基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角三維模擬研究及應用1

1、基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角度三維模擬方法研究及應用我國煤礦資源極為豐富，但適于露天開采的煤炭資源比例較少，約占總存量的7%左右。巷道開拓作為井下開采的重要環(huán)節(jié)，直接影響著我國煤礦的安全水平及生產能力。在煤礦井下巷道開拓中，地質構造是影響巷道掘進的首要因素，而斷層則是一種常見的地質構造。當巷道開拓遇到斷層時，選擇一個合理的開拓角度，對于安全生產，提高開拓效率，減小生產困難程度及制定合適的工作計劃，都有非常實際的意義。（現(xiàn)在的決策方式）ArcEngine是用于構建制定應用的一個完整的嵌入式的GIS組件庫。使用ArcEngine可以對區(qū)域地質及巷道三維信息進行模擬并對相關巷道開拓數(shù)據(jù)信

2、息進行計算，使得工程人員對區(qū)域三維空間概況的理解更加直觀和形象，這將對生產技術的決策更加準確和方便。本文探討了如何使用C#語言開發(fā)基于ArcEngine的過斷層巷道角度三維模擬的軟件，并使用該軟件對生產中的一個實例進行了決策。1 工程需求分析斷層是構造運動中廣泛發(fā)育的構造形態(tài)。在地殼運動中由于強大的壓力和張力超過巖層本身強度，從而對巖層產生破壞作用形成微隙，許多微隙連在一起就形成一個斷層面。斷層面兩側會產生滑動，根據(jù)滑動的方向，可以分為正斷層和逆斷層。上盤下降，下盤相對上升的斷層稱為正斷層。反之，上盤上升，下盤相對下降的斷層稱為逆斷層。過斷層一般要遵循以下幾個原則：看頂板的狀況，如頂板較好時，

3、不破壞頂板，而以臥底為宜；如果斷層以外不宜采取，就改造斷層；挑頂與臥底的坡度還應要與輔助運輸、皮帶運輸以及綜掘機的使用等相協(xié)調適應；最后還要注意頂?shù)装宓膱杂渤潭鹊?。（煤礦掘進迎頭過斷層技術探析）由于斷層兩盤的相對運動，相互擠壓，使附近的巖石破碎，會形成與斷層面大致平行的破碎帶，也稱斷層破碎帶。斷層破碎帶的寬度有大有小，小者僅幾厘米，大者達數(shù)公里，甚至更寬，與斷層的規(guī)模和力學性質有關。（構造地質學教程 陸克政 P139）因此在斷層附近，煤層會變軟，淋水增大，頂板往往比較差，破碎帶極易冒落。所以在巷道掘進遇到斷層時要在設想頂板狀況差，加強支護的前提下，綜合考慮其它因素來選擇一個最合適的角度進行開拓

4、掘進。在選擇最合適的開拓角度時，要考慮以下幾個因素：1.斷層產狀；2.輔助運輸、生產運輸及綜掘機的使用；3.過斷層巷道的開拓距離。在實際生產中，角度越小對于輔助運輸、生產運輸及綜掘機的使用越有利，而過斷層巷道的距離則會相應增大，頂板破碎帶冒落的概率也會相應增加，這對安全生產、巷道支護及開拓進度都是非常不利的。因此在制定合理的開拓角度前，要對斷層產狀、開拓后巷道的狀況、巷道支護方式等有充分的認識和準備。在過斷層前使用一定的工具對巷道開拓進行模擬，使工程人員直觀、形象的對巷道狀況進行了解從而確定開拓角度是非常實際和必要的。2 ArcEngine三維模擬研究目前，用于三維可視化模擬的技術有很多，其中

5、常用的有使用通用的三維建模軟件建模、自主開發(fā)三維建模系統(tǒng)建模及基于組件技術進行三維模擬的二次開發(fā)。在現(xiàn)有的三維建模軟件中，3DMAX和SketchUp是常見的兩種建模工具。使用這些軟件可以建立較為逼真的三維場景，但是由于其固有的設計模式，使得這種建模方式缺少靈活性，編輯能力差，不能使用已知數(shù)據(jù)來準確的描述區(qū)域三維概況，而且不便于更新，更難于進行三維拓撲信息的分析。常用德爾自主開發(fā)三維建模系統(tǒng)軟件包括OpenGL、Direct3D、Java3D等，這類技術是一項底層開發(fā)技術，對開發(fā)者的數(shù)學基礎及計算機圖形學技術有較高的要求，而且此類技術開發(fā)周期較長、容錯率較低，不適合工程生產中變化較多的實際情況

