李 梅，姜 展，姜龍飛，孫振明

（1.北京大學(xué) 遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

煤礦的信息化建設(shè)已經(jīng)從數(shù)字礦山建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)向了智慧礦山，現(xiàn)在普遍認(rèn)為是智慧礦山初級(jí)階段［1-2］。 伴隨著煤礦信息化的進(jìn)程，地理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用一直都受到煤礦行業(yè)的重視。 隨著近2 年來智慧礦山的建設(shè)，專家學(xué)者對(duì)三維可視化技術(shù)從各自的角度加以解讀，提出了玻璃地球［3-4］、透明礦山［5］、透明工作面［6］、AR/VR［7］、三維［8］/四維地理信息［9］、虛擬地理環(huán)境［10］等新的學(xué)術(shù)名詞，也涌現(xiàn)出現(xiàn)了大量的專業(yè)化三維可視化系統(tǒng)［11-15］。

煤礦信息屬于空間信息的范疇，煤礦生產(chǎn)過程與三維空間有密切關(guān)系。 相比其他行業(yè)，煤礦行業(yè)的三維可視化信息系統(tǒng)建設(shè)歷史更早，內(nèi)容也更加豐富。 回顧整個(gè)三維可視化技術(shù)的發(fā)展，早在20 世紀(jì)80 年代，就出現(xiàn)了許多三維地質(zhì)建模和可視化的系統(tǒng)，具備了一定的三維空間數(shù)據(jù)處理功能，為地質(zhì)、礦山領(lǐng)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、分析及顯示提供一定的功能［16-20］。 在采礦領(lǐng)域出現(xiàn)了GOCAD、Surpac、MicroMine、DataMine、Whittle 等三維礦山信息系統(tǒng)。在20 世紀(jì)90 年代后期，隨著測(cè)繪地理信息技術(shù)發(fā)展，三維可視化技術(shù)在城市領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了地學(xué)三維技術(shù)與城市三維技術(shù)各自發(fā)展的局面［21］。

相對(duì)于國外三維可視化技術(shù)應(yīng)用，在我國礦山領(lǐng)域的三維可視化研究可以分為3 個(gè)階段。 第1 階段（20 世紀(jì)80 年代到2006 年左右），國內(nèi)開始了三維地質(zhì)建模方面的研究，這類系統(tǒng)是服務(wù)于地質(zhì)勘探，具有三維地質(zhì)建模和儲(chǔ)量計(jì)算等功能。 第2 階段（2006—2016 年），隨著數(shù)字礦山建設(shè)的過程，出現(xiàn)了三維數(shù)字礦山管理平臺(tái)等，這些系統(tǒng)在三維地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)井上下三維可視化瀏覽，同時(shí)集成了煤礦安全和生產(chǎn)相關(guān)的各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能夠在桌面端和調(diào)度大屏上展示整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，為煤礦的生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行提供可視化的監(jiān)控及管理服務(wù)。 第3 階段（2016 年至今），隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維可視化系統(tǒng)從可視化層面逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用層面。 傳統(tǒng)的三維可視化系統(tǒng)主要依賴于地質(zhì)、測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)建模及人工手動(dòng)建模，而且以宏觀信息展示為主。 智能礦山建設(shè)中，三維可視化平臺(tái)除了作為礦井?dāng)?shù)據(jù)集成與展示的平臺(tái)，還逐漸深入到各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，如透明化勘探、采礦設(shè)計(jì)、通風(fēng)模擬、綜合自動(dòng)化集成、三維智能管控、地表環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害事故反演、虛擬仿真培訓(xùn)等，三維可視化技術(shù)已經(jīng)成為智慧礦山建設(shè)必不可少的支撐技術(shù)。

當(dāng)前，礦山領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)獲取、三維數(shù)據(jù)建模、三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、三維可視化平臺(tái)等核心技術(shù)正在處于攻堅(jiān)階段，三維可視化應(yīng)用還無法滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。 針對(duì)這些問題，筆者結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)三維可視化技術(shù)在智慧礦山中研究與應(yīng)用加以總結(jié)，并提出了下一步研究和應(yīng)用的方向，以供讀者借鑒參考。

1 三維可視化技術(shù)在智慧礦山領(lǐng)域的研究及應(yīng)用方向

智慧礦山是將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)流程的智能化決策和管理的過程［22］。 地理信息系統(tǒng)為智慧礦山建設(shè)提供了基礎(chǔ)的空間信息服務(wù)。 在智慧礦山建設(shè)中，在精準(zhǔn)探測(cè)與透明地質(zhì)、工業(yè)機(jī)器人與AI、少人/無人開采、精確地圖與地下導(dǎo)航、智能調(diào)度控制、智能物流、設(shè)備故障智能診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)與生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域都要利用地理信息作為空間位置參考。

在本文中，三維可視化技術(shù)不是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的科學(xué)計(jì)算可視化［23］，而是指智慧礦山建設(shè)中三維空間信息數(shù)據(jù)獲取、三維空間數(shù)據(jù)建模、三維軟硬件建設(shè)、三維礦山專題應(yīng)用等系列技術(shù)方法。 三維可視化技術(shù)是地理信息技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。

目前三維地理信息系統(tǒng)或者三維可視化技術(shù)大多是停留在“查一查、看一看”的層次。 最近的各類智慧礦山發(fā)展實(shí)施方案中，一般將三維可視化或者三維地理信息系統(tǒng)項(xiàng)目作為具體的建設(shè)內(nèi)容。 而實(shí)際上，由于三維可視化技術(shù)屬于底層服務(wù)平臺(tái)，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域各有不同，一個(gè)完全通用的三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)無法滿足各個(gè)智慧礦山建設(shè)的空間信息需求。針對(duì)這一問題，筆者提出了智慧礦山中的三維可視化技術(shù)研究和應(yīng)用方向，如圖1 所示。

圖1 智慧礦山三維可視化的研究和應(yīng)用方向Fig.1 Research and application of 3D visualization for smart mine

