陈小芹

（神华宁夏煤业集团梅花井煤矿 宁夏 灵武 751410）

0 引言

“数字矿山”是以计算机及其网络为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工，是对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现。“数字矿山”是为了适应信息化社会的建设要求，是矿山信息化的完整解决方案，许多基础理论和关键技术尚有待研究攻克。

1 巷道三维建模的数据源与数据特点

1.1 巷道三维建模的数据源

在数字城市建模中，能够运用先进的技术和方法来获取数据，获取这些数据的方法有很多。而在矿山建模中数据的获取却很难，因为矿山测量的数据大部分在巷道里，不能把有些先进的测量方法和先进的仪器（如GPS、遥感影像等）应用到井下，所以传统的测量方法仍然是井下测量的主要方法。由于井下的空间范围相对来说比较小，不便布置三角网，因而导线测量是井下测量最主要的手段。

巷道相对来说空间区域不大，但从巷道自身的特点可以看出，巷道是由长、宽、高组成的一个体域，它的高度、宽度是有一定范围，不过它的长度会随着巷道掘进而增加。井下的每一条巷道都布置有导线点，导线点的坐标用经纬仪或全站仪可以测出平面二维坐标（x，y），用水准仪可以获得较为精确的高程坐标（z），也即，巷道内导线点的三维坐标是可以通过测量手段来获取的，因而巷道内的导线点是建立三维巷道的基础数据。由于导线施测的需求，导线整个都在巷道内布设，但其点位大部分情况下却是不规则的，在精度要求不高的巷道平面布置图中，可以用来代替巷道中线，能够描述巷道的延伸方向，在巷道三维建模中，为了精确表达巷道的三维布设情况，一般情况下，都采用巷道中线上的点作为基础数据。如果把巷道抽象成一条线，这条线就是巷道中线，问题是怎样把导线上的点逼近到巷道中线上。事实上井下巷道是实实在在的一个复杂多面体，仅用导线点描述这个体是远远不够的。巷道的用处不同，其断面的形状、宽度、高度也不一样，所以用以描述巷道断面的数据也是建立巷道模型的一项数据源。另外，在建模过程中还需要一些其它数据，比如巷道的名称、用途、颜色、纹理等属性。

1.2 巷道三维建模的数据特点

1.2.1 掘进巷道的数据主要来源于矿山设计中的数据和矿山地测部门的实测数据，并且这些测量信息也是最重要、最准确的信息来源

1.2.2 导线的布设随着巷道的掘进逐渐进行，自始至终沿着巷道，因此测量导线网简单勾画出了井下巷道的布置情况；井下测量随着巷道的掘进逐渐顺序进行，导线测量过程中，容易对巷道特征点和巷道附属物进行精确测量；测量导线点具有三维坐标，从而确定了点的空间位置，巷道的断面形状确定了它的空间形态

2 巷道三维建模的数据模型

2.1 空间对象的分类与基本元素

由于三维模型的多样性，所采用的数据结构也存在多样性。虽然数据模型和所采用的数据结构存在着不确定性，但都遵循以下几条原则：（1）模型必须便于完成用户的特定要求；（2）尽量减少数据存储空间；（3）数据处理耗时要尽可能的少；（4）数据维护简单、方便；（5）与其他模型之间的兼容性要好。

矢量模型具有占用存储空间小，表达地面几何位置精确，易于表达地物间的空间关系等一系列优点。矢量模型中最具有代表性的是点、线、面模型，扩展到三维空间即为点、线、面、体模型。事实上，在点、线、面模型中最基本的元素是点和直线段，面和体是通过线和点来构造的，可以通过多条线的复合体来表达，点和线主要用来描述三维空间的二维和三维实体。如何对复杂的空间三维面或体模型进行剖分，从而利用点和线等简单对象来描述。如前所述，三维空间实体可以按维数划分为四类：零维实体、一维实体、二维实体和三维实体。其中点状实体与线状实体的空间特征表达相对简单。所以在数据组织上都是针对点、线进行的。

通过对地理实体或现象及它们的相互关系、分布特征、空间特征进行分析和抽象，可把空间对象定义为如下几种类型：

（1）点状地物。点是零维几何元素，它是三维数据模型中最基本的元素，曲线、曲面或其它形体均可用有序点集表示。点状地物是零维空间目标，包括独立地物点、结点。

（2）线状地物。弧段是一维几何元素，由起结点和终止结点加一系列有序点集表示。弧段一般没有属性意义，它可能是某线状地物、面状地物或体状地物的一部分。线状地物是一维空间目标，由一条或若干条弧段组成，有自己的属性编码和属性表。

（3）面状地物。面是二维几何元素，是物体上一个有限、非零区域，由一个外环和若干个内环界定其范围。面有方向性，一般用其外法线方向作为该面的正向。面状地物是二维空间目标，由周边弧段组成，有属性编码和属性表的曲面，它不仅可表示地表上的地物，还可以表示地表下的各种层面。

（4）体状地物。体是三维几何元素，由封闭表面所围成的空间，是欧式空间中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集。体状地物在体元素的基础上包含了自己的属性信息。

（5）复杂地物。复杂地物由上述4种地物中若干个地物组成。

2.2 巷道三维建模的数据模型

矿山巷道网络三维建模的需要出发，可以利用面向对象的方法将矿山巷道网络三维建模的基本元素抽象为点、线、面、体四大类。点类包括测量导线点、钻孔采样点、离散点等，线类包括巷道内的轨道线、电缆线、排水沟等，面类主要由巷道断面和构造三维模型所需要的基础面元组成，体类包括半巷道体、简单巷道体（单一巷道体）、复杂巷道体和复合巷道体。半巷道体是为了建模方便对简单巷道体的进一步剖分，一个简单巷道体可由两个或两个以上的多个半巷道体组成。简单巷道体，也可以称作单一巷道体，它是没有分支的巷道。

3 巷道三维建模的数据结构

巷道是采矿生产中将煤炭从工作面运送到地面，以及通风、安全输送工人的通道。对整个矿井而言，巷道是其核心部分。矿山信息系统主要面对两类空间目标，即掘进巷道和地层，因此矿井掘进巷道是矿山信息系统研究的重要内容之一。在巷道的掘进过程中，测量导线点数据一直起着重要的作用，并伴随着巷道的掘进全过程。此外，测量导线点数据还是生成采掘工程图的原始数据，无论采掘工程图的比例尺如何变化，巷道的空间分布结构是不会随之改变的。也就是说，测量数据已经将巷道的位置固定了下来，这对建立矿山巷道模型至关重要。

4 结束语

矿山巷道具有三维网络特征，随着信息技术的迅速发展，我们可以利用计算机管理矿山巷道的基本测量数据，并对矿山巷道的空间分布进行三维可视化，不仅能准确地记录井巷工程的变迁、直观地显示巷道的三维视觉模型、方便地查询巷道的有关信息、更好地进行地质采矿问题的分析，而且可使人们从传统的大量数据及繁重的手工劳动中解脱出来，提高矿山的管理水平及工作效率。尤其重要的是，通过对矿山三维巷道可视化模型的空间分析，还可以辅助矿山巷道设计、掘进施工组织、灾害救援决策等工作。

［1］梅志恒，陈箐，龚君芳.数字矿山巷道三维管理的研究与设计[J].工业安全与环保，2009，35(9):10-11.

［2］赵建忠，段康廉.三维建模在虚拟矿山系统中的应用[J].矿业研究与开发，2005，25(1):56-59.