6、。基于組件的三維模擬二次開發(fā)技術是將大部分復雜的數(shù)學運算都封裝在函數(shù)庫中，開發(fā)者只需使用組件庫中的函數(shù)即可實現(xiàn)復雜的三維可視化及分析功能。由于這些組件使用了模塊化設計的開發(fā)理念，開發(fā)者只需理解接口函數(shù)的如何使用既可以迅速和高效的開發(fā)出適合工程應用的三維模擬軟件，這也是二次開發(fā)技術近年來迅速發(fā)展的重要原因。在組件二次開發(fā)技術中，最常見的就是ESRI公司的ArcEngine。ArcEngine具備豐富的GIS空間分析功能，同時提供了用于許多編程語言進行二次開發(fā)的接口?，F(xiàn)在我們探討如何使用C#語言開發(fā)基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角度三維模擬及相關開拓數(shù)據(jù)的計算方法，從而實現(xiàn)區(qū)域地質概況及巷

7、道自動建模和三維模擬顯示。建模在三維場景實現(xiàn)上，首先要對現(xiàn)實場景進行建模，建模是對被處理的對象進行設計、分析、模擬和研究的基礎。ArcEngine提供了MultiPatch元素類型，用于對三維物體的表面進行描述。它包括四種三維表面類型：TriangleStrip（三角帶）TriangleStrip是按照集合中的三維點順序生成的一個三角帶，如圖1所示，按照順序有（0,1,2,），（1,2,3），（2,3,4），（3,4,5）四個三角形集合構成的一個三維表面。012543XYZ圖1TriangleFan（三角形扇面）TriangleFan是以三角形集合中第一個點作為所有三角形的起點，然后按照三角形

8、的點位順序依次構成三角形扇面。如圖2所示，按照順序有（0,1,2），（0,2,3），（0,3,1）構成的三維表面。3210XYZ圖2Triangles（三角形）Triangles是由單個的或相互連接的多個三角形構成的集合，每個三角形必須有它單獨的拓撲信息。如圖3所示，由（0,1,2），（3,4,5），（3,5,7）構成的三維表面。YXZ7543210圖3Ring（環(huán)組）Ring也是由三維點組成的集合，它常用于構建三維對象特殊的元素，如建筑物的窗體等。如圖4所示，為環(huán)組構成的三維圖形，其中區(qū)域A為外部環(huán)組集合，區(qū)域B為內部環(huán)組集合。AB圖4在工程生產中，我們只需模擬出小區(qū)域內斷層地質概況擬及巷道

9、狀況，因此將場景簡化為只由直線構成的規(guī)則圖形即可。要將場景展示出來，只需將場景表面的、供使用者觀察的那部分表現(xiàn)出來即可，而有些地方需要不連續(xù)或需要單獨表現(xiàn)的元素，因此我們選擇使用靈活性強大的Triangles類型來對場景進行建模，這樣，建模的過程其實就是將物體表面柵格化的過程。在實際操作中，由于很多區(qū)域由四邊形構成，所以我們先分析構成每個區(qū)域四邊形的信息。現(xiàn)以下盤開拓時過斷層巷道角度模擬為例進行建模。圖5如圖5所示，這是下盤沿底板施工中遇到正斷層，向上施工尋找上盤底板的示例。其中，構成各區(qū)域的四邊形集合如下表所示。分析完構成每個區(qū)域四邊形拓撲信息后，需要將這些信息組織存儲起來，對于空間中每個坐

10、標點的空間信息可以使用圖6所示的結構體進行儲存，對于分析出的四邊形拓撲信息可以使用圖7所示的結構體進行儲存。 圖6 圖7由于Triangles類型支持的是由多個三角形構成的集合，因此還要將劃分的四邊形區(qū)域進行柵格化，即將一個四邊形按照特定的規(guī)則劃分為兩個三角形。因為Triangles類型中每個三角形要使用它自己的索引，因此柵格化完畢后還要將三角形的每個點的索引按照順序重新命名。柵格化分代碼如圖8所示，索引重命名代碼如圖9所示。圖8圖9柵格化完畢后，建模即完成，使用柵格化形成的三角形集合就可以表現(xiàn)示例中的場景。渲染與實體創(chuàng)建要將建模的場景形象、逼真的展現(xiàn)出來，還需要對不同區(qū)域進行不同顏色的渲染。

11、在本工程中，我們將巖層使用黃顏色來渲染，煤層為使用黑顏色來渲染，巷道頂板、底板、兩幫我們使用紅色來渲染。ArcEngine提供了IGeneralMultiPatchCreator接口來實體定義法向、材質和屬性信息從而創(chuàng)建一個有紋理貼圖的MultiPatch對象。其中，IGeometryMaterial函數(shù)用于構建渲染的材質，在工程中我們使用了外部圖片作為材質引用對象，創(chuàng)建方法如圖所示。材質創(chuàng)建完成后，需要將IGeometryMaterial對象設置為Triangles屬性。然后將上一步建模中生成的TIN信息賦予到IGeometryMaterial對象中。最后使用CreateMautipatch方法進行創(chuàng)建實體對象即可。在此過程中要注意將每個三角網格區(qū)域的渲染顏色分別設置。場景模擬當場景創(chuàng)建完畢后，我們使用ArcEngine提供的ArcSenceControl控件來進行顯示。最終效果如圖所示。開拓信息計算當開拓角度模擬完畢后，還要將相關的開拓數(shù)據(jù)計算出來，以供工程人員進行開拓角度的合理行評定。在生產中通常要