三維可視化礦山安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

三維可視化礦山安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計1引言由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井生產(chǎn)又受特殊工作環(huán)境的限制，充分掌握礦ft整體環(huán)境、礦井環(huán)境、設(shè)備等信息，對于礦ft生產(chǎn)管理、安全保障等都具有十分重要的意義。自1999年首屆“國際數(shù)字地球”大會提出了“數(shù)字礦ft”以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，國外在數(shù)字礦ftGIS礦ft軟件，包括三維虛擬礦ft。我國大多數(shù)礦井內(nèi)部三維模型較少考慮礦ft對全景激光移動測量、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)進(jìn)行研究，建立了實(shí)景三維礦ft框架，同時對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，可以為數(shù)字礦ft實(shí)景三維概述實(shí)景三維GIS是在二維GIS的基礎(chǔ)上，通過移動測量系統(tǒng)增加連續(xù)的地面可量測影像庫作為新的數(shù)據(jù)源，并通過開放的GIS軟件平臺與其實(shí)景三維數(shù)據(jù)無縫集成，從而為用戶理。移動測量系統(tǒng)移動測量系統(tǒng)（MobileMappingSystemMMS）是在移動載體（機(jī)動車、鐵路機(jī)車、飛機(jī)或無人機(jī)）上裝配GPS（全球定位系統(tǒng)）、CCD（攝影測量系統(tǒng)）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在載體的行進(jìn)之中通過攝影測量的方式快速采集地有用的專題數(shù)據(jù)?？闪繙y實(shí)景影像可量測實(shí)景影像（DigitalMeasurableImage，簡稱DMI）是一種以地面近景攝影測量包直接對立體影像進(jìn)行測量、信息提取，并與其他基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品集成?？闪繙y實(shí)景影像可通過移動測量系統(tǒng)采集，并可通過開發(fā)與其他測繪地理信息產(chǎn)品進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維顯示、量測、統(tǒng)計分析等功能。以5m間隔采集一次覆蓋地表360范圍的影像。通過沿礦區(qū)道路進(jìn)行地毯式掃描，即可建立礦區(qū)海量DMI立體影像庫。該影像庫實(shí)際上全方位地記錄了礦區(qū)地面的真實(shí)環(huán)境和三維空間尺寸，從而可以構(gòu)成礦ft實(shí)景三維景觀，為實(shí)景三維礦ft地面實(shí)景三維數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)平臺框架利用全景激光移動測量系統(tǒng)，并結(jié)合礦ft各類安全傳感器（人員定位、瓦斯監(jiān)控、視頻監(jiān)控等），可以實(shí)現(xiàn)礦ft安全系統(tǒng)集成，為礦ft系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及眾多的學(xué)科知識,主要包括三維空間數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及虛擬現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵技術(shù)。從圖1中可以看出,數(shù)據(jù)獲取是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,數(shù)據(jù)存儲是數(shù)字礦ft系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)表達(dá)是數(shù)字礦ft系統(tǒng)的核心。三維空間數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取是建立實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度是數(shù)據(jù)模型精度及空間分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。礦ft數(shù)據(jù)獲取主要集中在實(shí)景影像數(shù)據(jù)、礦ft測量數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)等方面。為此，數(shù)據(jù)的獲取具有多源性特點(diǎn),應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)施有效的組合和疊加,保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。除了傳統(tǒng)測量、地質(zhì)鉆探等方法,礦ft三維空間數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)代技術(shù)主要有以下方法：基于移動測量技術(shù)的實(shí)景影像采集。MMS由于其自身的特點(diǎn)，可量測實(shí)景影像無論從采集方式、數(shù)據(jù)表達(dá)的直觀性、數(shù)據(jù)的豐富程度、后期數(shù)據(jù)處理上都較傳統(tǒng)礦區(qū)二維平面地圖有質(zhì)的改進(jìn)。此外，由于MMS采用地面近景攝影測量原理，除了獲得礦ft基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)外，同時獲得高分辨率立體影像數(shù)據(jù)。通過建立礦ft基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)庫，可方便地進(jìn)行實(shí)景三維地圖、地物普查數(shù)據(jù)與實(shí)物的比對，從而可以構(gòu)成礦ft基礎(chǔ)普查數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查體系?；诘匦螖?shù)據(jù)的三維建模。