從圖1 可以看出，整個(gè)三維可視化技術(shù)從技術(shù)架構(gòu)上可以分為2 個(gè)層次：

1）底層為軟件平臺(tái)層，以三維可視化系統(tǒng)為核心開展研究。 通過三維引擎，構(gòu)建桌面、Web、移動(dòng)端等可視化系統(tǒng)，同時(shí)支持虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，以達(dá)到良好的可視化效果。

2）上層為軟件應(yīng)用層，在三維可視化平臺(tái)上，開展透明化勘探、智能設(shè)計(jì)、通風(fēng)模擬、綜合自動(dòng)化集成、三維智能管控、地表環(huán)境監(jiān)測(cè)、事故災(zāi)害模擬和虛擬仿真培訓(xùn)等。 這些應(yīng)用各有特點(diǎn)，又息息相關(guān)，需要針對(duì)性地開展數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用功能開發(fā)。

2 三維數(shù)據(jù)獲取與建模技術(shù)

三維數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建模能力是制約礦山可視化技術(shù)深入應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。 下文重點(diǎn)對(duì)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)獲取和三維巷道模型數(shù)據(jù)獲取技術(shù)進(jìn)行綜述。

2.1 三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)獲取與建模技術(shù)

煤礦地質(zhì)工作是由灰色到白色的一個(gè)透明化過程［24］。 三維地質(zhì)模型是礦山三維可視化系統(tǒng)的重要組成部分，通過鉆探、物探等技術(shù)獲得地下煤層及其頂?shù)装鍘r層、含水層、斷層、沖刷帶、煤層露頭等地質(zhì)信息，開展三維地質(zhì)建模與可視化，建立煤層、標(biāo)志層、斷層、陷落柱、采空區(qū)、積水區(qū)、高瓦斯聚集區(qū)等三維模型，為用戶提供了直觀可視的礦山地質(zhì)環(huán)境。

地面鉆探、井下鉆探、現(xiàn)場(chǎng)揭露數(shù)據(jù)、定向鉆進(jìn)等是三維地質(zhì)建模中的最準(zhǔn)確、最有效的三維數(shù)據(jù)。然而缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量少、空間分布不均。 因此僅依靠這些已知控制點(diǎn)開展三維地質(zhì)建模與可視化，不能滿足當(dāng)前透明地質(zhì)的需求。

當(dāng)前的物探手段多種多樣，包括三維地震、高密度電法、瞬變電磁、槽波探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、微震監(jiān)測(cè)等，是圍繞安全開采，以“構(gòu)造解釋”為目標(biāo)，圈定煤系地層中的各類構(gòu)造。 這些方法能夠獲得精細(xì)化的解釋數(shù)據(jù)，并建立高精度的三維地質(zhì)模型。 在透明工作面地質(zhì)建模方面，需要得到高精度的地層界線、構(gòu)造的空間位置以及煤厚信息，在此主要選擇與透明工作面三維地質(zhì)建模相關(guān)的三維地震、槽波探測(cè)、探地雷達(dá)等技術(shù)進(jìn)行介紹。

地面三維地震勘探是物探中最常見的手段，其原理為根據(jù)人工激發(fā)地震波在地下巖層中的傳播路線和時(shí)間，探測(cè)地下巖層界面的埋藏深度和形狀。以三維地震為基礎(chǔ)，結(jié)合各種鉆孔、測(cè)井、地質(zhì)素描、地質(zhì)揭露等，三維地震動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)能夠較為精確地解釋出斷層、陷落柱、采空區(qū)等。 三維地震技術(shù)具有覆蓋面廣、探測(cè)深度大、橫向分辨率高的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的地球物理勘探技術(shù)。

與地面三維地震勘探不同，槽波地震探測(cè)［25］是一種精細(xì)化的工作面物探技術(shù)。 其原理為在工作面設(shè)置分布式地震儀，通過采集槽波信號(hào)，能夠探測(cè)到采煤工作面開采推進(jìn)前方的斷層、陷落柱、沖刷及變薄帶等地質(zhì)異常。 槽波探測(cè)對(duì)于工作面中的構(gòu)造探測(cè)有效，對(duì)于工作面煤厚解釋精度能夠達(dá)到米級(jí)。

探地雷達(dá)是一種精細(xì)化工作面物探技術(shù)。 主要工作原理是利用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射探測(cè)目標(biāo)。 通過對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，能夠有效識(shí)別工作面推進(jìn)前方小斷層、沖刷破碎帶等［26］。 地質(zhì)雷達(dá)具有高精度、高效率、高便捷性等特點(diǎn)，目前也正在嘗試應(yīng)用于煤巖層界線等方面研究。

上述物探手段的數(shù)據(jù)，通過人工解釋后，生成帶地理坐標(biāo)的地質(zhì)點(diǎn)數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)、面數(shù)據(jù)和體數(shù)據(jù)模型，結(jié)合鉆孔、地質(zhì)素描等已知控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，開展三維地質(zhì)建模和可視化表達(dá)。 在礦山領(lǐng)域三維地質(zhì)建模多選用不規(guī)則三棱柱模型（TPN）作為建立地質(zhì)模型的基本體元，也可以采用平行輪廓線或者交叉剖面等表達(dá)地層界線或構(gòu)造的不規(guī)則表面。 在地質(zhì)建模數(shù)據(jù)更新方面將已知點(diǎn)加入模型后，采用平面-剖面對(duì)應(yīng)算法、膨脹搜索算法、樣條曲面算法、平滑過渡算法等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)原地層模型進(jìn)行局部或整體細(xì)分后重構(gòu)地層模型［27］。

2.2 三維巷道數(shù)據(jù)采集與建模技術(shù)

