邵亞琴，汪云甲，李永峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著數(shù)字礦山的不斷建設(shè)，三維礦山地理信息系統(tǒng)(3D Mine Geographical Information Systems，3DMGIS)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在地下開采中，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)是重要組成部分，巷道作為礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的主體，是采礦過程中煤炭運輸、安全通風(fēng)、工人輸送的通道，也是各種生產(chǎn)、檢測設(shè)備的載體，其信息實現(xiàn)動態(tài)的更新、管理和建模，成為時態(tài)地理信息系統(tǒng)(Temporal Geographical Information Systems，TGIS)研究的熱點，在礦山生產(chǎn)組織、災(zāi)害預(yù)防、資源評估與管理、礦山開采監(jiān)管和越界開采監(jiān)控等方面都有強烈的應(yīng)用需求。

本文從時態(tài)三維礦山地理信息系統(tǒng)(T-3DMGIS)出發(fā)，研究一種面向巷道的時空數(shù)據(jù)模型，建立時空數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)動態(tài)三維建模。

1 時空數(shù)據(jù)模型

為了有效組織和管理時空數(shù)據(jù)，需要建立一種使其屬性、空間和時間語義更完整的地理數(shù)據(jù)模型，能夠有效地提高時態(tài)地理信息系統(tǒng)的運行效率和分析能力。

針對不同特點，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了多種時空數(shù)據(jù)模型，包括基態(tài)修正模型、序列快照模型[1]、時空復(fù)合模型、面向?qū)ο蟮哪Ｐ蚚2-3]、基于事件的時空數(shù)據(jù)模型[4]、時間立方體模型[5]等。

基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型以其存儲冗余量低、表達地物變化充分、變化分析容易、在實際開發(fā)中較易實現(xiàn)等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[6]?；鶓B(tài)修正模型的基本原理是將某一時刻的狀態(tài)作為基態(tài)，以后只記錄相對于基態(tài)的變化量，即可推出某一時刻空間對象的變化狀態(tài)。

基于事件的時空數(shù)據(jù)模型認為各時刻狀態(tài)信息一旦發(fā)生變化則定義事件的產(chǎn)生，通過引入事件概念輔助于基于位置和面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄟM行時空數(shù)據(jù)的時態(tài)分析。其優(yōu)點是以事件作為數(shù)據(jù)模型的變化和更新單位，在時空拓撲關(guān)系的分析上使對象更明確。

2 礦井巷道的特點及其動態(tài)變化分析

煤礦開采分為兩種形式，包括露天開采和地下開采，其中煤礦地下開采需要開鑿一系列井巷，包括煤巷和巖巷，通過井巷進入地下煤層后進行采煤，所以地下開采也稱井下開采。

礦井巷道作為地下開采最重要的空間實體之一，其種類很多，也有不同的分類方法。如果按其空間位置分類，則可分為豎直巷道、水平巷道、傾斜巷道和硐室。其中，豎直巷道包括豎井、小井和暗井，豎井是進入地下的主要垂直巷道，一般位于井田中部，主要承擔(dān)運輸、通風(fēng)的任務(wù)；水平巷道包括平硐、平巷、石門、煤門等，平巷一般在煤層中或巖層中沿著其走向進行開掘，石門則垂直或斜交于巖層走向；傾斜巷道包括斜井、上山、下山、溜煤眼、開切眼，斜井是進入地下的主要傾斜巷道，上山位于開采水平之上，沿煤層或巖層從主要運輸大巷由上而下開掘的傾斜巷道，下山的位置和開掘方向與上山相反，開切眼則是連接區(qū)段運輸平巷和區(qū)段回風(fēng)平巷的斜巷，準(zhǔn)備開采的采煤工作面[7]。

礦井巷道的種類繁多，空間關(guān)系錯綜復(fù)雜，形似空間網(wǎng)絡(luò)模型，在礦井建設(shè)和采煤過程中不斷更新和變化，為了實時更新巷道的數(shù)據(jù)庫，利用其時空關(guān)系實現(xiàn)科學(xué)的管理、應(yīng)用和可視化，必須建立適合巷道自身特點的時空數(shù)據(jù)模型，并具備合理的時空拓撲表達[8-11]。

