韩立钦，杨军义

（1.甘肃工业职业技术学院测绘学院，甘肃天水741025；2.天水三和数码测绘院，甘肃天水741000）

基于OSG技术的矿山三维信息化系统设计

韩立钦1，杨军义2

（1.甘肃工业职业技术学院测绘学院，甘肃天水741025；2.天水三和数码测绘院，甘肃天水741000）

为了实现矿山企业在三维信息化条件下进行安全生产、管理，根据矿山多源异构数据特征，提出了利用并扩展Oracle Spatial数据库组件的方法完成数据集成，并以VS2010软件平台和OSG图形开源库搭建矿山三维信息化系统。结果表明，系统实现了勘探信息、人员定位信息、视频监控信息和设备监测信息等的无缝集成，为矿山企业实现智能化管理提供技术支撑。

数字矿山；三维模型；空间信息集成；OSG图形库

矿山信息化技术的出现为矿山企业安全生产、管理带来了新的解决手段，矿山三维信息化是利用测绘技术、GIS技术、虚拟现实技术、无线传感技术和网络技术等把矿山地上、地下各种信息以三维形式在计算机上表现出来，使海量的异质的矿山数据实现了有机统一，尤其使地下隐蔽信息变得立体、直观［1］。矿山三维信息系统的建立为矿产资源开发、评估、利用、环境治理、人员安全管理、设备安全监测等方面工作提供了技术平台［2－4］。本文基于VS2010软件开发平台和开源图形管理开发库OSG技术进行矿山三维信息化系统设计开发。

1 矿山三维空间信息管理

1.1 基础空间数据采集

基础空间数据采集是矿山信息化建设的关键，也是工作量最大、成本最高的部分［5］。数据采集主要分为三大类：一是地形数据，反映矿区地表状况，主要利用野外测图法或航摄法完成；二是反映矿区地质状况及岩层走势的地质数据库，主要根据前期地质勘探成果获得；三是描述地表的纹理信息（一般为DOM），主要利用高分辨率卫星影像或高分辨率航摄影像获得，这三种数据通过有效的采集、加工便构成了矿山三维虚拟模型，如图1所示。

其中，DOM影像数据宜采用分辨率优于1m的遥感或航测影像，这样可以保证矿区纹理的精细度，为地下三维地质体模型提供准确参考，DEM宜采用分辨率优于30m的高程数据。

图1 矿山三维模型建设流程Fig.1 The 3Dmodel construction process of mine

1.2 矿山三维空间信息集成

从图1可以看出，矿山空间信息来源复杂多样，既有实测的线划数据，也有影像数据，还有丰富的地质勘探成果数据，再加上矿山厂区、办公区地上附属设施和地下巷道、设备、人员监控信息等，海量信息以不同组织结构存在，如何把各种信息有效集成是矿山信息系统建设成败的关键所在。本文采用对象关系数据库技术把各种信息有效集成，既考虑到异源异构数据集成，同时也考虑到应用系统开发中对各种数据的高效调用［6］。

Oracle Spatial是Oracle公司推出的一种不需要中间接口而直接使用数据库操作系统来存储和管理空间信息的空间数据库组件。通过对象－关系模式来进行空间信息的存储，把所有空间要素对象化，将空间几何信息和属性信息一同存储在数据库中，并且每一个空间对象对应数据库中的一行。它不仅定义了点、线、多边形、复合点、复合线和复合多边形等类型的几何数据，同时还支持用户自定义几何类型，如样条曲线、体对象，这就使多源信息无缝集成变为可能。

地质勘探成果数据主要以表格的形式存在，如钻孔数据、测斜数据、岩性数据等，在Oracle数据库中，只需要建立对应的表结构，依次导入即可；二维矢量线划数据通过SDO－Geometry空间数据字段建立相应的要素几何类型，依次完成存储；三维地质体对象和地物三维模型需要自定义扩展SDOGeometry字段，建立体对象，主要新增单一体和组合体两种三维数据模型，分别派生出四面体及四面体网格两种三维对象。至此，数据库具备了0维到3维数据的无缝存储。