除了三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，礦山三維可視化系統(tǒng)另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)來源是巷道三維模型。 傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)以電子經(jīng)緯儀、測(cè)距儀和全站儀為主，將導(dǎo)線成果點(diǎn)展繪到采掘工程平面圖、地表工業(yè)廣場(chǎng)圖、地質(zhì)地形圖等之上。 在三維可視化系統(tǒng)中，巷道三維模型多采用巷道中心線加巷道斷面方法拉伸建模，自動(dòng)處理巷道交叉點(diǎn)。 這種方法優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)單，自動(dòng)化建模程度高；缺點(diǎn)在于缺乏三維模型的細(xì)節(jié)，只能用于宏觀展示。 井上工業(yè)廣場(chǎng)、井下巷道重點(diǎn)場(chǎng)所都是礦山生產(chǎn)活動(dòng)的主要場(chǎng)所，如何快速、高效、低成本獲取井上下重點(diǎn)場(chǎng)所三維數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上快速建模是三維可視化系統(tǒng)的難點(diǎn)問題。 針對(duì)這一問題，筆者重點(diǎn)介紹幾種新型三維數(shù)據(jù)獲取和建模方法，如激光掃描儀、全景技術(shù)、深度相機(jī)等技術(shù)。

2.2.1 激光LiDAR 數(shù)據(jù)獲取與建模技術(shù)

三維激光LiDAR 技術(shù)是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量方法。 三維激光掃描儀原理是通過激光雷達(dá)脈沖信號(hào)掃描，快速獲得目標(biāo)的三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)，利用三維建模軟件進(jìn)行建模，生成掃描物體的三維圖像和可量測(cè)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為多種輸出格式的圖形產(chǎn)品。 目前我國礦山測(cè)量領(lǐng)域中使用的三維激光掃描設(shè)備及軟件主要來源于德國Callidus 公司、奧地利Rigel 公司、美國Leica 公司和Trimble 公司、澳大利亞Maptek Pty 公司、加拿大Optech 公司、英國MDL 公司等，這些公司也專門開發(fā)了面向礦山應(yīng)用的全站儀和數(shù)碼相機(jī)一體化設(shè)備［28-29］。 德國Callidus 公司GmbH 型距離精度為5 mm/hm， 美國Leica 公司ScanStationP30/P40 型距離精度為1.2 mm±10×10-6。 激光掃描儀具有非接觸、高精度、高時(shí)效、信息量大等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)、露天礦儲(chǔ)量管理、地表沉陷監(jiān)測(cè)等地表測(cè)量和監(jiān)測(cè)［29］。

激光掃描儀在井下測(cè)量中應(yīng)用比較少，主要原因在于很多商業(yè)化的三維激光掃描設(shè)備不具備防爆功能，井下高溫、潮濕、多粉塵也會(huì)影響激光的測(cè)量精度［30］。 近2 年來，智能工作面提出了高精度設(shè)備定位的需求，利用激光LiDAR 結(jié)合慣導(dǎo)設(shè)備、測(cè)量機(jī)器人對(duì)開采環(huán)境的設(shè)備進(jìn)行空間絕對(duì)定位，實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)模型與開采裝備的空間耦合，是智能工作面研究的難點(diǎn)問題。 已經(jīng)引用澳洲技術(shù)LASC（Longwall Automation System）技術(shù)開展應(yīng)用并取得了一定的進(jìn)展，但是激光點(diǎn)云在智能工作面的應(yīng)用還需要深入研究［6］。

2.2.2 全景圖像和全景視頻數(shù)據(jù)獲取與建模技術(shù)

全景圖像獲取的2 種方式：一是以圖像繪制為基礎(chǔ)的全景圖像拼接技術(shù)，利用魚眼相機(jī)只需很少幾幅照片拼接即可生成全景圖像；另一種是全景相機(jī)，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的相機(jī)參數(shù)，全自動(dòng)獲取全景圖像。 全景視頻則是通過3D 攝像機(jī)進(jìn)行全方位360°進(jìn)行拍攝的視頻。 目前主流全景數(shù)據(jù)采集是將全景相機(jī)搭載在全景采集車、無人機(jī)、定制背包之上，國內(nèi)外大型的互聯(lián)網(wǎng)公司，如谷歌、騰訊等均定制了不同的全景相機(jī)進(jìn)行全景影像的采集，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)城市和區(qū)域的全景數(shù)據(jù)獲取。 德國Panono 公司開發(fā)出一種拋向空中、在最高點(diǎn)拍攝全景照片的球形相機(jī)Panono 分辨率達(dá)到1 億800 萬像素。 全景相機(jī)Insta360Pro2 可以安裝在手機(jī)上，形成12 000×1 200十連拍合成12K 超高分辨率全景圖像，也支持可以全方位360°拍攝視頻，用戶在觀看視頻，通過鼠標(biāo)拖拽可以隨意調(diào)節(jié)視頻上下左右進(jìn)行觀看。 同時(shí)，全景影像與激光點(diǎn)云、深度相機(jī)等結(jié)合，例如多傳感器城市實(shí)景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，集成了激光掃描儀和Ladybug3 全景相機(jī)，實(shí)現(xiàn)可量測(cè)和空間分析的全景瀏覽方式。

全景影像和全景視頻是一種新型的三維數(shù)據(jù)獲取方法，可代替復(fù)雜的三維場(chǎng)景幾何建模和繪制，具有全視角、虛擬真實(shí)和高現(xiàn)勢(shì)性等特點(diǎn)，同時(shí)具有高分辨率和三維立體效果等優(yōu)勢(shì)，與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合，能夠快速展示場(chǎng)景的沉浸感效果，給人們帶來一種真實(shí)感的體驗(yàn)。 全景技術(shù)可以有效解決巷道建模數(shù)據(jù)單調(diào)的問題，搭建動(dòng)態(tài)交互的虛擬空間，為煤礦安全管理和生產(chǎn)提供保證。 全景技術(shù)的缺點(diǎn)在于，后臺(tái)沒有三維點(diǎn)云模型的支撐，只能以瀏覽和圖像識(shí)別為主。 全景技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用還不多見，主要原因在于井下環(huán)境單一、光線差，沒有專門的礦井全景數(shù)據(jù)采集設(shè)備，全景圖像拼接融合難度較大，在數(shù)據(jù)處理上還不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化［31］。

2.2.3 雙目立體視覺/深度相機(jī)三維數(shù)據(jù)獲取與建模技術(shù)