3 基于事件的基態(tài)修正巷道時空數(shù)據(jù)模型

針對礦井巷道的時空特點，以基態(tài)修正模型和基于事件的時空數(shù)據(jù)模型為原型，兼顧兩種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點，將引起基態(tài)的變化量視為事件的發(fā)生，在三維巷道模型中引入時間信息[12]，構(gòu)建基于事件的基態(tài)信息與變化信息之間的映射關(guān)系[13]，記錄巷道的變更時間，通過事件發(fā)生的時間序列組織變更文件，實現(xiàn)巷道數(shù)據(jù)隨時間變化更新、顯示、管理和建模。

3.1 數(shù)據(jù)源

井下導(dǎo)線點是巷道最直接的數(shù)據(jù)源，一般分布在水平、采區(qū)、工作面、巷道、左幫、右?guī)?，獲取導(dǎo)線點三維坐標(biāo)后通過巷道中線逼近算法，計算出巷道中心導(dǎo)線點的三維坐標(biāo)，存儲在數(shù)據(jù)庫中。

3.2 巷道時空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)組織

源于地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)概念，ArcGIS軟件所涉及的網(wǎng)絡(luò)，由一組不同類別的要素組成，這些要素可以度量，并能用圖形表達成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成幾何網(wǎng)絡(luò)的要素被限制存在于網(wǎng)絡(luò)中，ArcGIS自動維護幾何網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)要素之間的基于幾何的一致性拓撲關(guān)系。該幾何網(wǎng)絡(luò)包括邊線和交匯點，其中邊線可以代表巷道，交匯點可以代表巷道交點，根據(jù)這個簡單的思想，就可以將井下巷道抽象為邊線和交匯點，將巷道抽象為單線網(wǎng)絡(luò)模型，并賦予高程和時間[14]。

巷道時空數(shù)據(jù)模型有兩種數(shù)據(jù)組織形式，可以以“點”為單位進行數(shù)據(jù)組織，即按照幾何網(wǎng)絡(luò)模型，使用“交匯點”組織數(shù)據(jù)，一條巷道由一系列有連接關(guān)系的交匯點構(gòu)成，把巷道的相關(guān)參數(shù)存儲在交匯點的屬性表中，而頂板標(biāo)高可存儲在交匯點屬性表中，也可將頂板標(biāo)高直接存儲在交匯點“Z”坐標(biāo)中。

如果以“邊”為單位進行數(shù)據(jù)組織，就可以將一條巷道抽象為一條或者多條線段。由于一條巷道對應(yīng)唯一的截面、名稱和編號，這些參數(shù)同樣可以存儲在“邊”的屬性表中。在ArcGIS的數(shù)據(jù)組織方式中，“Polyline Z”類型的線要素類就可以存儲線頂點的三維坐標(biāo)。將“邊”要素類型設(shè)置為“Polyline Z”，就可以將頂板標(biāo)高存儲在各頂點中。

3.3 巷道時空數(shù)據(jù)模型的基本元素及其時空拓撲關(guān)系

基于GIS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的思想，把巷道中線抽象成GIS理論中的幾何網(wǎng)絡(luò)邊線，而網(wǎng)絡(luò)邊線由一系列的節(jié)點和結(jié)點組成，同時在巷道拓撲關(guān)系建立以后生成的交匯點作為巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型的一個重要元素。每一個基本元素都有對應(yīng)的創(chuàng)建時間(set up time)，任一時刻的巷道網(wǎng)絡(luò)都由以下四類基本元素組成。

結(jié)點(Crunode)：結(jié)點是巷道線的端點，包括起結(jié)點和終結(jié)點，如圖1中的點1、點2、點3、點4、點5、點6、點7和點8；部分結(jié)點又是巷道線的交匯點，如點2(4)和3分別為巷道Ⅰ和巷道Ⅱ、巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交匯點。

圖1 巷道幾何網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系示意圖

節(jié)點(Node)：對于一條巷道，除了兩端的結(jié)點以外，其內(nèi)的點都屬于節(jié)點(如點a、點b、點c、點d、點e)。導(dǎo)線已經(jīng)逼近成巷道中線，因此，節(jié)點和結(jié)點都是中線上的點。由于巷道空間關(guān)系的復(fù)雜性，一個點還有可能具有節(jié)點和結(jié)點雙重屬性，如巷道Ⅲ的節(jié)點c又同時為巷道Ⅱ的結(jié)點3，巷道Ⅱ和巷道Ⅲ的交匯點A。

