李 梅，康濟(jì)童，劉 暉，李兆陽(yáng)，劉 曦，朱 青，肖彬虎

(1.北京大學(xué) 遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190；4. 中煤陜西榆林能源化工有限公司 大海則煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引 言

地下巷道是井工礦山生產(chǎn)的主要作業(yè)場(chǎng)所，巷道三維建模技術(shù)是礦山專業(yè)軟件的基本功能，如Surpac、3DMine、LongruanGIS等都有相關(guān)建模功能[1-3]。傳統(tǒng)的巷道GIS三維建模是依據(jù)采掘工程平面圖的導(dǎo)線測(cè)量成果數(shù)據(jù)進(jìn)行中線-斷面構(gòu)建，或者根據(jù)巷道兩幫數(shù)據(jù)構(gòu)造頂面、底面和側(cè)面，形成三角網(wǎng)輪廓模型[4-6]。這些模型數(shù)據(jù)形態(tài)簡(jiǎn)單，缺少各專業(yè)屬性，集成度低。以“數(shù)字孿生”為理念的智能化礦山建設(shè)將空間信息與礦山生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行了有機(jī)融合，在透明礦井、智能工作面、機(jī)器人SLAM、數(shù)字孿生與智能診斷等方面具有巨大的應(yīng)用潛力[7-8]。巷道三維建模技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向了基于BIM參數(shù)化建模[9-10]、激光點(diǎn)云巷道重建[11-14]、全景建模[15-17]等新技術(shù)。常見的BIM平臺(tái)有Revit、MicroStation、CATIA等，廣泛應(yīng)用于建筑工程、交通、水利和城市建設(shè)等領(lǐng)域。國(guó)產(chǎn)廣聯(lián)達(dá)AECORE開發(fā)平臺(tái)也有廣泛應(yīng)用[18-19]。BIM建模在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用還剛剛起步。BIM和GIS的集成還剛開展研究[20]。在BIM參數(shù)化建模方面，一些煤礦設(shè)計(jì)單位通過(guò)對(duì)Revit平臺(tái)的二次開發(fā)，建立采礦工程井巷設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下巷道BIM設(shè)計(jì)[21-22]。何利輝[23]提出了巷道參數(shù)化BIM建模的思路，并在張家峁開展了應(yīng)用。李雯靜[24]提出了基于Dynamo的礦井巷道參數(shù)化建模方法。甘懷營(yíng)[25]采用MicroStation進(jìn)行了巷道參數(shù)化建模。陳鎮(zhèn)等[26]采用Dynamo技術(shù)進(jìn)行巷道軸網(wǎng)布置、族庫(kù)構(gòu)建、BIM地質(zhì)模型建立，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在煤礦數(shù)字化礦山建模工程中的可行性。

綜上所述，當(dāng)前煤礦領(lǐng)域的巷道建模還存在如下問(wèn)題：①BIM巷道三維建模主要用于井巷工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)節(jié)信息量大，缺少巷道拓?fù)潢P(guān)系，在幾何和語(yǔ)義上與GIS模型相差很大，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和后續(xù)應(yīng)用；②GIS巷道三維建模盡管構(gòu)建了巷道拓?fù)潢P(guān)系，但是對(duì)于復(fù)雜巷道的處理較為簡(jiǎn)單，通常舍去硐室等巷道細(xì)節(jié)信息，拐點(diǎn)和交岔點(diǎn)需要單獨(dú)處理，所建三維模型多用于宏觀展示基本形態(tài)，可視化能力弱，屬性參數(shù)少，也無(wú)法滿足智能礦山各個(gè)專業(yè)的信息化需求。因此急需開展GIS和BIM模型數(shù)據(jù)集成技術(shù)研究。

