韓立欽，楊軍義

（1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪學(xué)院，甘肅天水741025；2.天水三和數(shù)碼測(cè)繪院，甘肅天水741000）

基于OSG技術(shù)的礦山三維信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓立欽1，楊軍義2

（1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪學(xué)院，甘肅天水741025；2.天水三和數(shù)碼測(cè)繪院，甘肅天水741000）

為了實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)在三維信息化條件下進(jìn)行安全生產(chǎn)、管理，根據(jù)礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)特征，提出了利用并擴(kuò)展Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫組件的方法完成數(shù)據(jù)集成，并以VS2010軟件平臺(tái)和OSG圖形開源庫搭建礦山三維信息化系統(tǒng)。結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了勘探信息、人員定位信息、視頻監(jiān)控信息和設(shè)備監(jiān)測(cè)信息等的無縫集成，為礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化管理提供技術(shù)支撐。

數(shù)字礦山；三維模型；空間信息集成；OSG圖形庫

礦山信息化技術(shù)的出現(xiàn)為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)、管理帶來了新的解決手段，礦山三維信息化是利用測(cè)繪技術(shù)、GIS技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無線傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等把礦山地上、地下各種信息以三維形式在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出來，使海量的異質(zhì)的礦山數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)統(tǒng)一，尤其使地下隱蔽信息變得立體、直觀［1］。礦山三維信息系統(tǒng)的建立為礦產(chǎn)資源開發(fā)、評(píng)估、利用、環(huán)境治理、人員安全管理、設(shè)備安全監(jiān)測(cè)等方面工作提供了技術(shù)平臺(tái)［2－4］。本文基于VS2010軟件開發(fā)平臺(tái)和開源圖形管理開發(fā)庫OSG技術(shù)進(jìn)行礦山三維信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 礦山三維空間信息管理

1.1 基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集是礦山信息化建設(shè)的關(guān)鍵，也是工作量最大、成本最高的部分［5］。數(shù)據(jù)采集主要分為三大類：一是地形數(shù)據(jù)，反映礦區(qū)地表狀況，主要利用野外測(cè)圖法或航攝法完成；二是反映礦區(qū)地質(zhì)狀況及巖層走勢(shì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，主要根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果獲得；三是描述地表的紋理信息（一般為DOM），主要利用高分辨率衛(wèi)星影像或高分辨率航攝影像獲得，這三種數(shù)據(jù)通過有效的采集、加工便構(gòu)成了礦山三維虛擬模型，如圖1所示。

其中，DOM影像數(shù)據(jù)宜采用分辨率優(yōu)于1m的遙感或航測(cè)影像，這樣可以保證礦區(qū)紋理的精細(xì)度，為地下三維地質(zhì)體模型提供準(zhǔn)確參考，DEM宜采用分辨率優(yōu)于30m的高程數(shù)據(jù)。

圖1 礦山三維模型建設(shè)流程Fig.1 The 3Dmodel construction process of mine

1.2 礦山三維空間信息集成

從圖1可以看出，礦山空間信息來源復(fù)雜多樣，既有實(shí)測(cè)的線劃數(shù)據(jù)，也有影像數(shù)據(jù)，還有豐富的地質(zhì)勘探成果數(shù)據(jù)，再加上礦山廠區(qū)、辦公區(qū)地上附屬設(shè)施和地下巷道、設(shè)備、人員監(jiān)控信息等，海量信息以不同組織結(jié)構(gòu)存在，如何把各種信息有效集成是礦山信息系統(tǒng)建設(shè)成敗的關(guān)鍵所在。本文采用對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)把各種信息有效集成，既考慮到異源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成，同時(shí)也考慮到應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中對(duì)各種數(shù)據(jù)的高效調(diào)用［6］。

Oracle Spatial是Oracle公司推出的一種不需要中間接口而直接使用數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)來存儲(chǔ)和管理空間信息的空間數(shù)據(jù)庫組件。通過對(duì)象－關(guān)系模式來進(jìn)行空間信息的存儲(chǔ)，把所有空間要素對(duì)象化，將空間幾何信息和屬性信息一同存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并且每一個(gè)空間對(duì)象對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的一行。它不僅定義了點(diǎn)、線、多邊形、復(fù)合點(diǎn)、復(fù)合線和復(fù)合多邊形等類型的幾何數(shù)據(jù)，同時(shí)還支持用戶自定義幾何類型，如樣條曲線、體對(duì)象，這就使多源信息無縫集成變?yōu)榭赡堋?/p>

地質(zhì)勘探成果數(shù)據(jù)主要以表格的形式存在，如鉆孔數(shù)據(jù)、測(cè)斜數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)等，在Oracle數(shù)據(jù)庫中，只需要建立對(duì)應(yīng)的表結(jié)構(gòu)，依次導(dǎo)入即可；二維矢量線劃數(shù)據(jù)通過SDO－Geometry空間數(shù)據(jù)字段建立相應(yīng)的要素幾何類型，依次完成存儲(chǔ)；三維地質(zhì)體對(duì)象和地物三維模型需要自定義擴(kuò)展SDOGeometry字段，建立體對(duì)象，主要新增單一體和組合體兩種三維數(shù)據(jù)模型，分別派生出四面體及四面體網(wǎng)格兩種三維對(duì)象。至此，數(shù)據(jù)庫具備了0維到3維數(shù)據(jù)的無縫存儲(chǔ)。