巷道中線(Laneway)：在巷道網(wǎng)絡(luò)中，各巷道抽象為巷道線。一條完整的巷道由巷道線構(gòu)成，它沒有分支，其基本組成元素是由各中線點連接而成的弧段。巷道的創(chuàng)建時間開始于始結(jié)點(Begin Crunnode)，結(jié)束于終結(jié)點(End Crunnode)，以結(jié)點創(chuàng)建時間標(biāo)識巷道的創(chuàng)建過程，能充分反映在采煤過程中巷道掘進的動態(tài)變化。

交匯點(Junction)：在由巷道中線數(shù)據(jù)集生成巷道幾何網(wǎng)絡(luò)時，要進行拓撲求交，生成的巷道線與巷道線的交點即為交匯點，一般情況下巷道交匯點可以為巷道結(jié)點或節(jié)點，分為聯(lián)通和非聯(lián)通的兩類。

巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型可以通過如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲在Geodatabase數(shù)據(jù)庫[15-16]中。

1) 結(jié)點與巷道的時空拓撲關(guān)系見表1。

2) 節(jié)點與巷道的時空拓撲關(guān)系見表2。

3) 巷道與結(jié)點和節(jié)點之間的時空拓撲關(guān)系見表3。

4) 交匯點與巷道之間的時空拓撲關(guān)系見表4。

表1 結(jié)點與巷道的拓撲關(guān)系

表2 節(jié)點與巷道的拓撲關(guān)系

表3 巷道與結(jié)點和節(jié)點之間的拓撲關(guān)系

表4 交匯點與巷道之間的拓撲關(guān)系

3.4 巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型的生成

由于巷道是實體模型，具有寬度和高度，所以要根據(jù)巷道中線的空間位置，計算巷道間的空間距離d及閾值λ(λ根據(jù)巷道的形態(tài)而定)，通過編寫程序自動判別并建立幾何網(wǎng)絡(luò)的拓撲關(guān)系，進而生成巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型，見圖2。圖3為某時刻單線巷道生成的三維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型。ArcObjects組件庫提供了組件類(CoClass，可以直接創(chuàng)建對象)GeometricNetwork、ForwardStar等和抽象類(Class，在ArcObjects組件庫中它不可以直接創(chuàng)建對象)Network等以及它們實現(xiàn)的接口，通過IGeometricNetwork接口的IRule方法，可以設(shè)置巷道幾何網(wǎng)絡(luò)生成的具體規(guī)則，生成了單線巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型，并將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geodatabase數(shù)據(jù)庫中。

圖2 單線巷道生成二維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 單線巷道生成三維巷道幾何網(wǎng)絡(luò)模型

4 巷道動態(tài)三維建模

4.1 建模原理

ArcGIS平臺不但為巷道時空數(shù)據(jù)提供了有效的Geodatabase數(shù)據(jù)庫，Multipatch(多面片)作為ArcGIS中一種新的要素專門用來描述三維實體表面。本文在建立巷道時空數(shù)據(jù)庫后，利用ArcGIS Engine組件式技術(shù)完成巷道的動態(tài)三維建模。通過IGeneralMultipatchCreator接口創(chuàng)建Multipatch，需要設(shè)置紋理坐標(biāo)點、材質(zhì)列表、Multipatch頂點、組成Multipatch面的類型等，例如要創(chuàng)建建筑物的墻體(四個面)，程序如下所述。

IGeneraMultipatchCreator pCreator =new GeneralMultipatchCreatorCalss() as IGeneralMultipatchCreator;

PCreator.Init(20,4,False,False,False,20,pMaterialLis);

