基于Web GIS的煤矿巷道三维可视化系统研究与设计

发布时间:2020-06-07 12:35 论文编辑:admin 价格: 所属栏目:毕业论文

摘要:随着互联网和空间信息技术的飞速发展,基于网络的三维 GIS已经广泛应用于城市规划、国防建设、立体交通、矿山开采等各个领域,对传统行业的信息化改造和提升也迫在眉睫,三维 GIS凭借其对空间数据的可视化和分析处理功能,其在矿区数据管理和三维可视化

摘要:随着互联网和空间信息技术的飞速发展,基于网络的三维 GIS已经广泛应用于城市规划、国防建设、立体交通、矿山开采等各个领域,对传统行业的信息化改造和提升也迫在眉睫,三维 GIS凭借其对空间数据的可视化和分析处理功能,其在矿区数据管理和三维可视化分析等方面发挥着重要作用。目前我国地方(含省属)煤炭企业和小型私营煤窑仍然采用传统二维平面图的数据管理方式,这种落后的数据管理方式会导致信息无法及时共享,查询、管理、决策和应急处理等方面相对困难。
本文通过研究三维建模技术和Web GIS技术,并将这两种技术相结合来实现矿区的三维信息化管理。研究的主要内容是地形模型和巷道模型的构建方法和算法,三维建筑物和树木的建模方法,通过对各个建模技术的研究实现矿区地形、地表物体以及巷道的三维建模。并且研究了整个矿区三维可视化系统的系统需求分析、系统设计原则、系统总体框架、数据库设计和各模块设计。
引言:经济新常态下,为了促进产业结构调整与改革,安全生产、绿色生产在我国煤炭产业体系中的重要地位日益凸显。为了推动创新驱动发展的模式建设,国家相继颁布一系列政策、法规鼓励新能源开发与应用。但受制于成本和消费者惯性思维等因素的影响,新能源的运用不可能一蹴而就。在新能源潜力尚未完全挖掘之前,为保证国民经济保持中高速增长,煤炭仍将在国内能源供应体系中占重要地位。根据BP最新发布的《世界能源统计年鉴2017》[1],2016年虽然煤炭产量有所下降,但是煤炭资源仍然占总资源的百分之五十多,远高于其他能源。
在传统的煤炭产业管理中主要存在如下几个方面的问题,首先,煤炭信息化管理机制尚不完善,一线工作人员采集的数据与实际管理之间出现了断层[2],如何实现将开采来的数据与图纸紧密联系成为我们不可回避的现实问题。其次,目前,我们常采用二维图纸呈现工程项目,但受制于可视化程度较低的原因,导致绝大多数非专业人士进行查询、管理和应急处理等方面相对困难。传统的煤矿产业机械设备相对比较落后,决策、设计、生产等基本上都依赖于已有的经验,没有与当代的先进技术相结合,最终导致生产效率也得不到提高[3]
综合以上对我国煤矿产业在生产和管理方面存在问题的研究[4],将三维Web GIS技术应用于煤矿生产和管理中将会有效地提高矿井安全生产和高效管理效率。
一、 巷道三维建模
巷道是煤矿的重要组成部分,矿井巷道层次众多、交错复杂,通过创建矿井三维立体模型有利于煤矿安全生产和合理开发。
本文所采用的数据包括AutoCAD的.dwg格式煤矿工程图,煤矿工程图中标注了地下煤矿的详细信息,由于地下巷道环境的限制[5],所以只能采用传统的导线测量来获取巷道点数据。巷道的建模主要是利用测量获得的巷道控制点经过处理获取巷道中心点,将巷道中心点连接成巷道中轴线,利用采集获得的巷道宽度、高度等信息设计巷道断面,最终利用巷道中轴线和断面建立巷道三维模型。
(1)巷道中心点的计算
由于导线测量得到的控制点并不一定在巷道的中轴线上,所以必须先通过控制点以及控制点的左右邦距来计算出巷道中心点坐标。已知巷道的两个控制点A、B的坐标,以及这两个控制的左右邦距,计算A、B两点所对应的巷道中心点的算法步骤如下:
①假设控制点A、B的坐标为A(X1,Y2),B(X2,Y2),A点的左邦距为L1,右邦距为R1,B点的左邦距为L2,右邦距为R2,如图1-1所示,分别以A、B为圆心,以A、B的左邦距为半径绘制圆,因为经过一点到直线的垂线有且只有一条,根据左邦距和圆的定义可得C、D两点在巷道壁直线上,所以两圆的共切线L则为巷道的左壁。
 
图1-1巷道中心点计算
Fig3-15 Lane center point calculation
 
②E点为线段BA延长线与线段DC延长线的交点,假设AEC=,求α的过程如下:

③假设AB所在的直线与X轴平行,A点与C点的横纵坐标差为dx1和dy1,B点与D点的横纵坐标差为dx2和dy2,C点的坐标为C(Cx,Cy),D点的坐标为D(Dx,Dy),由公式(3-1)和公式(3-2)可计算出C点和D点的坐标。
              公式(3-1)
              公式(3-2)
④通过公式(3-3)两点式构建直线方程可得CD所在的直线方程。
                公式(3-3)
⑤假设控制点A点对应的巷道中心点为A’(X’1,Y’1),则巷道点A与A’的距离为d=(R1-L1)/2,A’的坐标求算公式为公式(3-4),同理可求出B点对应巷道中心点B’的坐标值。
           公式(3-4)
(2)巷道断面点的计算
本文采用的巷道断面为直壁拱形,构建三维巷道模型需要连接断面的关键点,对于直壁拱形断面需要将拱形圆弧进行离散化处理,离散的点越多则建立的拱形更圆滑,效果更佳。图3-16为直壁拱形断面细化图,已知拱形断面的高为H,宽为W,巷道中心点为O,通过这三个已知条件来计算出各个细分后的离散点坐标。
①通过三角函数可以计算出1~10点的坐标,假设中心点的坐标为O(0,0,0),则10(W/2,0,0),11(-W/2,0,0),1(-W/2,0,H),9(W/2,0,0),拱形巷道的顶点坐标为5(0,0,H+W/2)。
②通过公式(3-7)可以计算出2~4点的坐标,通过公式(3-8)可以计算出6~8点的坐标。
         公式(3-7)
             公式(3-8)
③以上算法过程是假设断面中心点在原点,并且断面与X轴平行,实际建模巷道截面应与巷道中轴线垂直,所以需要对以上计算所得的断面点进行旋转和平移,假设巷道中心点C(X1,Y1,Z1)、D(X2,Y2,Z2),A和B的连线为旋转后巷道在X0Y平面上的投影,旋转前巷道平面投影平行于X轴,AB与X轴的夹角为θ,CD与X轴的夹角为α,由于AB与CD垂直,所以旋转角计算为公式(3-9)。
                公式(3-9)
④巷道断面进行α角度旋转后还需要进行平移才能和实际的巷道相重合,假设巷道中轴线上的点A坐标为(Xa,Ya,Za),原坐标点为(Xn,Yn,Zn),旋转平移后的坐标为(X’n,Y’n,Z’n),计算方程为公式(3-10)。
                             公式(3-10)
二、 系统需求分析
本文主要研究的内容是将三维建模技术与[7]
(1)性能需求分析
矿区三维可视化系统应当具备稳定性、正确性和及时性,服务器必须能够快速响应网页端的请求,保证服务器端和客户端数据能够流畅地传输,系统要尽量减少[8]
(2)功能需求分析
矿区三维可视化系统的主要功能需求如下:
1)矿井空间环境复杂,依靠简单的二维图纸很难全面地了解整个矿区的情况,作为整个矿区的管理者不仅需要关注地下煤矿巷道、设备和管线等,还需要关注矿区地表的建筑物、河流和道路等要素。在这种情况下,必须研究出一种更为直观的信息存储和管理方式,对整个矿井上下的空间要素进行可视化展现,这样才能提供信息的管理效率。
2)提供风险管理,由于煤矿地质环境复杂,地下危险源较多,包括水、瓦斯、潜在的地质灾害、高瓦斯聚集区、老空区等,对于矿区的安全管理具有巨大的挑战,这些危险源都有一个空间位置属性,本系统需要将这些危险源监测情况在空间中进行可视化呈现,通过不同颜色来区别危险源的等级情况。
3)由于各部门信息联通较差,导致出现一些状况时无法及时进行信息交流,本系统需要通过网络进行实时信息交互,包括人员定位、人员调动、煤矿生成进度和危险预警等。
三、数据库设计
数据库是用来对数据进行存储和管理的系统,数据库的设计需要考虑到系统的安全性、实用性和稳定性等,能够进行实时更新[9]。设计出的数据库要能够快速地存储数据,实时备份数据,当系统出现故障时,能够在系统修复时恢复原数据,同时要与其他软件平台有良好的连接性。本系统采用SQL Server进行矿区信息数据的存储。
巷道点(ID、X、Y、Z、左邦距、右邦距);
巷道(ID、名称、起点ID、终点ID、节点ID、断面类型、巷道高);
用户(账号、密码、姓名、权限);
员工(ID、姓名、性别、年龄、所在矿区、职称、联系电话);
设备(ID、名称、X、Y、Z、购买日期、有效使用年限);
矿区(矿区编号、中心点、面积、可采储量、员工数、负责人);
甲烷(监测设备、密度、比重、爆炸最低浓度、沸点、一级警报值、二级警报值);
有害气体(监测设备、当前浓度、报警值,监控人员);
风速(监测设备、最高值、最低值、当前值、报警值、监控人员);
压强(监测设备、最高值、最低值、当前值、报警值、监控人员);
温度(监测设备、最高值、最低值、当前值、报警值、监测人员);
四、系统功能模块设计
矿区三维可视化系统的功能模块设计是在遵循系统设计原则和系统需求的基础上进行设计的,主要包括三大模块,GIS功能模块、业务模块、其他模块。矿区三维可视化系统详细的功能模块如图4-2。登录与认证模块提供用户身份验证功能,通过在客户端调用Web Service和后台数据库中用户信息表比对来实现登录和认证[10]
(1) GIS功能模块
本系统的三维场景包括矿区地上和地下,GIS功能模块包括对地表的建筑物、树木和地下的巷道进行全图显示、缩放浏览、漫游、坐标显示、图层控制、绘制图形、空间测量和飞行管理等。

业务模块主要包括空间信息查询、模型生成、设备管理、路径分析和危险预警预警等。信息查询包括查询矿区员工信息、设备信息和站点监测信息;巷道管理包括创建巷道、删除巷道和修改巷道属性等;设备管理包括设备的属性查询和修改、添加设备和删除设备;矿井预警是由于煤矿开采地下环境复杂,煤矿开采过程中存在很多危险源,为减少伤亡事故的发生和确保煤矿生产安全,必须对这些危险源进行监测和预警,通过不同颜色来区分危险的等级。
(3)其他模块
其他模块中有系统管理模块,对于不同的用户,其拥有的功能权限也不同,本系统主要分为两种用户类型,分别为普通用户和管理员用户,普通用户只可以对三维场景进行浏览和查询等操作,不可以对其数据进行修改,而管理员用户则可以对数据进行更改删除等操作,还可以对普通管理员进行管理,分配管理员权限,可以操作系统的各个模块;数据导入模块是将测量获得的巷道点数据或员工信息数据等导入到系统数据库中。
   
五、结论
本文通过对三维Web GIS的研究,为矿区三维可视化提供了一个有效的解决方案,论文的主要成果如下:
(1)建立三维地形模型,通过对Delaunay三角剖分算法的研究,使用三角生长法构建三角网,通过叠加影像图生成三维地形模型。
(2)构建三维巷道模型,利用ArcGIS的MultiPatch三维数据元素和对交叉巷道处的处理,编程实现巷道三维模型。
(3)地表物体建模,利用3ds Max建模软件对建筑物、树木、路灯等物体进行建模。
(4)设计开发三维可视化系统,将地形模型、巷道模型和地表物体模型集成到ArcScene三维场景中,利用ArcGIS API for JavaScript构建三维Web GIS,实现GIS的基本操作、空间查询和空间分析等功能。
 
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[4]丁宁,孙英君,郝光荣,等. SketchUP和ArcEngine二三维联动系统探讨[J]. 测绘科学, 2010(5) :183-184.
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