1）基于雙目立體視覺多視幾何技術(shù)。 立體視覺技術(shù)通過采集序列化影像，利用三角測(cè)量原理從多幅圖像中檢測(cè)特征點(diǎn)并進(jìn)行匹配計(jì)算，得到相機(jī)參數(shù)，恢復(fù)所拍攝景物的深度信息或者在空間中的三維信息，即從二維成像影像中恢復(fù)三維信息［32］。多視幾何技術(shù)不需要專業(yè)的測(cè)量相機(jī)或者攝影經(jīng)緯儀就可以自動(dòng)解算出目標(biāo)的相對(duì)空間位置信息，最終得到可量測(cè)的3D 模型。 多視幾何三維建模算法主要有SIFT、SURF、GHT 等［33］，在國外成熟軟件有PhotoModeler、Photosynth、Arc3D 等。 尤其是Photo?Modeler 將“近景測(cè)繪”和“三維建模”2 個(gè)獨(dú)立的工作環(huán)節(jié)集成在一起，提升了高精度三維建模的效率。

基于雙目立體視覺多視幾何技術(shù)已成熟應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、建筑、浮雕等模型的自動(dòng)建模，對(duì)于煤礦井下環(huán)境來說，巷道內(nèi)部多為光線不足、內(nèi)壁紋理稀疏的封閉或部分封閉空間，稀疏的紋理和較弱的光線會(huì)增加圖像數(shù)據(jù)特征點(diǎn)識(shí)別的難度，因此需要增加人工編碼點(diǎn)和燈光照明［31］。 此外，多視幾何技術(shù)的建模精度只與相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和建模算法有關(guān)，且需要較大的人工輔助測(cè)繪，容易導(dǎo)致累計(jì)誤差，從而影響模型精度。

2）基于TOF 和結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)技術(shù)。 針對(duì)多視幾何重建方法精度不高、深度信息丟失、處理速度慢和實(shí)時(shí)性差的問題，深度相機(jī)技術(shù)逐步成為繼多視幾何技術(shù)后又一個(gè)三維數(shù)據(jù)獲取熱門技術(shù)。 常見的深度相機(jī)技術(shù)有2 種：TOF 飛行時(shí)間法和三維結(jié)構(gòu)光法。 其中，TOF 飛行時(shí)間法是通過計(jì)算發(fā)射和接收光信號(hào)的飛行時(shí)間來得到被測(cè)目標(biāo)的深度信息，廠商有PMD、Basler、Optrima、微軟等，產(chǎn)品有Ki?nect 二代（Kinect v2）等；結(jié)構(gòu)光法是通過光編碼技術(shù)研究激光散斑在不同深度位置的不同形狀，從而獲取散斑和攝像頭之間的距離信息，廠商有apple（primesense）和奧比中光等。 二者均是通過主動(dòng)感知技術(shù)，抗干擾性強(qiáng)、精度高、受環(huán)境影響小，不受物體表面顏色信息和特征紋理影響，能夠?qū)崟r(shí)快速計(jì)算出深度信息。 深度相機(jī)在三維建模、無人駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、人臉解鎖、體感游戲等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。

2.2.4 巷道三維數(shù)據(jù)獲取的優(yōu)缺點(diǎn)分析

筆者通過模擬井下黑暗環(huán)境，采用上述設(shè)備開展研究后，試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

1）多視幾何建模，簡(jiǎn)單高效、成本低，具有光譜特性，對(duì)地物邊線提取精度相對(duì)較高，但圖片特征點(diǎn)提取的過程，受環(huán)境光照紋理影響大，需投入較大的人力成本，應(yīng)用前景有限［34］。

2）深度相機(jī)，采用主動(dòng)感知技術(shù)，多采用紅外光源，受井下環(huán)境光線條件影響小，但目前常見的TOF 相機(jī)和結(jié)構(gòu)光相機(jī)，測(cè)量范圍有限，如Kinect第3 代測(cè)量范圍0.5～4.5 m，Basler 工業(yè)相機(jī)測(cè)量范圍0～13 m。 深度相機(jī)只獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，離不開后期點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，數(shù)據(jù)精度比激光LiDAR 低，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的測(cè)量。

3）利用激光LiDAR 進(jìn)行巷道三維重建，采用主動(dòng)感知方式，點(diǎn)云精度高，受環(huán)境影響小，通過慣導(dǎo)技術(shù)和SLAM 技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)井下三維環(huán)境實(shí)時(shí)感知與重建，行業(yè)應(yīng)用前景廣泛。 但是激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒有圖像的紋理信息，加上點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身存在的海量性、離散性、冗余性等特點(diǎn)，很難直接加載處理并應(yīng)用于三維建模，因此如何有效精簡(jiǎn)點(diǎn)云、提取特征點(diǎn)和特征線，服務(wù)于煤巖層界面識(shí)別、支架碰撞監(jiān)測(cè)、綜采工作面定位和露天礦坑邊坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，將是未來井下激光點(diǎn)云應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

筆者認(rèn)為，在快速獲取巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化應(yīng)用時(shí)，可考慮集成TOF 相機(jī)、全景相機(jī)、慣導(dǎo)等技術(shù)于一體的三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可考慮設(shè)計(jì)全景相機(jī)結(jié)合防爆手持激光掃描儀等設(shè)備，對(duì)不方便進(jìn)入的硐室、變電站、泵房、掘進(jìn)工作面等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 三維可視化軟硬件技術(shù)

3.1 三維可視化軟件

三維可視化軟硬件平臺(tái)也是三維技術(shù)的重要內(nèi)容。 2006 年NASA 的World Wind 程序開源，2014年，Unreal、CryEngine 等游戲引擎三維引擎代碼開放，大幅度降低了三維軟件研發(fā)的門檻，基于這些開源代碼的三維軟件大量涌現(xiàn)。

三維可視化軟件分為2 個(gè)層次。 底層是三維引擎層，三維引擎有上百種，比較著名的包括Unreal、Unity3D、OSG 等。 Unity3D、Unreal 都是游戲類三維引擎，主要以3DMax、MAYA 等精細(xì)化三維建模數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，擅長(zhǎng)展現(xiàn)局部真實(shí)感渲染及復(fù)雜場(chǎng)景細(xì)節(jié)。 而OSG 偏向于數(shù)據(jù)可視化的三維引擎，其中OSGEarth 支持顯示海量三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等，擅長(zhǎng)數(shù)字地球、智慧城市等城市級(jí)三維應(yīng)用。