提出了基于GIS和BIM的巷道參數(shù)化建模方法，整理了與巷道建模相關(guān)的各種資料和圖表，主要包括地質(zhì)勘探報(bào)告、生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告、支護(hù)設(shè)計(jì)報(bào)告、通風(fēng)設(shè)計(jì)報(bào)告、應(yīng)急預(yù)案等文檔，并獲取了采掘工程平面圖、地質(zhì)素描剖面圖、采礦設(shè)計(jì)斷面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、避災(zāi)路線圖等系列基礎(chǔ)圖形數(shù)據(jù)，對(duì)礦圖進(jìn)行巷道GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)預(yù)處理，形成了礦井巷道中線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，從圖形和文檔中提取地質(zhì)素描、巷道設(shè)計(jì)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、避災(zāi)線路等專業(yè)參數(shù)，采用布爾運(yùn)算建模算法根據(jù)中心線和屬性參數(shù)生成了具有支護(hù)、噴漿厚度等細(xì)節(jié)的巷道模型，并確保硐室、拐彎、交岔點(diǎn)等模型形態(tài)。與傳統(tǒng)方法相比，該方法既保留了GIS空間關(guān)系，又具有了BIM三維模型細(xì)節(jié)，能夠方便地與其他信息系統(tǒng)集成，大幅提高了數(shù)據(jù)的復(fù)用性。

1 基于BIM和GIS的巷道三維數(shù)據(jù)模型

巷道空間是井下作業(yè)場(chǎng)所，人員、設(shè)備、傳感器等分布于巷道三維空間中。礦井巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含數(shù)百條甚至上千條分支。與路網(wǎng)、管網(wǎng)、電網(wǎng)等類似，巷道也構(gòu)成了一個(gè)特殊的三維網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中，每條巷道被抽象為節(jié)點(diǎn)、弧段等對(duì)象，并且弧段和節(jié)點(diǎn)之間有連通關(guān)系。利用GIS礦圖的巷道中心線數(shù)據(jù)，建立基于三角面表示的巷道三維BIM模型。

原始巷道和巷道中線示意如圖1所示。巷道中線上的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2個(gè)方面，礦圖上測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)和巷道掘進(jìn)過(guò)程中的素描圖實(shí)測(cè)點(diǎn)。常見的礦圖坐標(biāo)系有北京54、西安80或2000國(guó)家大地坐標(biāo)，根據(jù)具體情況進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換預(yù)處理。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以生成礦圖1a的巷道平面圖，根據(jù)原始巷道控制點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的巷道中線如圖1b所示。

圖1 巷道中線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽釬ig.1 Topology of roadway centerline network

基于GIS和BIM的巷道三維數(shù)據(jù)模型如圖2所示，包括結(jié)點(diǎn)、中間點(diǎn)、巷道弧段、巷道中線等GIS常見的基本數(shù)據(jù)類型。而BIM基本數(shù)據(jù)類型為三角形，在三角形上構(gòu)建了三角網(wǎng)以及巷道參數(shù)化模型。兩者通過(guò)巷道中線ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖2 基于GIS和BIM的巷道三維數(shù)據(jù)模型Fig.2 3D data model of roadway based on GIS and BIM

1)結(jié)點(diǎn)：巷道弧段的端點(diǎn)，也可以是巷道的交岔點(diǎn)。

2)中間點(diǎn)：巷道弧段上除結(jié)點(diǎn)以外的其他點(diǎn)。中間點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)都處于巷道弧段上。

3)巷道弧段：每逢巷道相交時(shí)必定斷開，形成結(jié)點(diǎn)和弧段，當(dāng)相鄰兩點(diǎn)間沒有分支的巷道，形成巷道弧段，是構(gòu)成巷道的基本單位。

4)巷道中線：由巷道弧段組成的、具有一定功能的巷道，由巷道弧段順序連接。通過(guò)導(dǎo)線點(diǎn)和素描數(shù)據(jù)獲得空間坐標(biāo)信息，形成一條完整的巷道。