2 矿山三维模型构建

此阶段主要是建设矿山从历史到现状的地形、地质、工程模型，满足实际使用的要求，这是矿山信息化建设的基础。矿山生产对象是埋藏在地下的矿体，还有影响开采的围岩和地质构造。本文利用DIMINE矿山建模软件、GIS软件等完成了不同类型的三维模型创建［7］。

1）地质数据库创建：地质数据主要包括钻孔数据、测斜数据、岩性数据和样品数据。通过钻孔数据的开孔文件、测斜文件、样品分析文件和岩性文件建立地质数据库，根据岩性、样品等数据生成矿区三维地质体模型。

2）矿体模型构建：三维矿体模型是由一系列相邻的三角面，包裹成内外不透气的实体，通过中段图和剖面图多种方法自动建立实体模型，连接好的矿体，通过尖灭处理、矿体着色、透明化处理并对矿体进行命名和标注，矿体模型也是良好的多面体组合模型。

3）块段模型构建：块段模型是矿床品位推估及储量计算的基础，建立块段模型的基本方法是将矿床在三维空间内按照一定的尺寸划分为众多的单元块，然后对填满整个矿床范围内的单元块的品位根据已知的样品进行推估，并在此基础上进行储量的计算。

4）巷道模型构建：巷道三维模型可以直观形象地反映巷道之间的空间位置分布情况，有助于矿山设计、生产管理。巷道建模一般采用手工建模、巷道中心线和巷道腰线法等。但由于矿山巷道数据是实时动态变化的，为了方便后期矿山数据的维护更新，利用DIMINE矿山建模软件完成了巷道建模。

5）地表模型构建：地表模型主要包括三维地形表面和地表建筑物及附属设施，地表模型主要利用三维GIS软件把矿山DOM影像和DEM高程模型进行叠置，得到矿山三维地表模型；矿区工厂和生活区建筑及附属设施主要利用三维建模软件如3DMax、Creator等进行建模，得到地上三维模型。

3 系统设计开发

3.1 系统设计框架

矿山三维信息化并不等同于地上、地下矿山三维场景的展示，而是集成矿山监控、定位、预警、避险、日常业务处理等工作于一体的智能化信息平台。

如图2所示，矿山三维信息化系统以数据管理层、数据共享交换中心和应用子系统三层结构组成，其中数据管理层主要包括日常生产管理业务数据、矿山基础数据和无线传感监控数据，具有对不同来源数据进行处理、组织和管理的功能，最终实现矿山信息的集中统一；数据共享交换中心为系统中间层，主要负责各个应用子系统与数据管理层的信息共享与交互，把各个子系统不同格式的数据统一转换存入数据库，把子系统需要的数据以相应格式进行读取输出；应用子系统也是矿山日常生产、管理的客户端，具有综合通讯、设备监测、安全预警、人员定位、业务处理和指挥调度等功能，各子系统分布于相应的应用部门，但各种数据又统一于矿山数据库中［8］。这种既分散又统一的运行模式打破了矿山企业日常管理的信息孤岛问题，达到了精细化管理、科学化决策的目的。

图2 矿山信息化系统建设框架Fig.2 The construction framework of mine information system

3.2 OSG关键技术

只有准确地把矿山海量、异质、多时空分布的数据进行统一管理才能快速地了解各个系统的运行状况。本文利用OSG图形图像应用程序提供的场景管理和图形渲染优化功能完成基础框架搭建。

1）数据集成：如前所述，矿山数据异常复杂，如何把多源多维的数据进行一体化集成管理是系统设计的基础。OSGDB库提供了读取二维图像和三维模型的接口，同时，也管理着第三方插件系统，以实现对三维模型文件（如.3ds、.dxf、.x、.osg、.ive等）、图片及视频文件、打包及网络传输文件、字体文件和伪插件文件的读取。在数字矿山系统中，地质体、巷道、矿体、地表模型、地表建筑及附属设置采用不同的技术方法进行构建，通过OSGDB库完成各种数据的统一管理。