總體來說，三維引擎是三維應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心，決定著整個(gè)三維虛擬環(huán)境的渲染速度、真實(shí)感、沉浸感，以及整個(gè)三維應(yīng)用程序開發(fā)的便捷性和高效性。一個(gè)完整的三維引擎包括了圖形渲染子系統(tǒng)、人工智能模塊、物理引擎模塊、腳本語言模塊、空間幾何模塊、地理地形模塊、輸入輸出子系統(tǒng)、聲音子系統(tǒng)、時(shí)間子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎模塊。 其中圖形渲染子系統(tǒng)為三維引擎的核心，包括渲染系統(tǒng)、場(chǎng)景組織、資源管理和對(duì)象模型等4 個(gè)部分。 在應(yīng)用開發(fā)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮開發(fā)的方向，選擇合適的三維引擎，構(gòu)建桌面三維系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)三維系統(tǒng)、移動(dòng)端三維系統(tǒng)。 常見的ArcGIS Global3D、Skyline、SuperMap 等通用三維地理信息系統(tǒng)軟件，只將功能集中在測(cè)繪、國土和城市等地表領(lǐng)域，無法滿足礦山領(lǐng)域?qū)θS可視化的需求。 因此礦山領(lǐng)域紛紛從底層開發(fā)各類三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，礦山領(lǐng)域的三維可視化系統(tǒng)從傳統(tǒng)的桌面系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)三維（Web3D）和移動(dòng)端。 WebGL 技術(shù)無需插件就能通過瀏覽器顯示三維場(chǎng)景，大幅提升了用戶的體驗(yàn)，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。 WebGL 通過引入一個(gè)與OpenGL ES 2.0 緊密相符合的API，可以在HTML5元素中使用，從而實(shí)現(xiàn)了利用底層的圖形硬件加速功能進(jìn)行圖形渲染。 三維引擎Unreal 或者Unity3D均支持將三維場(chǎng)景通過WebGL 進(jìn)行發(fā)布。 WebGL開源開發(fā)包，如Three.js、OSG.js、Cesuim.js 等是一種輕量級(jí)三維開發(fā)架構(gòu)，基于這些輕量級(jí)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)三維可視化系統(tǒng)，能夠?yàn)槊旱V井下人員定位、安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理等提供具有宏觀和中觀尺度的井下三維場(chǎng)景。

隨著場(chǎng)景資源增大，WebGL 對(duì)客戶端硬件的要求也隨之提高，在真實(shí)感渲染與桌面系統(tǒng)還存在一定的差距。 對(duì)于大規(guī)模的三維可視化應(yīng)用，需要不斷地在效率性能和資源占用上做平衡。 針對(duì)這一問題，為了獲得更逼真的三維可視化效果，云渲染三維可視化系統(tǒng)也成為研究和應(yīng)用的方向。 三維場(chǎng)景的云端渲染，是指將載有三維場(chǎng)景的程序運(yùn)行在云服務(wù)器上，通過云服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)三維程序畫面進(jìn)行渲染、捕獲和壓縮后以視頻流的形式發(fā)送給低計(jì)算能力的客戶端，用戶可以在客戶端通過網(wǎng)絡(luò)與三維程序交互。 客戶端是輕量級(jí)的，只負(fù)責(zé)解碼和顯示三維場(chǎng)景畫面，可以移植到資源受限的平臺(tái)，如移動(dòng)設(shè)備等。 云渲染技術(shù)與目前流行的HTML5 和WebGL 技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)主要在于對(duì)與客戶端沒有特殊要求，而且無論哪種設(shè)備都可以保證三維精細(xì)化場(chǎng)景的真實(shí)感和質(zhì)量。 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）等高等院校都采用云渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)的礦井三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目［35-36］。

云渲染技術(shù)的缺點(diǎn)是受到網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，畫面的流暢性會(huì)受到影響，交互性較差。 隨著5G 通信技術(shù)發(fā)展，用戶終端與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接入性能大幅度提升，云渲染具有比WebGL 更好的應(yīng)用前景。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)硬件搭配三維軟件，能夠提供具有沉浸 感 （ Immersion）、 可 移 植 性 與 實(shí) 時(shí) 交 互（Interaction）、想象性（Imagination）的三維場(chǎng)景。 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備主要分為輸入和輸出設(shè)備2 大類。其中，輸入設(shè)備分為三維跟蹤定位裝置、運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和交互式設(shè)備。 三維跟蹤定位裝置主要有數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等；運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)代表性產(chǎn)品有Kinect、Leap Motion、RealSense、美國魔神公司的 Motion Analysis 系統(tǒng)和諾亦騰開發(fā)的Perception Neuron［37］；交互式設(shè)備主要有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、VR 手柄、觸覺反饋裝置等。 輸出設(shè)備主要為多通道投影、電子屏、三維打印機(jī)等。 根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件規(guī)模大小來劃分，可分為：頭戴式顯示設(shè)備、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、小型虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、多通道（120°或者180°）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、360°環(huán)幕、球幕等。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦山行業(yè)的應(yīng)急救援培訓(xùn)、設(shè)備教學(xué)、培訓(xùn)教學(xué)等領(lǐng)域，但也存在交互性不強(qiáng)、眩暈感等問題［38］。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)不同，采用三維注冊(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)圖像進(jìn)行信息增強(qiáng)。 硬件設(shè)備分為頭戴顯示式、手持顯示式以及投影顯示式等。 頭戴顯示式分為視頻透視式和光學(xué)透視式2 種，主要為數(shù)字眼鏡和頭盔，例如微軟公司的HoloLens、Meta 公司的Meta2 和谷歌公司的Google Glass 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡；手持顯示式一般指手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端的顯示器；投影顯示式分為手持、全息和屏幕投影儀等。 增強(qiáng) 現(xiàn) 實(shí) 軟 件 主 要 有 Vuforia、 Realmax、 Metaio、Wikitude、Catchoom、D’ Fusion、ARToolKit、LayAR、Kudan 等。