結(jié)點(diǎn)、中間點(diǎn)、巷道弧段、巷道中線能夠簡(jiǎn)單描述巷道的空間形態(tài)，構(gòu)成了巷道三維模型的網(wǎng)絡(luò)骨架。即通過(guò)搜索弧段首位結(jié)點(diǎn)，建立結(jié)點(diǎn)和弧段、弧段和弧段之間的鄰接關(guān)系，記錄網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系表，從而形成了巷道網(wǎng)絡(luò)模型[6]。該模型是通風(fēng)解算、災(zāi)害模擬、避災(zāi)逃生、人員定位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以有效減少巷道網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，便于進(jìn)行空間特征的查詢和分析，協(xié)助空間和屬性數(shù)據(jù)組織。

5) 三角形：構(gòu)成三維模型的基本單元。每個(gè)三角形都對(duì)應(yīng)了頂點(diǎn)信息、法向信息、材質(zhì)信息等，便于三維可視化渲染。

6)巷道參數(shù)化BIM模型：通過(guò)建模算法生成的巷道表面三角網(wǎng)模型，可以直觀反映巷道真實(shí)形態(tài)，展示支護(hù)情況等細(xì)節(jié)信息。

7)專業(yè)屬性：采礦設(shè)計(jì)、通風(fēng)解算、災(zāi)害模擬、避災(zāi)逃生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。便于巷道模型在專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)范使用。

在數(shù)據(jù)模型中，本系統(tǒng)結(jié)合礦山實(shí)際專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)各類設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)測(cè)資料，存儲(chǔ)了巷道的專業(yè)屬性信息，包括巷道名稱、巷道類別、巷道斷面參數(shù)。其中，巷道名稱一般包含著巷道的功能和屬性，能夠基本反映巷道的基本信息。為更好地定義巷道三維模型，結(jié)合巷道類型和巷道性質(zhì)，將井下巷道基本類型定義為4類，其中將聯(lián)絡(luò)巷、硐室和煤倉(cāng)等特殊構(gòu)造物單獨(dú)列為一類，見表1。

表1 巷道基本類型

1)井巷設(shè)計(jì)工程參數(shù)主要是服務(wù)于巷道工程，基于專業(yè)計(jì)算給出巷道設(shè)計(jì)施工圖和支護(hù)方案。巷道支護(hù)參數(shù)包括支護(hù)類別、錨桿/錨索長(zhǎng)度、排距、間距、鋼材規(guī)格、鉆孔直徑應(yīng)力強(qiáng)度等信息，可以用于建立巷道支護(hù)三維模型[27]。

2)地質(zhì)素描參數(shù)主要是將井巷掘進(jìn)和回采過(guò)程中遇到的地質(zhì)現(xiàn)象和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行描述，包括煤巖層揭露點(diǎn)的巷道高度、巖層厚度、標(biāo)志層厚度，斷層、沖刷帶、積水區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造位置及編號(hào)等。

3)巷道通風(fēng)參數(shù)包括風(fēng)壓、局部通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)、局部通風(fēng)機(jī)狀態(tài)、風(fēng)流方向、風(fēng)流是否反風(fēng)、風(fēng)量、風(fēng)阻、斷面積等信息以及風(fēng)門位置、調(diào)節(jié)風(fēng)窗位置、密閉位置、風(fēng)障位置、導(dǎo)風(fēng)板位置、反風(fēng)裝置位置等通風(fēng)構(gòu)筑物附加屬性，用于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和通風(fēng)系統(tǒng)模擬。

4)巷道避災(zāi)路線參數(shù)對(duì)巷道避災(zāi)參數(shù)進(jìn)行描述，能夠計(jì)算出事故發(fā)生地點(diǎn)到安全地點(diǎn)的路線，獲得最合理的建議撤退路線。避災(zāi)線路基于巷道網(wǎng)絡(luò)圖生成，避災(zāi)參數(shù)包括坡度、障礙物系數(shù)、地形起伏系數(shù)等[28]。

