，設(shè)置粒子的相關(guān)屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)、透水等事故的模擬。井上下對(duì)照功能將工業(yè)廣場(chǎng)與巷道、煤層、鉆孔以及回采工作面的三維可視化疊加，形成一種直觀的井上下三維對(duì)照?qǐng)D。系統(tǒng)將漫游視點(diǎn)分為3個(gè)主要級(jí)別：礦區(qū)、地質(zhì)體、巷道內(nèi)部。礦區(qū)視點(diǎn)可以查看礦區(qū)及其周邊環(huán)境分布情況；地質(zhì)體視點(diǎn)可以查看所有地質(zhì)體分布，了解地層結(jié)構(gòu)的同時(shí)可以更好地顯示煤層位置信息；巷道內(nèi)部視點(diǎn)可以查看工作面、通風(fēng)巷、機(jī)電設(shè)備等井下關(guān)鍵位置點(diǎn)，并能夠以第一視點(diǎn)模擬選擇最優(yōu)逃生路線，最佳逃生路線規(guī)劃如圖3所示。

5 結(jié)論

礦區(qū)井上下一體化管理系統(tǒng)建立多分辨率遙感影像、DEM等基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為礦區(qū)資源管理提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)際情況，創(chuàng)建礦區(qū)井上下一體化三維模型，提高礦山管理的數(shù)字化和信息化水平。通過(guò)井上下準(zhǔn)確位置對(duì)照和突發(fā)事故模擬，構(gòu)建礦區(qū)井上下三維地理信息應(yīng)用服務(wù)技術(shù)體系，為應(yīng)急救援提供決策參考。系統(tǒng)雖然在井上下一體化管理方面取得一些研究成果，但因礦山實(shí)際地質(zhì)環(huán)境和空間分布的復(fù)雜性和其他方面的限制，仍需對(duì)成果進(jìn)一步研究完善。

圖2 地表模型

圖3 最佳逃生路線分析

［1］吳立新，殷作如，鐘亞平.再論數(shù)字礦山：特征、框架與關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2003（1）：1-6.

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