隨著井下通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，防爆手機(jī)在井下普及，基于移動(dòng)端的礦山增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)迎來更多的發(fā)展機(jī)遇。 例如對(duì)井下巷道進(jìn)行信息增強(qiáng)顯示， 礦工佩戴的數(shù)字眼鏡具有導(dǎo)航定位，可以顯示當(dāng)前溫度、濕度、風(fēng)速、CO 濃度和含塵濃度信息，并進(jìn)行危險(xiǎn)提示等功能，發(fā)現(xiàn)異常情況能夠及時(shí)處理，引導(dǎo)井下人員自主逃生。

4 三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用

在煤礦信息化發(fā)展背景下，智慧礦山正向安全、高效、綠色的新型礦山發(fā)展，礦井?dāng)?shù)字化工作從單一向綜合、從二維向三維轉(zhuǎn)變，建設(shè)三維可視化系統(tǒng)成為智慧礦山建設(shè)中不可缺少的重要工作。 然而當(dāng)前三維系統(tǒng)的應(yīng)用還集中在可視化展示和查詢分析層次。 由于礦山生產(chǎn)變化快，時(shí)效性強(qiáng)，空間位置信息不斷變化，礦山信息化建設(shè)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)體系，常導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，三維系統(tǒng)的使用體驗(yàn)感不佳。 筆者認(rèn)為，通用的三維可視化或者三維地理信息系統(tǒng)是不能夠滿足智慧礦山建設(shè)需求。 在充分的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)建?；A(chǔ)上，從可視化展示轉(zhuǎn)向三維空間分析與專題應(yīng)用，才是三維可視化系統(tǒng)最大化價(jià)值的體現(xiàn)。

4.1 透明化勘探可視化分析

透明化勘探是指通過各種勘探手段，盡量探明礦區(qū)地層、斷層、陷落柱、積水區(qū)、采空區(qū)等地質(zhì)對(duì)象的空間形態(tài)和屬性特征，了解瓦斯、水文、沖擊地壓等災(zāi)害及巖石力學(xué)特征的分布狀態(tài)，以滿足地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析和智能開采、智能掘進(jìn)等智慧礦山建設(shè)的需求。

三維可視化系統(tǒng)能夠管理和顯示研究區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆探資料、測(cè)井資料、電法勘探數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)等，提供三維地震動(dòng)態(tài)解釋方法以及多源數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、融合算法，并提供三維地質(zhì)模型顯示，地質(zhì)剖面、柵欄圖、等值線、等值面、等值體生成，空間量測(cè)，開挖分析，推進(jìn)分析等三維地質(zhì)空間分析工具，服務(wù)于儲(chǔ)量估算、礦體預(yù)測(cè)、地質(zhì)分析等。

隨著智慧礦山建設(shè)的推進(jìn)，透明工作面成為透明化勘探的熱點(diǎn)問題。 透明工作面三維可視化平臺(tái)，通過采集多源工作面地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，建立工作面高精度三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，并與采煤成套裝備實(shí)現(xiàn)空間位置耦合和數(shù)據(jù)集成聯(lián)動(dòng)，不但可以向采煤裝備控制平臺(tái)推送三維截割曲線，同時(shí)采集采煤裝備實(shí)時(shí)位置信息，并對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。透明工作面的難點(diǎn)問題主要是由于勘探手段沒有突破，三維工作面地質(zhì)模型無法滿足開采控制系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)信息精度的需求。

4.2 智能化協(xié)同設(shè)計(jì)與全生命周期管理

智能化采礦設(shè)計(jì)是智慧礦山建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分，采礦設(shè)計(jì)緊密圍繞透明地質(zhì)、多人協(xié)同、計(jì)算機(jī)輔助制圖、人工智能等開展工作。 智能化設(shè)計(jì)就是采用BIM、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)設(shè)計(jì)、工作面二維設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)提升；建立統(tǒng)一的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，各設(shè)計(jì)人員在相同的標(biāo)準(zhǔn)下，采用相同或者兼容的數(shù)據(jù)格式一起工作，提高設(shè)計(jì)的效率；將多方的BIM 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行空間碰撞檢測(cè)，避免設(shè)計(jì)在三維空間上沖突；結(jié)合三維設(shè)計(jì)方案開展自動(dòng)、半自動(dòng)輔助決策，輸出采礦設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算結(jié)果和報(bào)表報(bào)告，減輕設(shè)計(jì)人員工作量，從而達(dá)到智能化、自動(dòng)化的目標(biāo)。

BIM 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為三維可視化系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)源。 面向智能化設(shè)計(jì)的三維可視化系統(tǒng)能夠用于礦山工程建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期管理。 將不同階段的建造信息、維護(hù)信息和經(jīng)濟(jì)信息等集中在一個(gè)三維可視化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)維管理，尤其是礦山建設(shè)工程具有建設(shè)工序多、工期長(zhǎng)、工程量大、牽涉面廣等特點(diǎn)，全生命周期管理能有效減少礦山的建設(shè)成本、提高效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于還存在三維地質(zhì)建模不通用、煤礦設(shè)計(jì)人員未改善當(dāng)前的二維設(shè)計(jì)習(xí)慣等問題，導(dǎo)致BIM 技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用還不夠深入。BIM 和GIS 未來將深度融合，需要研究?jī)烧咿D(zhuǎn)換的語義映射規(guī)則、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等問題，才能確保轉(zhuǎn)換過程中信息無損［39］。

4.3 通風(fēng)模擬時(shí)空分析與模擬

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山系統(tǒng)非常重要的部分，三維通風(fēng)模擬和可視化是智能通風(fēng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的通風(fēng)模擬是在經(jīng)驗(yàn)和大量手工計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其精確度和結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期。 三維可視化系統(tǒng)將通風(fēng)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與三維巷道進(jìn)行耦合，不僅可以進(jìn)行三維通風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)網(wǎng)解算、通風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)過程動(dòng)態(tài)模擬，還可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)模擬、污染物擴(kuò)散模擬，提供通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性分析工具，在三維場(chǎng)景中對(duì)通風(fēng)方法的合理性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬，在保證通風(fēng)安全的前提下節(jié)約通風(fēng)成本，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)流狀態(tài)的真實(shí)動(dòng)態(tài)模擬效果，對(duì)設(shè)計(jì)礦山通風(fēng)系統(tǒng)具有參考和指導(dǎo)意義。