2 參數(shù)化巷道建模流程

主流三維建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一組以XML為規(guī)范的交換數(shù)據(jù)格式，在數(shù)字城市領(lǐng)域常見的三維標(biāo)準(zhǔn)有OGC的CityML，Web3D 的X3D等，而在礦山領(lǐng)域尚未出現(xiàn)類似標(biāo)準(zhǔn)。本論文參照上述三維標(biāo)準(zhǔn)，以 XML 對(duì)巷道中線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編碼表示，后綴為xml， 以文件方式存儲(chǔ)。還以XML schema定義了數(shù)據(jù)類型、命名空間等，記錄XML的結(jié)構(gòu)定義信息，文件后綴為.xsd。

參數(shù)化建模是指根據(jù)設(shè)計(jì)公式或參數(shù)形成建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和外形，實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì)和可視化的目標(biāo)。巷道參數(shù)化BIM建模，是根據(jù)巷道XML文件中的幾何和屬性數(shù)據(jù)，采用BIM軟件生成具有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的三維模型，同時(shí)保存巷道的地理位置以及拓?fù)潢P(guān)系。主要使用Revit中的Dynamo插件實(shí)現(xiàn)巷道BIM參數(shù)化建模。Dynamo是一種基于Revit的可視化編程平臺(tái)，能夠針對(duì)礦山巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)化建模。

參數(shù)化巷道建模流程如圖3所示，主要步驟如下：

圖3 三維巷道參數(shù)化建模流程

1)巷道GIS數(shù)據(jù)預(yù)處理。逐條巷道開展巷道GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)預(yù)處理，分析巷道之間空間關(guān)系，去除冗余點(diǎn)、懸掛點(diǎn)和偽節(jié)點(diǎn)等，生成具有拓?fù)潢P(guān)系的巷道中線、斷面參數(shù)和屬性數(shù)據(jù)的文件。

2)讀取巷道模型數(shù)據(jù)，其中包括巷道斷面參數(shù)、巷道中線參數(shù)、巷道硐室參數(shù)和其他屬性參數(shù)等。

3)巷道斷面參數(shù)處理。根據(jù)斷面的底板輪廓線位置、左右?guī)洼喞€的高度、噴漿厚度和底板厚度、支護(hù)參數(shù)，形成不同類型斷面族。將不同類型的斷面族垂直放置于巷道中線上的每一個(gè)控制點(diǎn)處。

4)巷道中線處理。遍歷提取到的巷道中線，判斷是否存在巷道拐彎、相交，或巷道之間起點(diǎn)與終點(diǎn)重合的情況。如果存在，就對(duì)交點(diǎn)和拐彎點(diǎn)的斷面進(jìn)行處理，生成新的斷面。同時(shí)將巷道中線中記錄的硐室位置單獨(dú)標(biāo)記出來(lái)。

5)生成巷道模型。利用處理好的巷道中線和巷道斷面進(jìn)行放樣生成巷道實(shí)體，采用布爾運(yùn)算的方法對(duì)巷道特殊情況進(jìn)行并集、差集、交集和干涉計(jì)算，生成具有厚度的巷道三維模型。

6)巷道硐室處理。利用巷道硐室參數(shù)，生成不同類型的硐室模型。根據(jù)硐室參數(shù)，采用布爾并集計(jì)算方法，將硐室和巷道連接一起。

7)屬性參數(shù)處理。將巷道數(shù)據(jù)中的屬性分類并輸入BIM模型屬性列表中。

3 利用GIS提取巷道中心線

巷道中線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚庉嬍峭ㄟ^(guò)判斷多條巷道中線的空間關(guān)系，形成具有拓?fù)潢P(guān)系的巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，為巷道BIM建模做好準(zhǔn)備。主要的處理流程如圖4所示。使用LongruanGIS平臺(tái)的巷道編輯功能，主要的預(yù)處理工作如下：

1) 提取巷道中線數(shù)據(jù)。在LongruanGIS中，將測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)、剖面圖中的地質(zhì)素描實(shí)測(cè)點(diǎn)、硐室、巷道拐點(diǎn)等整理到平面圖上，手動(dòng)連接控制點(diǎn)形成中線，并輸入頂板和底板高程值。