2）OSG功能库：OSG主要包含4个库文件［9－10］。

1）OSG核心库是OSG的核心，实现最核心的场景数据库的组织管理，对场景图形的操作以及为外部数据库导入提供接口，主要包括OSG库、OSGUTIL、OSGDB、OSGViewer；

2）OSG工具库主要是对OSG核心库中OSG库的扩充，是对OSG核心库的一个补充，实现了一些特定功能，如光照特效、贴图特效、雨雪特效、地形生成等；

3）OSG插件库通过各种第三方库的支持，使OSG能够对各种来源数据进行读取；

4）OSG内省库确保OSG可以在更多的环境下运行。

3.3 系统开发

根据以上设计思路，利用VS2010为开发平台，以C＋＋为开发语言，借助OSG开源库进行矿山三维信息化系统开发。以某地矿山数据为主要数据源，功能包括地质勘探数据处理、视频监控、人员定位、设备监测等，主界面如图3所示。

图3 矿山三维信息化系统Fig.3 3Dinformation system of a mine

4 结论

矿山三维信息化技术不仅为矿山的安全生产管理带来了新的技术手段，同时利用矿山信息平台，使设备监测、人员定位、资源评估、安全预警、可视通讯等系统有机集成起来，为实现矿产智能化、无人化开采迈出了坚实的一步。本文以OSG开源图形库进行数字矿山系统搭建，初步完成了矿山数据处理和设备、人员监测功能开发，如何把三维数字矿山系统与矿山各业务系统等进行系统集成是下一步重点研究方向。

［1］左颖.三维地层信息系统在地下工程中的应用［D］.武汉：武汉工程大学，2008.

［2］李德，王李管，毕林，等.我国数字采矿软件研究开发现状与发展［J］.金属矿山，2010（12）：107－110.

［3］于萍萍，陈建平，于 淼，等.双三维数字矿山仿真信息系统建设［J］.金属矿山，2012（2）：114－117.

［4］李一帆.数字矿山信息系统研究与应用［D］.北京：中国科学院，2007.

［5］郭强.基于3DMine的三维矿山模拟研究［D］.太原：太原理工大学，2012.

［6］郭军.基于3DGIS技术的数字矿山基础信息平台及其应用［J］.工矿自动化，2010（1）：1－4.

［7］崔京男，欧仁和.数字城市公共平台数据集建设研究［J］.测绘与空间地理信息，2013（12）：22－25.

［8］杨华，韩立钦，王志红.基于三维GIS的数字矿山建设技术研究［J］.矿山测量，2014（2）：3－6.

［9］肖鹏，刘更代.OpenSceneGraph三维渲染引擎编程指南［M］.北京：清华大学出版社，2010：10－15.

［10］The Documentation of OpenSceneGraph［EB/OL］.http：//www.openscenegraph.org.

3Dinformation system design of mine based on OSG technology

HAN Liqin1，YANG Junyi2
（1.Faculty of Surveying and Mapping，Gansu Industry Polytechnic College，Tianshui Gansu 741025，China；2.Tianshui Sanhe Digital Surveying and Mapping Institute，Tianshui Gansu 741000，China）

In order to realize the safety production and management of mining enterprises under the condition of 3Dinformation，based on the characters of multi－source heterogeneous data，the method of using and expanding the Oracle Spatial database component is put forward to complete the data integration.The 3Dinformation system of mines is built with VS2010software platform and OSG graphics open source base.The results show that the system has realized seamless integration of the exploration information，personnel positioning information，video surveillance and equipment monitoring information，etc.The system provides the technical support for mining enterprises to realize intelligent management.

digital mine；3Dmodel；spatial information integration；OSG graphics base

TD672

A

1671－4172（2015）05－0103－03

国家教育体制改革试点项目（08－128－238）；甘肃省高校科研项目（121801）

韩立钦（1983－），男，讲师，硕士，地图学与地理信息系统专业，主要研究方向为GIS应用开发技术、三维GIS工程技术。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.022