开采沉陷三维仿真系统研究.pdf

开采沉陷 开采沉陷三维仿真系统研究 3 郭惟嘉,桑逢云 山东科技大学 矿山灾害重点实验室,山东 青岛 266510 摘要文中对开采沉陷三维仿真系统进行了研究,这不是对二维地理信息系统的简单扩展,而是从空 间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化,本系统的研制对于矿山沉陷地治理、 矿山 灾害的防治、 矿区生态的保护等诸方面有着积极的意义。 关键词开采沉陷;三维仿真;地理信息系统 中图分类号 TD327 文献标识码B 文章编号 1001 - 358X2006 03 - 0005 - 03 3 本研究受国家自然科学基金重点项目资助,编号 50534080 开采沉陷盆地与开采深度、 开采厚度、 顶板管理 方法、 煤层产状、 采区几何形态等地质因素有关,这 些因素是具有空间内涵的三维甚至带时间内涵的四 维数据,用二维的数据处理工具来分析,就有不少的 局限性。在现有矿山开采沉陷研究工作的基础上, 充分利用计算机新技术,对这些内容进行归类、 分 析、 进而仿真可视化,建立开采沉陷的三维模型数 据,就能够把这种三维性和动态发展性直观形象的 表示出来,从而更真实地表达开采沉陷的规律。 1 开采沉陷三维仿真系统的特点 开采沉陷三维仿真系统应该具备以下几个方面 的特点 1沉陷环境包括地物、 地层、 大的地质构造 三维实景显示和多角度观察; 2地表移动变形随工作面推进变化过程模拟 和动态立体显示; 3沉陷盆地的任意方向的剖面解算和显示; 4岩体内和地表任意点的移动和变形计算; 5垮落带、 断裂带的三维分布形态和体积量 测; 6沉陷体积的自动量测。 2 开采沉陷三维仿真系统设计 开采沉陷三维仿真系统主要包括以下内容 1 系统总体设计,包括可行性分析、 系统总体结构设 计、 系统功能分析等 ; 2 数据模型设计,包括数据类 型、 分类体系设计、 属性数据模型设计、 空间数据模 型设计和图像数据模型设计等; 3数据库设计,包 括逻辑结构设计和物理结构设计; 4系统功能设 计,包括各种功能模块的划分以及各子功能模块的 集成方法设计 ; 5 应用模块和设计方法设计,包括 常用应用模型、 设计方法设计等 ; 6 输入输出及产 品输出形式设计; 7用户界面设计。 211 总体方案设计 开采沉陷三维仿真系统的研制是基于目前的二 维地理信息系统平台的,在二维地理信息系统平台 的基础上,采用一定的三维仿真可视化方法,结合数 据库设计进行三维建模,实现三维变换、 查询等功 能。系统的总体设计方案见图1。 212 基础平台及工具软件的选取 基础的地理信息系统平台采用Map Info软件,它 能将数据与地图有机地结合起来,并可进行复杂的 地理分析。对于构造三维仿真可视化信息系统时的 三维显示问题,采用Microsoft和SGI公司联合研制 开发的W indows操作系统下的OpenGL三维图形库 图形功能。系统的开发模式采用渐进式的原型化方 法,即先建立一个可运行的能够实现部分功能的“ 原 型 ”,再在此基础上不断完善、 修改和扩充发展。 3 开采沉陷三维系统的仿真化设计 311 数字地形的表示 这里的数字地形主要是指等值线、 格网和三角 网三种不同的表示方法。其中等高线的表示方法被 广泛应用在各种地图和现代地理信息系统中,它是 用二维手段来表示三维物体的常用方法而用格网 来表示地形高程域的数据,是随着计算机的出现而 提出的,它实际是用一个二维数组来表示地形的高 程,其格网的宽和高通常是缺省的。用不规则三角 网来表示地形中悬崖、 沟壑等特殊复杂地形的造型。 5 第3期 2006年9月 矿 山 测 量 M I NE SURVEYI NG No13 Sep12006 图1 开采沉陷三维仿真可视化系统 312 三维空间数据仿真的一般算法 其算法是首先由三维空间数据场构造出中间几 何图形如曲面、 平面等 , 然后再由传统的计算机图 形学技术实现画面绘制。最常见的中间几何图元就 是平面片,可以抽取一个等值面,也可以抽取多个等 值面。这时,可以将中间几何图元的生成过程看作 是上述可视化流程中的第三步- -映射。当然,这 时的映射只是将原始数据中的部分属性映射成平面 或者曲面。因而,这种方法构造出的可视化图形不 能反映整个原始数据场的全貌及细节。但是,可以 产生比较清晰的等值面图像,而且可以利用现有的 图像硬件实现绘制功能,使图像生成及变换的速度 加快,因而是一种常用的可视化算法。 313 OpenGL技术在仿真系统中的应用 利用OpenGL软件技术进行三维仿真系统建模 可分为五个基本过程如图2所示。 图2 OpenGL基本图形建模操作过程 另外,为了实现开采沉陷三维仿真系统的高效 率以及三维交互功能,可以采用OpenGL所提供的显 示列表和双缓存机制来实现。 4 技术路线 411 软件结构设计 系统的两部分内容工具部分和应用部分分开比 较合适,这样层次分明,便于扩充。工具部分实现一 般的数据文件和图形文件的管理工作。如数据文本 的编辑、 打开、 存储,各个地物对象的三维开窗放大、 三维编辑、 存储,不同地物之间的叠合等。应用部分 根据要解决的问题,构造相应的功能模块。 412 功能设计 1对于三维开窗放大问题,最重要的是三维区 域的选取,可以采用二维图件,即矿区平面图和高程 图相配合来达到三维选取的目的,在三维开窗放大 中需要利用细节层次模型LOD Level Of Detail实 现的图像的任意比例尺无极操作,以使得图像随比 例尺缩放而有不同详细程度的细部表现。 2三维编辑设计包括增加、 删除、 移动点等。 三维编辑最重要的是编辑对象的选取和位置改变,同样 可以借鉴虚拟现实的方法,在三维数据场中用三维拾取 设备来实现,但是由于同样的设备原因,这种方法不易 实现。在二维图件的基础上可以设计两种三维编辑方 法,一种通过矿区平面图上进行二维选取和二维区域内 高程的最大、 最小值求算来获得三维区域,也可以通过 矿区平面图和高程图的配合选取来实现。而编辑效果 可以通过OpenG L窗口来显示和观察。 3计算功能设计,利用GIS与专业沉陷模型的 嵌入式结合,两者在内核上的集成、 有机的联系,即 在GIS可利用Visual C 语言编写计算模块,实现 开采沉陷三维仿真系统中各个计算模块功能,另空 6 第3期 矿 山 测 量 2006年9月 间分析功能可直接利用GIS的空间分析能力。 5 结 论 开采沉陷三维仿真系统研究是比较复杂的。系 统所处理的对象从二维转变到三维,不只是数据量的 增大,更重要的是会导致出现很多不同的对象类型和 空间关系。因此,对开采沉陷三维仿真系统进行研 究,不是对二维地理信息系统的简单扩展,而是从空 间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可 视化,都必须进行系统的研究。它是开采沉陷学,矿 区灾害防治、 计算机图形学、 地理信息系统、 虚拟现实 技术等多门学科,多种知识的交叉。