2) 開展數(shù)據(jù)編輯。構(gòu)建還未進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系處理的結(jié)點(diǎn)、中間點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和弧段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)和處理，消除冗余點(diǎn)和冗余弧段，并逐個(gè)檢查懸掛點(diǎn)和偽節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行保留、刪除或修改處理。懸掛點(diǎn)是指結(jié)點(diǎn)未連接至其他弧段要素的點(diǎn)；偽節(jié)點(diǎn)是指連續(xù)弧段上的結(jié)點(diǎn)，把該弧段不必要地分為數(shù)段，需要合并。

3)確認(rèn)巷道中線的相交關(guān)系。巷道通常交錯(cuò)縱橫，而且會(huì)有上下分層的情況，盡管平面上相交，但是其實(shí)高程不同，因此需要進(jìn)一步確定巷道中線是否相交。如圖5所示，紅色和黃色為2條相交的巷道中線，由于巷道設(shè)計(jì)圖在交岔點(diǎn)處沒有標(biāo)注控制點(diǎn)，2條中線在該點(diǎn)處的高程值為系統(tǒng)自動(dòng)插值生成。2條中線在該點(diǎn)就有可能是相交或是相離。如果2條巷道沒有相交，存在上下分層的關(guān)系，需要自動(dòng)修改該點(diǎn)在2條中線上的高程值，使2條巷道相離。如果2條巷道是相交的，而該點(diǎn)由于插值算法導(dǎo)致高程值不一致，需要自動(dòng)修改該點(diǎn)的高程值，使2條巷道完全相交。

圖5 巷道中線拓?fù)潢P(guān)系Fig.5 Topological relationship of roadway centerline

4)生成巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。

5)在巷道中線上附加巷道各類參數(shù)屬性。根據(jù)圖中標(biāo)注和實(shí)際勘探情況，將巷道基本屬性參數(shù)、斷面參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、通風(fēng)參數(shù)、避災(zāi)參數(shù)、地質(zhì)素描參數(shù)等信息添加進(jìn)每條巷道屬性中，見表2。

表2 巷道屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

續(xù)表

4 巷道BIM建模技術(shù)

4.1 基本巷道BIM建模方法

基本巷道BIM建模是基于Dynamo插件，通過(guò)指定參數(shù)和命令集以實(shí)現(xiàn)巷道模型設(shè)計(jì)，在Revit中生成對(duì)應(yīng)的BIM實(shí)體模型。

根據(jù)構(gòu)成中線的線段將整個(gè)巷道分解成一段或者多段筆直的巷道段。讀取巷道中線的斷面參數(shù)。巷道矩形斷面CAD設(shè)計(jì)如圖6a所示，通過(guò)計(jì)算斷面參數(shù)后，在Revit軟件中形成的含支護(hù)的簡(jiǎn)化斷面族如圖6b所示。其中，斷面寬度為巷道凈寬度，加上噴漿厚度后為巷道的實(shí)際寬度，底板厚度為底面混凝土硬化后的厚度。巷道外部是根據(jù)巷道錨桿(索)布置、鋼網(wǎng)片敷設(shè)設(shè)計(jì)和錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)建立的支護(hù)模型。利用Dynamo斷面放樣的功能，分別生成巷道的基礎(chǔ)單元，根據(jù)斷面參數(shù)和巷道中線位置，將獨(dú)立的巷道錨桿族定位到巷道模型上，基本巷道三維模型渲染圖如圖6c所示，巷道模型如圖6d所示。

