煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现.pdf

分类号分类号TD745TD745TD745 TD745 密密级级 公公开开 U D CU D CU D C U D C 单位代码单位代码 104241042410424 10424 学学 位位 论论 文文 煤矿三维可视化系统关键技术煤矿三维可视化系统关键技术煤矿三维可视化系统关键技术 煤矿三维可视化系统关键技术 研究与实现研究与实现研究与实现 研究与实现 韩韩 瑞瑞 栋栋 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称矿产普查与勘探矿产普查与勘探 指导教师姓名指导教师姓名韩韩 作作 振振职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零七年五月二零零七年五月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现 煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 韩瑞栋韩瑞栋入学时间入学时间入学时间 入学时间 200420042004 2004 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 矿产普查与勘探矿产普查与勘探 研究方向研究方向研究方向 研究方向 遥感与地理信息系遥感与地理信息系统统 指导教师指导教师指导教师 指导教师 韩作振韩作振职职职 职 称称称 称 教教授授 毛善君毛善君副副教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200720072007 2007 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200720072007 2007 年年 月月日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 RESEARCHRESEARCHRESEARCH RESEARCH OFOFOF OF THETHETHE THE KEYKEYKEY KEY TECHNOLOGIESTECHNOLOGIESTECHNOLOGIES TECHNOLOGIES ANDANDAND AND REALIZATIONREALIZATIONREALIZATION REALIZATION OFOFOF OF COALMINECOALMINECOALMINE COALMINE 3D3D3D 3D VISUALIZATIONVISUALIZATIONVISUALIZATION VISUALIZATION SYSTEMSYSTEMSYSTEM SYSTEM A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF ENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING ENGINEERING fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by HanHanHan Han RuidongRuidongRuidong Ruidong SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor HanHanHan Han ZuozhenZuozhenZuozhen Zuozhen CollegeCollegeCollege College ofofof of Geo-InationGeo-InationGeo-Ination Geo-Ination ScienceScienceScience Science andandand and EngineeringEngineeringEngineering Engineering MayMayMay May 200720072007 2007 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 煤矿三维可视化技术是国内外研究的热点。建立煤矿三维可视化系统，对于完善数 字矿山工程，提高矿井生产管理水平、提高生产工作效率、加快矿井信息化建设和宣传 企业文化具有十分重要的意义。 本文首先简述了地理信息系统的发展历程，分析了国内外煤矿三维可视化软件及建 模方法的研究现状，总结了存在的问题并提出了相应的对策。 其次分析了 ARTP（似直三棱柱，Analogical Right Triangular Prism）进行地质建模 的优势与不足，对 ARTP 模型进行了扩展与修正，提出了基于 TIN 和 ARTP 的地层与 巷道三维集成数据模型，设计了相应的概念模型和逻辑模型，并采用面向对象建模的思 想，描述了模型各几何要素的数据结构。 然后对实现煤矿三维可视化系统的关键技术及算法进行了研究，详细介绍了地层、 巷道、钻孔以及矿区工业广场的建模过程，阐述了利用 ARTP 对地层建模的优势，研究 了不同断面巷道的三维几何建模过程；并对实现煤矿三维可视化的一些关键技术，如 OpenGL 技术、三维交互技术、颜色、光源和材质的数据结构等进行了阐述。 接下来从我国煤矿的实际条件出发，提出了适合我国具体国情的煤矿三维可视化系 统总体框架的设计，详细介绍了系统的设计原则、系统的开发环境、系统的总体结构、 系统的功能描述、系统的界面设计和系统的数据管理等。 最后利用 SQL Server 作为后台数据库，VisualC 6.0 和 OpenGL 作为前台开发工 具，在 VRMine 的基础上，开发了专门面向煤矿的三维可视化系统，并在阳煤集团新景 矿进行了实例验证，取得了很好的效果。 关键词关键词煤矿三维可视化，ARTP，面向对象建模，矿区工业广场 山东科技大学硕士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstract Abstract Coalmine three-dimensional visualization technology is a hot topic in China and abroad. The establishment of coalmine three-dimensional visualization system plays an important role in perfecting digital coalmine project, enhancing coalmine production management, improving production efficiency, accelerating ination construction of coalmine and propagandizing enterprise culture. Firstly, the paper depicts the development history of Geographic Ination System simply, analyses study situation of domestic and international coalmine three-dimensional visualization software and modeling s, and summarizes existent problems and relevant countermeasure, which is taken as the basis of subject selection. Secondly, the paper analyses the merits and demerits of ARTPAnalogical Right Triangular Prism model to geological modeling, then expands and modifies the model, presents the stratum and laneway three-dimensional visualization integration data model on the base of TIN andARTP,designs the relevant concept and logic model, and describes the data structure of geometry factors of the model by adopting the object-oriented modeling idea. Thirdly, the paper researches on the key technique and algorithm of coalmine three- dimensional visualization system, puts forward to the modeling process of stratum, laneway, drill and mine industry square in detail, expatiates the advantages of stratum modeling using ARTP,and takes research on the three-dimensional geometry modeling process of different section laneways; and introduces some key techniques such as OpenGL, three-dimensional alternation technique, and data structure of color, light and material. Fourthly, according to the status of coalmine industries, the paper presents the whole framework of coalmine three-dimensional visualization system, and introduces design principles, developing