研制开采沉陷三 维仿真系统对于矿山沉陷地治理、 矿山灾害的防治、 矿区生态的保护等诸方面有着积极的意义。 参考文献 [1] 李青元,林宗坚,李成明 1真三维GIS技术的研究现状 与发展[J ]1测绘科学, 2000 61 [2] 高俊 1地理空间数据的可视化[J ]1测绘工程,2000,931 [3] 王卷乐,吴侃,戴仔强 1空间数据可视化在开采沉陷防 治中的应用[J ]1江苏测绘, 2001, 2411 [4] 李青元,朱小弟,曹代勇 1三维地质模型的数据模型研 究[J ]1中国煤田地质, 2000 31 [5] 李春民,李仲学,僧德文 1OpenGL在矿山井巷工程三 维可视化仿真系统中的应用[J ]1北京科技大学学报, 2004, 26 51 作者简介郭惟嘉,男, 46岁,博士、 教授博士生导师 , 山东 科技大学资源与环境工程学院院长。主要从事矿山开采沉 陷与覆岩破坏规律、 矿井特殊开采等方向的科研及教学工 作,近五年发表学术论文20余篇,出版著作2部,获省部级科 技进步奖4项。 收稿日期 2006 - 03 - 16 “ 数字矿业城市、 数字矿山 ” 学术会议在泰安召开 2006年7月16日至19日,由国际矿山测量协会主席秘书处、 中国煤炭学会矿山测量专业委员会、 中国测绘学会矿山测量 专业委员会、 中国金属学会矿山测量专业委员会联合组织的“ 数字矿业城市、 数字矿山 ” 建设信息技术学术研讨会在风景秀丽 的泰山脚下泰安市召开,来自国内外的120余名教授、 专家和学者参加了大会。 会议由山东科技大学党委书记刘向信教授致欢迎词,山东省副省长王军民、 国际矿山测量协会 IS M第一副主席俞昶兴教 授出席会议并致辞,中国科学院院士宋振骐教授作了精彩的学术报告。会上有近20篇论文进行了大会交流,并开展了热烈的 讨论,学术气氛活跃,代表们畅所欲言,真正达到了推动学科发展、 相互学习、 共同提高的目的。会议还传达学习了上级学会的 有关文件和会议精神。本次大会共收到论文59篇,内容包括“ 数字城市 ” 、 “ 数字矿山 ” 、 “3S” 技术、 “ 三下 ” 采煤技术、 土地复垦 与环境保护、 矿山测量方法与仪器等多方面论文,内容丰富,学术水平比较高。会议编辑出版了论文集。 会议期间, 矿山测量 杂志编辑部召开了座谈会,与会的20多名专家、 教授就矿山测量 杂志的改革、 发展方向、 尽快恢 复核心期刊等问题展开了热烈的讨论,并提出了许多中肯的意见和建议。 在各位代表的共同努力下,会议取得圆满成功。 中国煤炭学会矿山测量专业委员会 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院成立 辽宁工程技术大学的测绘学科起源于阜新煤矿学院的矿山测量专业, 1958年招收第一届本科生,至今已有48年的历史, 是我国测绘领域内成立较早、 专门从事测绘科学高级人才培养的单位。2006年4月学校党委决定在原测量工程系的基础上成 立测绘与地理科学学院,并于2006年6月13日举行了隆重的成立庆典仪式。 伴随着现代测绘技术的飞速发展,该校测绘学科在传统的矿山测量专业基础上,融合当今GPS/RS/GIS等高新技术,进行 了全面的专业改造和扩充,发展到今天拥有测绘工程、 地理信息系统、 资源环境与城乡规划管理三个本科专业,测绘科学与技术 一级学科博士授权点,在大地测量学与测量工程、 地图制图学与地理信息工程、 摄影测量与遥感三个二级学科具有博士和硕士 学位授予权,其中大地测量学与测量工程学科是辽宁省重点学科。地理空间信息技术与应用实验室是省级高校重点实验室。 学院拥有一支实力雄厚的教学和科研团体,其中外聘兼职院士1人,博导8人,教授12人,副教授14人。近年来,共承担 国家和辽宁省自然科学基金项目20余项,有30余项科研项目获省部级以上科技进步奖。目前,测绘与地理科学学院已成为我 国测绘与地理学科领域科学研究和人才培养的重要基地,在国内外享有较高的知名度。 测 编 7 第3期 郭惟嘉等开采沉陷三维仿真系统研究 3 2006年9月 ENGL ISH ABSTRACTS OF MA IN ARTICLES IN THIS ISSUE Research on the 3D Simulation System ofMining Subsidence - In the paper, a research is made on the three - dimen2 sional simulation system, which is not simple expansion of the two - dimensional geographical ination system, but the visualization of space model analysis and structure of space database aswell as three - dimensional data. The sys2 tem is of great significance for treatment of the mining sub2 sidence, prevention of the mining disaster, protection of e2 cology in mining area and so on.GuoWeijia et al . Design and Realization of Data For mat Conversion between the CISB and the WalkField - Based on the data at conversion from the GISB4. 0 to the WalkField4. 0 required by the cadastral inationmanagement system, the conver2 sion - related critical techniques ands aswell aspro2 cedures are discussed in the paper . What’ s more, structural features of these two kinds of data ats are described, and the design principle, data structure and conversion flow sheet aswell as some problems concerned of the data conver2 sion are elaborated as well in the paper, which provides a feasible solution for data at conversion in the cadastral survey and related