數(shù)字?jǐn)z影測量是獲取地面三維數(shù)據(jù)較為精確和可靠的技術(shù),利用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)可以得到礦區(qū)地表影像及DEM。利用VBA的二次開發(fā)對DEMTIN進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再利用ArcGIS下的ArcScene模塊實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地面環(huán)境的虛擬建模。利用該方法進(jìn)行礦區(qū)三維建模與傳統(tǒng)測量方式相比，它具有精度高、成本底、周期短、外業(yè)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。基于便攜式激光掃描技術(shù)的巷道三維建模。三維激光掃描即利用數(shù)據(jù)實(shí)景復(fù)制技術(shù),采用中短距三維激光掃描儀采集掃描礦ft巷道點(diǎn)云,這些點(diǎn)云用點(diǎn)、多邊形、曲線或曲面等形式描述,可以建立幾何模型,同時配合其他但數(shù)據(jù)量大，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化和壓縮，以便更好地用于礦ft巷道的三維掃描及礦ft安全生產(chǎn)管理平臺實(shí)際使用。數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)由于涉及眾多類型數(shù)據(jù)，為典型的多維動態(tài)系統(tǒng)。要對其數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象與表達(dá),就要研究能夠?qū)?fù)雜地理現(xiàn)象進(jìn)行動態(tài)描述和實(shí)時表達(dá)的時空數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指帶有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素的集合，要建立實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)模型,就必須采用一種對其能夠準(zhǔn)確表達(dá)的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在三維空間數(shù)據(jù)模型方面,國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了眾多的研究,提出了多種三維數(shù)據(jù)模型。一般可以將數(shù)據(jù)模型分為面模型、體模型和混合模型。礦ft空間對象具有如下特點(diǎn)：幾何形態(tài)和空間關(guān)系的高度復(fù)雜性；幾何特征和內(nèi)部屬性變化的不確定性。在研究面向礦ft空間三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時,首先必須對這些特點(diǎn)有足夠的認(rèn)識,才能找到最合適的三維實(shí)體的表達(dá)方式和建模方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)以仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐，能夠?qū)ΦVft周邊環(huán)境進(jìn)行三維場景設(shè)計,從而對礦區(qū)開發(fā)、運(yùn)營狀況進(jìn)行監(jiān)測，對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與時空模擬，評估礦ft開采對自然生態(tài)環(huán)境的影響。同時，通過對開采巷道的建模，能夠?qū)崿F(xiàn)對井下開采狀況的管理，以及進(jìn)行巷道變形監(jiān)測、巷道應(yīng)力分析、井下巷道貫通、井下場地開拓、超欠挖測量、儲量計算等。利用模型可以對井下采場礦ft壓力顯現(xiàn)、巖層移動等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對礦ft火災(zāi)、水災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸等進(jìn)行動態(tài)仿真，對采空區(qū)進(jìn)行數(shù)字定位。從而實(shí)現(xiàn)對整個礦ft進(jìn)行現(xiàn)實(shí)模擬，且模擬場景可以多維度、多視角、多分辨率等方式顯示。整個三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)利用虛擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)礦ft數(shù)據(jù)的可視化集成，能夠?yàn)榭茖W(xué)開采和管理礦ft提供技術(shù)支持。結(jié)語隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn),礦ft安全生產(chǎn)面臨著重大挑戰(zhàn)。實(shí)景三維礦ft安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過利用車載全景激光移動測量系統(tǒng)、便攜式三維激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)礦ft信息的獲取、存儲、傳輸、表達(dá)及應(yīng)用，能夠?yàn)榻ㄔO(shè)智慧礦ft提供技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)吳立新.數(shù)字地球、數(shù)字中國與數(shù)字礦區(qū)[J].礦ft測量，2000，3（1）：6-9.李梅，毛善君.數(shù)字礦ft中3DGIS 關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32（8）：44-48.僧德文，李仲學(xué)，李春民，等.礦床的三維可視化仿真技術(shù)與系統(tǒng)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2004，26（5）：453-456．程朋根，龔健雅地勘工程三維空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].測繪學(xué)報，2001，30（1）：74-81.楊建宇，秦德先，