圖6 巷道BIM基本模型Fig.6 Roadway BIM basic model

4.2 硐室BIM建模方法

硐室在巷道中的作用十分突出，主要包括配電硐室、供電硐室、材料硐室、休息硐室和避難硐室。部分硐室在傳統(tǒng)的三維建模算法中較難表示，因此在傳統(tǒng)建模中容易被忽略。實(shí)際生產(chǎn)和施工過(guò)程中，硐室的空間位置能夠采用相關(guān)巷道的相對(duì)距離來(lái)描述，如某避難硐室位置為距離大巷口500 m?；诖?，可以計(jì)算硐室在整個(gè)巷道中的絕對(duì)位置，然后利用布爾并集運(yùn)算的方法建立硐室模型。主要過(guò)程如下：

1)Dynamo讀取帶有硐室的巷道中線，通過(guò)測(cè)量每個(gè)硐室距巷道起點(diǎn)的相對(duì)距離，利用Dynamo中沿曲線獲取特定弧長(zhǎng)處點(diǎn)信息，準(zhǔn)確定位出硐室所在空間位置。

2)建立硐室實(shí)體模型。硐室的形狀、規(guī)格和結(jié)構(gòu)差別很大，不同功能和不同施工方法形成的硐室也各不相同，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)圖，在Revit中輸入輪廓線參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立每種類型對(duì)應(yīng)的族。

3)將建立好的硐室實(shí)體模型定位到巷道中線的絕對(duì)位置上，利用Revit中“連接”功能，實(shí)現(xiàn)硐室實(shí)體模型與巷道實(shí)體模型的布爾并集運(yùn)算。如圖7a—圖7f所示，分別為帶有不規(guī)則形狀、矩形和三角形硐室的巷道三維模型的渲染圖和線框圖。

圖7 各類硐室模型效果Fig.7 Chamber models

4.3 拐彎巷道BIM建模方法

在處理拐彎巷道BIM建模時(shí)，由于斷面放樣需要按照連續(xù)且光滑的弧線進(jìn)行，為保證建模精度，若簡(jiǎn)單將巷道中線在拐彎處斷開，分別生成巷道模型，就會(huì)出現(xiàn)如圖8所示的破裂和重疊情況。提出計(jì)算巷道拐彎處的角度，并對(duì)拐彎處斷面進(jìn)行自動(dòng)化的處理。主要過(guò)程為：

圖8 巷道拐彎處處理過(guò)程原理Fig.8 Principal of process at roadway corner

1)將一條連續(xù)巷道斷開成2條巷道模型，2條巷道會(huì)在拐彎處點(diǎn)P分別生成垂直于巷道中線的斷面S1、S2，如圖9所示。

2)計(jì)算S1、S2兩斷面之間的夾角γ，并將其中一個(gè)斷面S1，以點(diǎn)P為軸心，以2條巷道中線所在平面的法線為軸，旋轉(zhuǎn)γ/2角度，生成新的斷面S3，如圖9所示。

3)以新的斷面S3作為2條巷道相交時(shí)的拐彎處斷面，利用斷面放樣功能，分別生成2條巷道，然后通過(guò)布爾并集運(yùn)算，將2條巷道連接在一起，完成對(duì)巷道拐彎處的處理。

經(jīng)過(guò)處理后，拐彎處的巷道三維模型會(huì)更加準(zhǔn)確，并能夠解決所有拐彎巷道的異常情況。圖9為圖8異常情況處理后的效果。

圖9 拐彎巷道處理后效果Fig.9 Effect of turning roadway after treatment

4.4 交岔點(diǎn)BIM建模方法

井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，存在較多巷道交岔。交岔點(diǎn)是指至少有3條分支的巷道。如果不特殊處理巷道交岔點(diǎn)的數(shù)據(jù)，三維模型表面不能平滑過(guò)渡，巷道內(nèi)部難以無(wú)縫連通，常常會(huì)出現(xiàn)穿模、漏面等情況。在實(shí)際巷道三維建模中，交岔點(diǎn)模型通常需要耗費(fèi)大量的人工編輯。