∥該Multipatch 共20個頂點，4個面，20個紋理坐標(biāo)點

pCreator.SetPoint(0,pPoint1);∥ 設(shè)置第一個面的頂點坐標(biāo)，Index 0從開始

pCreator.SetPoint(1,pPoint2);∥ 設(shè)置第二個面的頂點坐標(biāo)，依次類推

……

pCreator.SetPatchType(0,esriPatchTypeRing);∥設(shè)置第一個面的類型

……

pCreator.SetTexturePoint(0,pTxLL);∥設(shè)置第一個面的紋理坐標(biāo)點

……

Multipatch pMultipatch=new pCreator.CreateMulitiPatch();∥生成Multipatch

4.2 按時間軸顯示三維巷道模型

基于事件的基態(tài)修正巷道時空數(shù)據(jù)模型，將時間引入巷道模三維拓撲關(guān)系，隨時記錄巷道的變更時間，通過事件發(fā)生的時間序列組織變更文件，更新巷道時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了巷道數(shù)據(jù)隨時間變化更新、顯示、管理和建模的目的。在巷道建模過程中，根據(jù)巷道創(chuàng)建時間在巷道時空數(shù)據(jù)庫中選擇需要顯示的三維巷道模型，依據(jù)上面提出的建模方法，可動態(tài)建立和顯示不同時間節(jié)點的三維巷道模型，圖4和圖5為巷道不斷增加和開拓過程中兩個不同時刻礦井巷道的三維模型。其中t1時刻是該礦520采區(qū)N2-4工作面正在開采，t2時刻是該礦520采區(qū)N2-5工作面正在開采。

圖4 t1時刻巷道三維模型

圖5 t2時刻巷道三維模型

巷道動態(tài)建模的實現(xiàn)，更加直觀的將巷道隨時間的空間動態(tài)變化展現(xiàn)出來，為礦山企業(yè)在礦山生產(chǎn)過程中的開采進度和開采界限監(jiān)測提供了直觀有效的方法，同時為管理部門針對越界開采等非法開采行為提供了有效的監(jiān)管手段。

5 結(jié) 語

基于圖論基本原理，本文充分利用ArcGIS平臺提供的Geodatabase幾何網(wǎng)絡(luò)模型建立了巷道時空數(shù)據(jù)模型，融合了基態(tài)修正模型和基于事件的時空數(shù)據(jù)模型的基本思想，將時間引入巷道的三維拓撲關(guān)系，達到了巷道數(shù)據(jù)隨時間變化更新、顯示、管理和建模的目的，實現(xiàn)了按時間動態(tài)生成Multipatch三維巷道模型。礦井巷道時空數(shù)據(jù)模型的建立，強調(diào)了時間與空間的密切聯(lián)系，對于礦山動態(tài)開采、動態(tài)管理和動態(tài)監(jiān)測等提供了有效的技術(shù)途徑。鑒于礦

井巷道時空數(shù)據(jù)模型及時空數(shù)據(jù)庫的完成，建立礦體時空數(shù)據(jù)模型并進行礦山非法開采和越界開采監(jiān)管，是本文進一步研究的主要內(nèi)容。

[1] ARMSTRONG M P.Temporality in spatial databases[C]∥Proceedings of GIS/LIS/88.Pennsylvania:The Pennnsylvania State University,1988.

[2] 龔健雅.GIS中面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型[J].測繪學(xué)報，1997(4):289-298.

[3] 胡彥波,吳華瑞,朱華吉.農(nóng)村土地調(diào)查時空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建及應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(9)：387-391.

[4] 鄭扣根,余青怡,潘云鶴.基于事件對象的時空數(shù)據(jù)模型的擴展與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2001(3):45-47.

[5] 包磊,秦小麟.基于灰集的不確定性時空數(shù)據(jù)模型[J].遙感學(xué)報,2005(6):646-652．

[6] 曹洋洋,張豐,杜震洪,等.一種基態(tài)修正模型下的時空拓撲關(guān)系表達[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2014,41(6):709-714.

[7] 全國煤炭技工教材編審委員會.采煤概論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2002.

[8] 田善君.面向礦山開采監(jiān)管的時空數(shù)據(jù)模型研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2013.

[9] 謝義林.巷道三維構(gòu)模及虛擬交互研究與應(yīng)用[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2007.

[10] 余勁松弟.MGIS中的巷道三維拓撲建模研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2008.

[11] 白春妮.地下礦多源異質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2016.

[12] 李玲,王崇倡,劉正綱.一種4D管線模型的建立方法[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(26)：1864-1086.

[13] 胡晉山.礦區(qū)土地復(fù)墾時空數(shù)據(jù)模型研究[D].武漢：武漢大學(xué),2006.

[14] 汪云甲,伏永明.礦井巷道三維自動建模方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2006,31(12)：1097-1100.

[15] 姜曉軼,周云軒,蔣雪中.基于Geodatabase的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型[J].計算機工程,2005,31(24):27-29.

[16] 邵亞琴.面向巷道的Geodatabase幾何網(wǎng)絡(luò)模型的建立與分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2012,31(1):56-59.