4.4 三維綜合管理可視化

三維綜合管理可視化系統(tǒng)是以三維可視化平臺(tái)為基礎(chǔ)，提供面向地測(cè)、通風(fēng)、采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、機(jī)電、安全監(jiān)測(cè)、人員定位、通信、井下工業(yè)自動(dòng)化等專業(yè)應(yīng)用的、高度集成的應(yīng)用系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)與礦區(qū)安全監(jiān)測(cè)、人員定位、綜合自動(dòng)化和工業(yè)視頻等數(shù)據(jù)的鏈接和查詢。 三維可視化綜合管理系統(tǒng)可以看作是礦井安全生產(chǎn)信息的可視化決策支持平臺(tái)，涵蓋了從地上到地下，從地層到井巷工程，從地質(zhì)專業(yè)到設(shè)備管理所有類型的數(shù)據(jù)源，可以被看作是“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”，也是信息化建設(shè)的一個(gè)亮點(diǎn)工程。

4.5 三維智能管控

除了三維綜合管理系統(tǒng)，三維智能管控平臺(tái)也是智慧礦山建設(shè)的重要工作內(nèi)容。 三維系統(tǒng)不僅能夠開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、監(jiān)測(cè)與可視化，而且與工業(yè)組態(tài)控制結(jié)合，利用可視化腳本編程功能實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。 例如，在智能綜采工作面建設(shè)中，三維智能管控平臺(tái)，提供了真實(shí)還原的開采場(chǎng)景，而且能夠?qū)C采工作面采煤機(jī)、液壓支架、輸送機(jī)、破碎機(jī)、組合開關(guān)等設(shè)備的遠(yuǎn)程可視化控制；在智能掘進(jìn)工作面，三維管控平臺(tái)不僅將智能化掘進(jìn)裝備與三維地質(zhì)、巷道空間信息疊加展示，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面全息感知與場(chǎng)景真實(shí)再現(xiàn)，還能夠提供巷道成形質(zhì)量、裝備狀態(tài)、環(huán)境多系統(tǒng)融合監(jiān)測(cè)和快掘裝備多機(jī)協(xié)同控制等功能；此外，三維智能管控平臺(tái)也可以整合全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（通風(fēng)、供電、提升、運(yùn)輸系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)等）所有生產(chǎn)相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可直接在真三維場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦安全生產(chǎn)工況的實(shí)時(shí)掌握。

4.6 地表環(huán)境監(jiān)測(cè)三維可視化

礦區(qū)地表環(huán)境監(jiān)測(cè)三維可視化系統(tǒng)能將地表地理信息、沉陷區(qū)、開采信息等集成到可視化平臺(tái)中，提供查詢分析功能，服務(wù)于礦區(qū)地表塌陷區(qū)環(huán)境治理、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等。 其中，以無人機(jī)為飛行平臺(tái)的傾斜攝影技術(shù)廣泛應(yīng)用在地表三維數(shù)據(jù)獲取和環(huán)境監(jiān)測(cè)。 利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取礦區(qū)高分辨率影像數(shù)據(jù)，制作高精度的三維模型，生成的數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字線劃圖（DLG）不僅能夠滿足測(cè)繪生產(chǎn)的精度需求，可以對(duì)礦區(qū)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，能較準(zhǔn)確反應(yīng)下沉趨勢(shì)，全面掌握沉陷區(qū)變形信息。 目前存在的問題為傾斜攝影的數(shù)據(jù)在垂直方向上精度不夠，地表沉陷監(jiān)測(cè)還需要配合微波遙感、地表巖移觀測(cè)開展綜合分析。

4.7 災(zāi)害事故反演三維仿真

災(zāi)害事故反演一般使用Fluent、Flag3D 等數(shù)值模擬軟件開展數(shù)值計(jì)算，使用Unity3D、Unreal 等三維引擎對(duì)井下水、火、瓦斯、煤塵、頂板等危險(xiǎn)源征兆場(chǎng)景進(jìn)行三維可視化建模，導(dǎo)入數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行時(shí)空過程模擬，重現(xiàn)各種災(zāi)害事故場(chǎng)景，將危險(xiǎn)征兆出現(xiàn)到事故的發(fā)展過程及最終導(dǎo)致的后果進(jìn)行完整的模擬展示，能夠最大程度地再現(xiàn)事故處理現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，通過人機(jī)互動(dòng)方式增強(qiáng)煤礦相關(guān)人員對(duì)各種事故的了解和認(rèn)識(shí)，在事故反演中暴露出存在的問題，比如忽略細(xì)節(jié)、操作不規(guī)范等，真正提升人員技能水平。 當(dāng)前數(shù)值模擬結(jié)果與三維可視化系統(tǒng)沒有深度耦合，這方面的研究還不多見，三維程序需要從底層開展技術(shù)研究。

4.8 虛擬仿真培訓(xùn)

面向礦山行業(yè)的大規(guī)模虛擬教學(xué)實(shí)踐、應(yīng)急救援仿真演練、采煤和掘進(jìn)過程模擬、災(zāi)害模擬與事故推演、機(jī)械操作教學(xué)等成為智慧礦山建設(shè)的重要內(nèi)容。 通過三維可視化系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜井下災(zāi)害進(jìn)行時(shí)空過程模擬，在分析每種事故的特征的基礎(chǔ)上，通過音效、粒子特效、光影特效、動(dòng)畫特效、AI 行為等盡可能逼真還原現(xiàn)場(chǎng)效果，對(duì)逃生路線進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)，設(shè)定虛擬攝像機(jī)的移動(dòng)以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑及其參數(shù)，可真實(shí)還原礦山開采過程中的突發(fā)情況，讓培訓(xùn)人員對(duì)逃生過程中遇到的各種情況做出交互操作。 虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠以逼真的渲染畫面和聽覺效果強(qiáng)化人員安全意識(shí)，有效提高煤礦職工的技術(shù)水平，減少事故發(fā)生。