巷道交岔點(diǎn)自動(dòng)建模算法可分線框、曲面、實(shí)體3種建模方法。線框建模缺乏巷道細(xì)節(jié)的刻畫。在線框算法上，朱青等[29]提出了通過(guò)擴(kuò)展巷道中心線交叉點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算巷道交叉段側(cè)面“洞”的控制點(diǎn)，生成交叉點(diǎn)模型。張志華等[30]將巷道剖分成弧段以及弧段組成的半巷道體體元，最后對(duì)這些半巷道體體元進(jìn)行建模。線框算法在處理巷道相交的一些復(fù)雜情況，例如巷道傾角大時(shí)還不夠完善。在曲面建模算法上，譚正華等[31]根據(jù)實(shí)測(cè)腰線巷道數(shù)據(jù)，生成巷道邊界輪廓線，以斷面輪廓線和巷道輪廓線為控制線，采用約束三角網(wǎng)法生成連通巷道模型。該方法效果較好，但是曲面求交算法比較復(fù)雜。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用布爾運(yùn)算來(lái)處理交岔點(diǎn)。布爾運(yùn)算是三維建模的常見方法，主要采用“連接”和“剪切”2種命令實(shí)現(xiàn)布爾運(yùn)算，“連接”可以得到模型的并集，“剪切”則得到模型的差集。直接采用布爾運(yùn)算進(jìn)行交岔部分BIM建模的主要過(guò)程如下：

1)提取巷道斷面的外輪廓線和內(nèi)輪廓線，分別成一個(gè)巷道內(nèi)輪廓線實(shí)體和外輪廓實(shí)體。

2)利用Dynamo中布爾差集運(yùn)算功能，用外輪廓線生成的巷道實(shí)體減去內(nèi)輪廓線生成的巷道實(shí)體，就可以得到一個(gè)內(nèi)部連通，且有厚度的巷道三維實(shí)體模型。

3)對(duì)巷道實(shí)體進(jìn)行離散化，生成三角網(wǎng)模型。

采用朱青[29]提出的線框建模算法與布爾運(yùn)算算法開展細(xì)節(jié)比對(duì)，觀察矩形巷道與拱形巷道求交的具體情況。圖11a、圖11b是通過(guò)連接斷面的控制點(diǎn)進(jìn)行三角面片建模的線框方法生成的模型，圖11c、圖11d為利用BIM實(shí)體建模方法生成的巷道。通過(guò)對(duì)比紅圈部分，可以發(fā)現(xiàn)在處理交岔點(diǎn)時(shí)模型沒有產(chǎn)生凸起，交叉點(diǎn)輪廓形狀更平滑，形成的巷道三角網(wǎng)更加密集，形狀更加光滑。

圖10 線框建模與布爾建模三維模型對(duì)比Fig.10 Comparation of roadway 3D models of wireframe and Boolean method

通過(guò)參數(shù)化的巷道實(shí)體模型之間的布爾運(yùn)算，解決不同斷面形態(tài)的三通、四通等各類交叉情況。圖11a—圖11d分別為矩形巷道相交、拱形巷道相交時(shí)處理后的渲染圖和線框圖，圖11e、圖11f為3條巷道在非同一平面的立體空間內(nèi)相交時(shí)處理后的效果圖。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：布爾算法較好生成了任意形態(tài)和任意角度的巷道交岔點(diǎn)模型。