2 礦山三維模型構(gòu)建

此階段主要是建設(shè)礦山從歷史到現(xiàn)狀的地形、地質(zhì)、工程模型，滿足實(shí)際使用的要求，這是礦山信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。礦山生產(chǎn)對(duì)象是埋藏在地下的礦體，還有影響開采的圍巖和地質(zhì)構(gòu)造。本文利用DIMINE礦山建模軟件、GIS軟件等完成了不同類型的三維模型創(chuàng)建［7］。

1）地質(zhì)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建：地質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括鉆孔數(shù)據(jù)、測(cè)斜數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)和樣品數(shù)據(jù)。通過鉆孔數(shù)據(jù)的開孔文件、測(cè)斜文件、樣品分析文件和巖性文件建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)巖性、樣品等數(shù)據(jù)生成礦區(qū)三維地質(zhì)體模型。

2）礦體模型構(gòu)建：三維礦體模型是由一系列相鄰的三角面，包裹成內(nèi)外不透氣的實(shí)體，通過中段圖和剖面圖多種方法自動(dòng)建立實(shí)體模型，連接好的礦體，通過尖滅處理、礦體著色、透明化處理并對(duì)礦體進(jìn)行命名和標(biāo)注，礦體模型也是良好的多面體組合模型。

3）塊段模型構(gòu)建：塊段模型是礦床品位推估及儲(chǔ)量計(jì)算的基礎(chǔ)，建立塊段模型的基本方法是將礦床在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊，然后對(duì)填滿整個(gè)礦床范圍內(nèi)的單元塊的品位根據(jù)已知的樣品進(jìn)行推估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲(chǔ)量的計(jì)算。

4）巷道模型構(gòu)建：巷道三維模型可以直觀形象地反映巷道之間的空間位置分布情況，有助于礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理。巷道建模一般采用手工建模、巷道中心線和巷道腰線法等。但由于礦山巷道數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，為了方便后期礦山數(shù)據(jù)的維護(hù)更新，利用DIMINE礦山建模軟件完成了巷道建模。

5）地表模型構(gòu)建：地表模型主要包括三維地形表面和地表建筑物及附屬設(shè)施，地表模型主要利用三維GIS軟件把礦山DOM影像和DEM高程模型進(jìn)行疊置，得到礦山三維地表模型；礦區(qū)工廠和生活區(qū)建筑及附屬設(shè)施主要利用三維建模軟件如3DMax、Creator等進(jìn)行建模，得到地上三維模型。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

礦山三維信息化并不等同于地上、地下礦山三維場(chǎng)景的展示，而是集成礦山監(jiān)控、定位、預(yù)警、避險(xiǎn)、日常業(yè)務(wù)處理等工作于一體的智能化信息平臺(tái)。

如圖2所示，礦山三維信息化系統(tǒng)以數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)共享交換中心和應(yīng)用子系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)組成，其中數(shù)據(jù)管理層主要包括日常生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和無線傳感監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，具有對(duì)不同來源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、組織和管理的功能，最終實(shí)現(xiàn)礦山信息的集中統(tǒng)一；數(shù)據(jù)共享交換中心為系統(tǒng)中間層，主要負(fù)責(zé)各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理層的信息共享與交互，把各個(gè)子系統(tǒng)不同格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換存入數(shù)據(jù)庫，把子系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)以相應(yīng)格式進(jìn)行讀取輸出；應(yīng)用子系統(tǒng)也是礦山日常生產(chǎn)、管理的客戶端，具有綜合通訊、設(shè)備監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警、人員定位、業(yè)務(wù)處理和指揮調(diào)度等功能，各子系統(tǒng)分布于相應(yīng)的應(yīng)用部門，但各種數(shù)據(jù)又統(tǒng)一于礦山數(shù)據(jù)庫中［8］。這種既分散又統(tǒng)一的運(yùn)行模式打破了礦山企業(yè)日常管理的信息孤島問題，達(dá)到了精細(xì)化管理、科學(xué)化決策的目的。

圖2 礦山信息化系統(tǒng)建設(shè)框架Fig.2 The construction framework of mine information system

3.2 OSG關(guān)鍵技術(shù)

只有準(zhǔn)確地把礦山海量、異質(zhì)、多時(shí)空分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理才能快速地了解各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。本文利用OSG圖形圖像應(yīng)用程序提供的場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化功能完成基礎(chǔ)框架搭建。

1）數(shù)據(jù)集成：如前所述，礦山數(shù)據(jù)異常復(fù)雜，如何把多源多維的數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化集成管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。OSGDB庫提供了讀取二維圖像和三維模型的接口，同時(shí)，也管理著第三方插件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型文件（如.3ds、.dxf、.x、.osg、.ive等）、圖片及視頻文件、打包及網(wǎng)絡(luò)傳輸文件、字體文件和偽插件文件的讀取。在數(shù)字礦山系統(tǒng)中，地質(zhì)體、巷道、礦體、地表模型、地表建筑及附屬設(shè)置采用不同的技術(shù)方法進(jìn)行構(gòu)建，通過OSGDB庫完成各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2）OSG功能庫：OSG主要包含4個(gè)庫文件［9－10］。

1）OSG核心庫是OSG的核心，實(shí)現(xiàn)最核心的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫的組織管理，對(duì)場(chǎng)景圖形的操作以及為外部數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入提供接口，主要包括OSG庫、OSGUTIL、OSGDB、OSGViewer；

2）OSG工具庫主要是對(duì)OSG核心庫中OSG庫的擴(kuò)充，是對(duì)OSG核心庫的一個(gè)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了一些特定功能，如光照特效、貼圖特效、雨雪特效、地形生成等；

3）OSG插件庫通過各種第三方庫的支持，使OSG能夠?qū)Ω鞣N來源數(shù)據(jù)進(jìn)行讀?。?/p>

4）OSG內(nèi)省庫確保OSG可以在更多的環(huán)境下運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，利用VS2010為開發(fā)平臺(tái)，以C＋＋為開發(fā)語言，借助OSG開源庫進(jìn)行礦山三維信息化系統(tǒng)開發(fā)。以某地礦山數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，功能包括地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)處理、視頻監(jiān)控、人員定位、設(shè)備監(jiān)測(cè)等，主界面如圖3所示。

圖3 礦山三維信息化系統(tǒng)Fig.3 3Dinformation system of a mine

4 結(jié)論

礦山三維信息化技術(shù)不僅為礦山的安全生產(chǎn)管理帶來了新的技術(shù)手段，同時(shí)利用礦山信息平臺(tái)，使設(shè)備監(jiān)測(cè)、人員定位、資源評(píng)估、安全預(yù)警、可視通訊等系統(tǒng)有機(jī)集成起來，為實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)智能化、無人化開采邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。本文以O(shè)SG開源圖形庫進(jìn)行數(shù)字礦山系統(tǒng)搭建，初步完成了礦山數(shù)據(jù)處理和設(shè)備、人員監(jiān)測(cè)功能開發(fā)，如何把三維數(shù)字礦山系統(tǒng)與礦山各業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)集成是下一步重點(diǎn)研究方向。

［1］左穎.三維地層信息系統(tǒng)在地下工程中的應(yīng)用［D］.武漢：武漢工程大學(xué)，2008.

［2］李德，王李管，畢林，等.我國數(shù)字采礦軟件研究開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.金屬礦山，2010（12）：107－110.

［3］于萍萍，陳建平，于 淼，等.雙三維數(shù)字礦山仿真信息系統(tǒng)建設(shè)［J］.金屬礦山，2012（2）：114－117.

［4］李一帆.數(shù)字礦山信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.北京：中國科學(xué)院，2007.

［5］郭強(qiáng).基于3DMine的三維礦山模擬研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.

［6］郭軍.基于3DGIS技術(shù)的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺(tái)及其應(yīng)用［J］.工礦自動(dòng)化，2010（1）：1－4.

［7］崔京男，歐仁和.數(shù)字城市公共平臺(tái)數(shù)據(jù)集建設(shè)研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2013（12）：22－25.

［8］楊華，韓立欽，王志紅.基于三維GIS的數(shù)字礦山建設(shè)技術(shù)研究［J］.礦山測(cè)量，2014（2）：3－6.

［9］肖鵬，劉更代.OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：10－15.

［10］The Documentation of OpenSceneGraph［EB/OL］.http：//www.openscenegraph.org.

3Dinformation system design of mine based on OSG technology

HAN Liqin1，YANG Junyi2
（1.Faculty of Surveying and Mapping，Gansu Industry Polytechnic College，Tianshui Gansu 741025，China；2.Tianshui Sanhe Digital Surveying and Mapping Institute，Tianshui Gansu 741000，China）

In order to realize the safety production and management of mining enterprises under the condition of 3Dinformation，based on the characters of multi－source heterogeneous data，the method of using and expanding the Oracle Spatial database component is put forward to complete the data integration.The 3Dinformation system of mines is built with VS2010software platform and OSG graphics open source base.The results show that the system has realized seamless integration of the exploration information，personnel positioning information，video surveillance and equipment monitoring information，etc.The system provides the technical support for mining enterprises to realize intelligent management.

digital mine；3Dmodel；spatial information integration；OSG graphics base

TD672

A

1671－4172（2015）05－0103－03

國家教育體制改革試點(diǎn)項(xiàng)目（08－128－238）；甘肅省高?？蒲许?xiàng)目（121801）

韓立欽（1983－），男，講師，碩士，地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)，主要研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、三維GIS工程技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.022