而隨著5G 通信、AI 技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向游戲化、智能化、多樣化。 虛擬仿真系統(tǒng)不僅支持大型VR 設(shè)備，也逐漸支持手機(jī)、平板電腦、個(gè)人電腦以及交互式屏等多個(gè)終端。 一些在線虛擬仿真應(yīng)用具備多人協(xié)同和趣味性等基本功能。例如，山東科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、河南理工大學(xué)、安徽理工大學(xué)、黑龍江科技大學(xué)等高校都建立了省部級(jí)乃至國家級(jí)虛擬仿真教學(xué)試驗(yàn)中心，為教學(xué)提供多層次、多方法的虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的典型試驗(yàn)項(xiàng)目。

5 三維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

盡管近幾年三維數(shù)字空間信息獲取和重建的各項(xiàng)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展， 然而， 由于實(shí)際應(yīng)用的高度復(fù)雜性， 目前還缺乏統(tǒng)一的三維模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來滿足各種三維仿真應(yīng)用系統(tǒng)共享和應(yīng)用集成要求。 與三維數(shù)據(jù)相關(guān)的主流交換標(biāo)準(zhǔn)有CityGML、Geo3DML、DWG/DXF 和glTF 等。

CityGML 規(guī)范是OGC 推出的一種通用典型的三維城市對(duì)象表示模型，用于虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)的格式，它基于XML 來實(shí)現(xiàn)虛擬三維城市模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)（Geo3DML）是基于XML 將模型的幾何、拓?fù)湫畔⑴c模型的可視化信息分開，并分別稱為地質(zhì)模型與三維地質(zhì)圖，這兩者組合起來構(gòu)成被交換數(shù)據(jù)的整體，稱為三維數(shù)據(jù)包。 我國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展中心根據(jù)Geo3DML 也提出了Geo3DMD 標(biāo)準(zhǔn)，用于各類三維地質(zhì)模型的空間及非空間信息數(shù)據(jù)集的描述、數(shù)據(jù)集信息的發(fā)布以及網(wǎng)絡(luò)交換［40］。

對(duì)于煤礦行業(yè)來說，目前大多數(shù)數(shù)字礦山軟件，如龍軟（Longruan GIS） 、三地曼（3DMine）、迪邁（Dimine） 等 軟 件 大 都 采 用 AutoDesk 公 司 的AutoCAD 的DWG/DXF 文件作為三維模型交換格式。 未來應(yīng)該考慮煤礦空間數(shù)據(jù)與Geo3DML、3D DWG/3DDXF 的轉(zhuǎn)換問題，使地質(zhì)勘探的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)直接成為數(shù)字礦山的數(shù)據(jù)源，以減少到數(shù)字礦山的轉(zhuǎn)換時(shí)間和效率［41］。

IFC（Industry Foundation Class）是用于定義建筑信息可擴(kuò)展的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，以便在建筑、工程和施工軟件應(yīng)用程序之間進(jìn)行交互。 IFC 是國際通用的BIM 標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在很多BIM 軟件都采用其作為數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)。 目前常見的BIM 模型軟件，如Autodesk Revit、Bentley、TEKLA、CATIA、MagiCAD、BIM5D 都支持將各自的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型，即通過軟件自帶的導(dǎo)出功能或者第三方轉(zhuǎn)換插件進(jìn)行，GRAPHSOFT ArchiCAD 甚至直接以IFC 作為數(shù)據(jù)單元格式，所有檔案都以IFC 方式進(jìn)行儲(chǔ)存。 因此，通過IFC 文件格式使用BIM 模型可以不限定前一階段使用的建模軟件類型，只要支持IFC 輸出格式的數(shù)據(jù)，都可以協(xié)同完成任務(wù)。 在礦山行業(yè)中尚未有BIM 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，假若使用BIM 模型通用的IFC 標(biāo)準(zhǔn)，能夠解決多個(gè)軟件協(xié)同過程中的數(shù)據(jù)交換問題，有利于項(xiàng)目整體的標(biāo)準(zhǔn)化。

三維網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是在三維空間中將大量三維模型按照一定規(guī)則劃分成若干片狀單元，用于網(wǎng)絡(luò)三維發(fā)布的數(shù)據(jù)規(guī)范，也稱之為三維瓦片技術(shù)。 目前常見的三維瓦片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有I3S（ESRI 公司）、S3M（超圖公司）、3D Tiles（Cesium 公司）等。 開放地理空間聯(lián)盟（OGC）宣布Esri 發(fā)起的I3S 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將作為OGC 新的國際三維標(biāo)準(zhǔn)。 Spatial 3D Model（S3M）是超圖公司提出的一種適用于海量三維模型數(shù)據(jù)的傳輸格式。 3D Tiles 是Cesium 平臺(tái)用來實(shí)現(xiàn)大范圍的模型場(chǎng)景數(shù)據(jù)的加載應(yīng)用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，三維傾斜模型、人工建模、BIM 模型等，都可以轉(zhuǎn)換成3D Tiles。

6 結(jié) 語

當(dāng)前，國內(nèi)各大煤礦企業(yè)紛紛開展智慧礦山建設(shè)，三維可視化技術(shù)作為礦山空間信息服務(wù)（4DGIS）的重要組成部分，面臨著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 筆者在深入剖析當(dāng)前存在問題的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)全面地介紹了礦山三維系統(tǒng)的技術(shù)組成，剖析了三維數(shù)據(jù)獲取與建模、三維可視化軟硬件、三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)未來三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用提出了若干思路。 三維可視化系統(tǒng)不僅局限于“查一查、看一看”的可視化系統(tǒng)，而是應(yīng)該逐漸深入到各個(gè)安全生產(chǎn)細(xì)分領(lǐng)域，形成特色鮮明的專業(yè)化系統(tǒng)服務(wù)于透明化勘探、采礦設(shè)計(jì)、通風(fēng)模擬、安全生產(chǎn)綜合管理、地表環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害事故反演、虛擬仿真培訓(xùn)等。