圖11 各類巷道交岔點(diǎn)效果Fig.11 Various intersection model of roadway

5 應(yīng)用實(shí)例

大海則煤礦位于陜北榆橫礦區(qū)的西北部，面積約280.03 km2，井田含煤巖系為侏羅系延安組含煤地層，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為1 500 萬(wàn)t/a。采用主斜井+副立井的開拓方式。結(jié)合巷道建模相關(guān)的各類設(shè)計(jì)報(bào)告和圖形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提取巷道中線，利用LongruanGIS開展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系編輯，生成標(biāo)準(zhǔn)化xml文件。利用Revit軟件的Dynamo插件讀取XML文件，進(jìn)行巷道BIM模型構(gòu)建，生成54條巷道，并處理100個(gè)硐室、44個(gè)拐角、160個(gè)巷道交岔點(diǎn)。巷道BIM數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出虛幻引擎Unreal4支持的udatasmith格式數(shù)據(jù)，同時(shí)保留了巷道的空間屬性信息和其他參數(shù)信息；同時(shí)也支持導(dǎo)出廣泛使用的三維數(shù)據(jù)共享fbx格式、obj數(shù)據(jù)，提高BIM模型和其他3D模型之間的數(shù)據(jù)交換能力。最后導(dǎo)入透明地質(zhì)系統(tǒng)中，賦予材質(zhì)、光照及其他素材，呈現(xiàn)出細(xì)節(jié)豐富的可視化三維模型。利用巷道BIM模型建立的大海則三維巷道宏觀效果如圖12所示。

圖12 大海則煤礦巷道參數(shù)化建模宏觀效果Fig.12 Parametric modeling of 3D roadway of Dahaize Coal Mine

5.1 巷道三維模型成果

圖13a、圖13b給出了20101工作面運(yùn)輸巷與大巷交叉的內(nèi)部效果和外部效果圖。

圖13 工作面巷道交岔點(diǎn)三維效果Fig.13 Rendering of intersection in roadway

5.2 巷道三維模型的應(yīng)用

在大海則透明地質(zhì)系統(tǒng)中，巷道三維模型用于地質(zhì)剖面輸出、巷道內(nèi)部漫游、巷道屬性查詢等基本功能，以及三維避災(zāi)線路規(guī)劃、巷道漫游、人員定位軌跡回放、通風(fēng)線路模擬、避災(zāi)線路模擬等專業(yè)應(yīng)用。巷道地質(zhì)素描信息查詢功能界面如圖14所示，根據(jù)巷道地質(zhì)參數(shù)調(diào)取巷道關(guān)聯(lián)的地質(zhì)素描。帶巷道斷面的地質(zhì)剖面自動(dòng)生成功能如圖15所示，具體算法見文獻(xiàn)[32]。

圖14 巷道地質(zhì)素描信息查詢Fig.14 Query of geological information of roadway

圖15 巷道與地質(zhì)模型剖面疊加Fig.15 Geological sectional drawing of roadway with roadway

巷道避災(zāi)路線的自動(dòng)生成功能如圖16所示，具體算法見文獻(xiàn)[27]。

圖16 基于巷道拓?fù)涞南锏辣転?zāi)路線Fig.16 Evacuation rout of roadway based on topological relationship

6 結(jié) 論

1)提出的GIS+BIM的巷道三維數(shù)據(jù)模型保留了GIS巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，充分展現(xiàn)巷道形態(tài)、支護(hù)等細(xì)節(jié)，融合了安全生產(chǎn)中與巷道分析相關(guān)的支護(hù)、通風(fēng)、地質(zhì)、避災(zāi)等各類參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了巷道信息查詢、帶巷道斷面的地質(zhì)剖面生成、避災(zāi)路線分析等專業(yè)應(yīng)用。

2)采用布爾運(yùn)算技術(shù)，較好地解決了硐室、巷道拐彎和巷道交岔點(diǎn)等巷道建模問(wèn)題。與線框和曲面建模方法相比，布爾運(yùn)算方法能夠自動(dòng)化處理任意形態(tài)和任意角度的巷道交岔點(diǎn)，模型結(jié)構(gòu)更合理，沒有產(chǎn)生模型漏面和不連通等現(xiàn)象。

3)未來(lái)應(yīng)繼續(xù)拓展巷道三維模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，為智能礦山的各類專業(yè)應(yīng)用提供基于Web的三維可視化集成、數(shù)據(jù)更新、路徑導(dǎo)航、避災(zāi)路徑分析、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算等專業(yè)服務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)化巷道三維模型能夠大幅度減少礦山信息系統(tǒng)中的重復(fù)性數(shù)據(jù)采集、消除信息孤島，并提高智能礦山的管理水平及工作效率。