management departments and also for re2 use of a number of various kinds of database data left over by history .Ma Hongbin et al . Study on Data Processing of the Dynamic Level Monitoring Network - In the paper, feasibility of using the Kalman fil2 ter into data processing and analysis of the dynamic level monitoring network is discussed, then the observation and dynamic equations are derived. With these equations, the actualmeasured data are calculated and analyzed and satis2 factory results are obtained, which proves the practicality and effectiveness of the Kalman filter equations derived in processing of dynamic vertical deation data.Chen Jian et al . Establishment of Typical Spectrum Database and Analysis Based on the Graphic Interface - Based on a kind of object - oriented programming language and the relational database software, a typical spectrum database oriented to region and monographic study is established in the paper, which makes it convenient to browse, inquire andmaintain the data, real2 izes the analysis of the spectrum database based on the graphic interface, including inquiry of the spectral curve in2 ation,comparisonandanalysis of manyspectrum curves, measurement of spectrum similarity, extraction of spectral characteristics etc. , and also offers a powerful tool for quantitative analysis of the remote sensing data. Li Xingli et al . Application of the Spatial Modeling Language in Remote Sensing I mage Processing - The spatialmodeling language is a kind ofmodel language and is also the base of GIS analysis and image processing function in the ERDAS I MAGI NE, which can notonly compile spatialprogram models and prac2 tical program models for all sorts of applications, but also create the algorithm most suitable for data characteristics and application target .Taking the T M data as an example and based on use of the spatial modeling tool and conditional function to make the thematic classified image, the paper highlights briefly the and procedure applied by the spatialmodeling language in remote sensing image process2 ing .Wang Jingxue et al . City Travelling Navigation Infor mation System Based on the VB and theMAPBASIC Taking Fuxin CityAs an Exam2 ple - In the paper, a study is mainly made on some func2 tions of the intelligent traveling navigation inquiry system, including inquiry of touris m resources in a city, inquiry of stops along public bus line, inquiry of all possible accesses between two points, dynamic display of the public bus line, design and realization of inquiry function in buffer zone of the bus stop, and so on.Fan Qiang et al . Application of theMAT LAB - based RBF NeuralNetwork in Prediction of the Building Settlement - The model and structure of the RBF neural network are described in the pa2 per and then the network is used for prediction of the build2 ing settlement . Based on theMatlab tool - box function, the model of the settlementprediction network is established and the computation program is compiled. Proved by actual pro2 ject examples, the model is correct and feasible.Further2 more, a comparison ismade to convergence rate between the RBF and the BP neural networks, the results show that the convergence rate of the RBF neural network is far faster than that of the BP network.Wang Yang et al . Research on theWavelet Theory - based Merging of the Remote Sensing I mages - The ofwavelet conver2 sion with respect to merging of the remote sensing images is simply summarized and then the wavelet conversion - based image merging is put forward in the light of the shortcomings of above in the paper . Furthermore, an illustration ismade to the principle and of the wave2 let packet conversion, algorithm of decomposition and recon2 struction of thewaveletpacket, after that, theQuickBird 0. 61m panchromatic image and 2. 4m multi - spectral image are merged, the results indicate that the merging effect of the images based on the wavelet packet conversion is fairly good.ZhangLijie et al . Optimum Design and I mplementation of the Holing Through Project between Auxiliary Shaft and the East Airshaft in Chengjiao CoalMine - In view of high precision requirement of the holing through project between auxiliary shaft and the east airshaft in Chengjiao CoalMine, an optimum design is made to the implementation plan in the paper, which is to a2 dopt the GPS technique to improve precision of the ground control network, adopt the double gyro - theodolite to im2 prove precision of the orientation, use optical centering to improve the centration precision and apply the error ellipse software to analyze the point errors and then take actions so as to improve the survey accuracy . Much practice shows that above technical innovation can notonly ensure the successful holing through of the project, but also provide valuable ex2 perience for large - scale holing through practice in the fu2 ture.Dai Xiaodong et al . Practice of Heading Through of theNo. 366 Shangzhuang In2 terior Shaft in the Same Direction in Canzhuang Gold Mine - In the paper, a practice of heading through of the interior shaft in the same direction is introduced, in which the total station and centering column processed on the basis of the surveyor’ s beacon are applied and the tabulation software is also used to calculate at the same time.The results show that the practice can provide ameans convenient enough and capable of meeting the requirement of limited error for un2 derground large - scale holing through.Xiao Jun et al . Construction Technology ofBackfill and Compact by layer of the Refuse Foundation - Based on years’experience in re2 fuse reclamation in coalmining subsidence area, a relatively systematic engineeringmeasure is put for ward in the paper, which can improve bearing ability of the refuse foundation, therefore various types of qualified construction land can be obtained.WangLejie