environment, system structure, system function, interface design and data management in detail, and so on. At last, the paper realizes the three-dimensional visualization system professionally coalmine-oriented on the basis of VRMine,using SQL Server as background database,Visual 山东科技大学硕士学位论文摘要 C 6.0 and OpenGL as developing tools. And the system was implemented in Xinjing mine ofYangquan Coal Group and gained good effect. KeyKeyKey Key wordswordswords words coalmine three-dimensional visualization,ARTP,object-oriented modeling,mine industry square 山东科技大学硕士学位论文目录 i 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1 引言............................................................................................................................... 1 1.2 选题背景及意义........................................................................................................... 1 1.3 地质矿山三维可视化研究现状................................................................................... 3 1.4 论文组织结构............................................................................................................. 15 1.5 本章小结..................................................................................................................... 16 2 2 2 2 煤矿三维可视化系统数据模型研究煤矿三维可视化系统数据模型研究煤矿三维可视化系统数据模型研究 煤矿三维可视化系统数据模型研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171717 17 2.1 煤矿三维空间实体特征............................................................................................. 17 2.2 ARTP 建模的优势与不足............................................................................................18 2.3 ARTP 建模对象的扩展................................................................................................20 2.4 地层与巷道三维集成建模的思路............................................................................. 21 2.5 基于 TIN 和 ARTP 的地层与巷道三维集成数据模型.............................................22 2.6 本章小结..................................................................................................................... 26 3 3 3 3 系统的关键技术及算法研究系统的关键技术及算法研究系统的关键技术及算法研究 系统的关键技术及算法研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272727 27 3.1 几何建模技术.............................................................................................................. 27 3.2 三维可视化技术......................................................................................................... 35 3.3 本章小结..................................................................................................................... 44 4 4 4 4 煤矿三维可视化系统总体设计煤矿三维可视化系统总体设计煤矿三维可视化系统总体设计 煤矿三维可视化系统总体设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454545 45 4.1 系统设计原则............................................................................................................. 45 4.2 系统开发环境............................................................................................................. 46 4.3 系统总体结构............................................................................................................. 46 4.4 系统功能描述............................................................................................................. 47 4.5 系统界面设计............................................................................................................. 48 4.6 系统数据管理............................................................................................................. 49 4.7 本章小结..................................................................................................................... 49 5 5 5 5 系统应用实例系统应用实例系统应用实例 系统应用实例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505050 50 5.1 主要功能的实现......................................................................................................... 50 山东科技大学硕士学位论文目录 ii 5.2 阳煤集团新景矿实例验证......................................................................................... 54 5.3 本章小结..................................................................................................................... 63 6 6 6 6 结论与展望结论与展望结论与展望 结论与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646464 64 6.1 论文的主要研究成果................................................................................................. 64 6.2 论文的创新点............................................................................................................. 65 6.3 后续研究工作展望..................................................................................................... 65 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .