专利名称：一种基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法
技术领域：
本发明涉及矿井技术领域，特别涉及一种三维地质巷道建模方法。
背景技术：
巷道是矿井生产的动脉，直接影响煤矿生产的经济效益和生产安全，建立真三维的巷道模型，对指导矿山开采设计计划、工程施工及安全救援等具有重要意义。传统的矿井信息管理是基于地质、巷道等纸介质图件进行人为管理为主。地质信息的模拟与表达方式主要有两种，其一是采用平面图和剖面图进行表达(如底板等高线图、采掘工程平面图、地质剖面图、钻孔剖面图等)，其实质也是将3D地质环境中地层、矿体与地质现象投影到某一2D平面(XY平面、XZ平面或YZ平面)上进行表达；其二是采用透视和轴侧投影原理，将3D地质环境中的地层、矿体与地质现象进行透视制图，或投影到两个以上的平面上进行组合表达，以增强3D视觉效果，提高人们的3D理解水平。这两种方式同样存在空间信息的损失与失真问题，而且制图过程繁杂，信息更新困难[3]。这种管理方式不具备查询、几何量算以及基于空间分析的预测和决策等功能。三维地质巷道模型可以帮助决策者们直接从3D空间的角度去理解和表达地质体与矿井巷道系统，并利用三维可视化交互手段实现对地质巷道三维体进行多角度、多方位的浏览。对于矿井巷道的表达，具有代表性的数据结构体系有两种:用断面对象和似柱面来表达矿井巷道现象和把矿井巷道抽象为巷道线(弧段)，通过上、下距和左、右距来表达巷道的空间形态。此外，文献提出类三棱柱的表达方法，显然，上述观点或是不能形成巷道空间网络，不易于进行巷道空间网络分析；或是不能自动生成井巷工程的三维空间图形数据库。两种数据结构很难实现巷道体内的三维虚拟漫游，为了实现矿井巷道三维模型的自动生成并形成空间三维网络，结合巷道三维模型的网络分析的安全救援应用以及漫游功能需求，本文综合前面两种数据结构体系，提出了另外一种空间数据结构。
发明内容
本发明设计开发了一种基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法。本发明提出了一种能够反映巷道系统是一个三维网络空间域特性的数据结构，并依据此数据结构建立了三维地质巷道模型，并解决了弯道光滑和交叉巷道相互贯通的问题。本发明提供的技术方案为:一种基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，包括下列步骤:步骤一、测量矿山巷道顶部中心线上点的三维坐标值和矿山巷道断面形状参数宽W、高h、半径r以及巷道方位角α ；步骤二、从数据库读取所采集到的巷道顶部中心线上点的三维坐标值即顶点三维坐标值；巷道被其它巷道分成两段或多段的线段为弧段，弧段的两端点为节点，根据多条巷道的顶点三维坐标值可以得出交叉巷道的节点、弧段之间的关系；步骤三、根据巷道断面形状参数、节点和弧段之间的关系以巷道顶底中心线为基准，来计算由前断面、后断面、右帮面、左帮面、底面和顶面组成的巷道体三维表面模型的特征点坐标值；所述巷道体三维表面模型特征点坐标值的计算，分为两部分来计算:直线巷道部分和多条巷道交汇处部分；所述多条巷道交汇处部分特征点坐标值的计算首先确定每条巷道左帮面和右帮面与相邻巷道体的帮边界的相交点，然后再通过巷道断面形状参数及巷道中心线上的三维坐标值来计算相交点处的三维坐标值，以实现交叉巷道在节点处的贯通；步骤四、根据巷道体三维表面模型的特征点坐标值进行巷道体各个表面三角网的构建以建立整个巷道体三维表面模型。优选的是，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，检查弧段的端点和终点，所述弧段端点和终点的度即与该节点相关联的弧段数均为I时，巷道为独立巷道;优选的是，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道为直线巷道时，根据巷道顶部中心线上的三维坐标值和巷道断面形状参数宽W、高h计算出巷道顶底中心线左右两侧平行线端点的三维坐标值。优选的是，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形态为圆拱巷道且巷道为直线巷道时，所述圆拱巷道分为两部分:矩形部分和拱形部分，矩形部分采用矩形巷道计算特征点坐标值的方法，拱形部分采用插值算法进行拱形断面顶部的圆拱坐标值计算，得到圆顶离散点坐标值。优选的是，步骤三中 计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道有弯道时，巷道分为两部分:直线巷道部分和弯道巷道部分，直线巷道部分采用直线巷道计算特征点坐标值的方法，弯道巷道部分所采用的方法为:弯道处前后两段巷道宽度相同时，在弯道处相对于中心线的左右两侧的帮边界平行线段，对于帮边界相交的一侧则以交点作为边界特征点，对于帮边界不相交的一侧则以巷道中心线的第二个顶点为圆心，以巷道宽的1/2长度为半径，做一条圆弧使帮边界不相交的一侧的线段连接起来，以使巷道在弯道处光滑，然后运用插值算法计算弯道处的特征点坐标值；优选的是，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道有弯道时，巷道分为两部分:直线巷道部分和弯道巷道部分，直线巷道部分采用直线巷道计算特征点坐标值的方法，弯道巷道部分所采用的方法为:弯道处前后两段巷道宽度不同时，对于两段巷道帮边界相交的一侧则以交点作为边界特征点，对于两段巷道帮边界不相交的一侧，则延长使其相交于一点，然后取该点与两段巷道帮边界不相交的一侧的两线段的位于弯道处的端点之间的中间点，这两个中间点和帮边界不相交一侧的两线段位于弯道处的端点构造出三次贝兹曲线的四个控制点，然后做三次贝兹曲线，运用插值算法计算弯道处的特征点坐标值。优选的是，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形巷道时，其左帮面、右帮面、底面、顶面、前断面、后断面是由巷道体三维表面模型的特征点组成的四边形，从四边形的对角线处分割成两个三角形。优选的是，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为圆拱巷道时，其左帮面、右帮面、底面、前断面、后断面是由巷道体三维表面模型的特征点组成的四边形，从四边形的对角线处分割成两个三角形，而对于圆拱巷道顶面三角形的构成，设前断面圆拱插值点为P。、
P1......P1-pPn，后断面插值点为Po’、p/ …"P1-ι' >Pi'...pn’，贝1J前后断面组成的顶面
三角网格TriNet为:
权利要求
1.一种基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤一、测量矿山巷道顶部中心线上点的三维坐标值和矿山巷道断面形状参数宽W、高h、半径r以及巷道方位角α ； 步骤二、从数据库读取所采集到的巷道顶部中心线上点的三维坐标值即顶点三维坐标值；巷道被其它巷道分成两段或多段的线段为弧段，弧段的两端点为节点，根据多条巷道的顶点三维坐标值可以得出交叉巷道的节点、弧段之间的关系； 步骤三、根据巷道断面形状参数、节点和弧段之间的关系以巷道顶底中心线为基准，来计算由前断面、后断面、右帮面、左帮面、底面和顶面组成的巷道体三维表面模型的特征点坐标值；所述巷道体三维表面模型特征点坐标值的计算，分为两部分来计算:直线巷道部分和多条巷道交汇处部分；所述多条巷道交汇处部分特征点坐标值的计算首先确定每条巷道左帮面和右帮面与相邻巷道体的帮边界的相交点，然后再通过巷道断面形状参数及巷道中心线上的三维坐标值来计算相交点处的三维坐标值，以实现交叉巷道在节点处的贯通； 步骤四、根据巷道体三维表面模型的特征点坐标值进行巷道体各个表面三角网的构建以建立整个巷道体三维表面模型。
2.如权利要求1所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，检查弧段的端点和终点，所述弧段端点和终点的度即与该节点相关联的弧段数均为I时，巷道为独立巷道。
3.如权利要求2所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道为直线巷道 时，根据巷道顶部中心线上的三维坐标值和巷道断面形状参数宽W、高h计算出巷道顶底中心线左右两侧平行线端点的三维坐标值。
4.如权利要求3所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形态为圆拱巷道且巷道为直线巷道时，所述圆拱巷道分为两部分:矩形部分和拱形部分，矩形部分采用矩形巷道计算特征点坐标值的方法，拱形部分采用插值算法进行拱形断面顶部的圆拱坐标值计算，得到圆顶离散点坐标值。
5.如权利要求3所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道有弯道时，巷道分为两部分:直线巷道部分和弯道巷道部分，直线巷道部分采用直线巷道计算特征点坐标值的方法，弯道巷道部分所采用的方法为:弯道处前后两段巷道宽度相同时，在弯道处相对于中心线的左右两侧的帮边界平行线段，对于帮边界相交的一侧则以交点作为边界特征点，对于帮边界不相交的一侧则以巷道中心线的第二个顶点为圆心，以巷道宽的1/2长度为半径，做一条圆弧使帮边界不相交的一侧的线段连接起来，以使巷道在弯道处光滑，然后运用插值算法计算弯道处的特征点坐标值。
6.如权利要求3所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，步骤三中计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值时，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形且巷道有弯道时，巷道分为两部分:直线巷道部分和弯道巷道部分，直线巷道部分采用直线巷道计算特征点坐标值的方法，弯道巷道部分所采用的方法为:弯道处前后两段巷道宽度不同时，对于两段巷道帮边界相交的一侧则以交点作为边界特征点，对于两段巷道帮边界不相交的一侧，则延长使其相交于一点，然后取该点与两段巷道帮边界不相交的一侧的两线段的位于弯道处的端点之间的中间点，这两个中间点和帮边界不相交一侧的两线段位于弯道处的端点构造出三次贝兹曲线的四个控制点，然后做三次贝塞尔曲线，运用插值算法计算弯道处的特征点坐标值。
7.如权利要求2所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形巷道时，其左帮面、右帮面、底面、顶面、前断面、后断面是由巷道体三维表面模型的特征点组成的四边形，从四边形的对角线处分割成两个三角形。
8.如权利要求2所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为圆拱巷道时，其左帮面、右帮面、底面、前断面、后断面是由巷道体三维表面模型的特征点组成的四边形，从四边形的对角线处分割成两个三角形，而对于圆拱巷道顶面三角形的构成，设前断面圆拱插值点为PrP1......Pm、ΡΓ..Pn，后断面插值点为Po'、p/......P1-/、Pi' *Pn/，则前后断面组成的顶面三角网格TriNet为:
9.如权利要求7所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为矩形巷道，且巷道有弯道时，所述巷道的底面或顶面三角格网分为两部分:直线部分和曲线部分，其三角格网的构建方法为 步骤一、在弯道处相对于巷道顶底中心线的左右两侧平行线段，对于巷道帮边界相交的一侧以交点作为边界特征点，以交点对特征边界线进行分割，得到底面或顶面直线部分的三角格网，也构造出巷道左右帮面的直平面三角格网； 步骤二、补充缺失的三角形，以位于弯道处的顶点为公共点，按照逆时针方向分别连接巷道弯道处光滑曲线上的各个插值点，组成巷道底面或顶面弯道处的三角形格网，由此可以构造出巷道左帮面或右帮面弯道部分的三角格网光滑曲面。
10.如权利要求9所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，所述巷道为独立巷道，巷道断面形状为圆拱巷道，且巷道有弯道时，巷道体表面的三角格网构建分为两部分:矩形部分和圆拱部分，矩形部分底面和左帮面、右帮面的三角格网的构建方法采用矩形巷道三角格网的构建方法，圆拱部分顶面三角格网的构建方法为: 步骤一、确定顶面的边界，弯道处前面的直线巷道为第一巷道，弯道处后面的直线巷道为第二巷道，延伸第一巷道帮边界线段相交一侧的线段至第二巷道中心线得到交点，然后根据此交点延伸第一巷道的帮边界不相交一侧的线段，使巷道中心线两侧的平行线段同步延长；第二巷道的帮边界线段相交一侧的线段延长至第一巷道的帮边界不相交一侧的线段，得到一个交点，据此交点延长第二巷道的帮边界不相交一侧的线段，使巷道两边的平行线段同步延长，得到新的巷道边界特征点，则可以得到具有弯道的巷道三维图； 步骤二、利用图形集合并运算处理圆拱贯通，两直线圆拱巷道顶部在其内部出现交叉，利用图形集合并运算保留两直线圆拱巷道的外部图形，删除两直线圆拱巷道内部的圆拱面；步骤三、利用图形集合交运算处理弯道，向上延伸圆拱的底部至圆拱的最高处，得到了两个图形集合，即多面体和圆拱体，二者做集合交运算，既保留了多面体内部的巷道又舍弃了外部的突出的圆拱。
11.如权利要求1所述的基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，其特征在于，所述巷道为交叉巷道，巷道的断面形状为圆拱形状时，任意条交叉巷道体的贯通处理方法为: 步骤一、在多条独立巷道交汇点计算方位角，以使能够快速确定巷道帮边界的相交；步骤二、构建交叉巷道底面的三角格网，实施方式为当前巷道的左帮面与下一条巷道的右帮面相交，当前的右帮面与前一条巷道的左帮面相交，依次可以得出其它帮边界的相交，确定了每条巷道左帮面和右帮面与相邻巷道体的帮边界的相交点，经过求交处理后巷道的底面不再相互交错，然后再通过巷道断面形状参数及巷道中心线上的三维坐标值来计算相交点处的三维坐标值，实现巷道在节点处的贯通，交处理后在交叉巷道交汇点处的底面会出现空洞的区域，缺失三角网，以节点为中心，沿逆时针方向构建三角格网，这样即可构建底面的三角格网； 步骤三、构建节点处顶部曲面，先得出曲面的相交边界线，然后根据相交边界线再次生成三角格网，通过在节点处选取两条巷道视为具有弯道的独立巷道来实现顶部的曲面构建 。
全文摘要
本发明公开了一种基于空间数据结构体系的三维地质巷道建模方法，主要包括下列步骤:测量矿山巷道顶部中心线上点的三维坐标值和矿山巷道断面形状参数;从数据库读取所采集到的巷道顶部中心线上点的三维坐标值即顶点三维坐标值，根据多条巷道的顶点三维坐标值可以得出交叉巷道的节点、弧段之间的关系;根据巷道断面形状参数、节点和弧段之间的关系以巷道顶底中心线为基准，计算巷道体三维表面模型的特征点坐标值;根据巷道体三维表面模型的特征点坐标值进行巷道体各个表面三角网的构建以建立整个巷道体三维表面模型。本发明提出了一种"断面—节点—弧段"空间数据结构，解决了巷道弯道光滑和交叉巷道相互贯通的问题。
文档编号G06T17/00GK103226844SQ20131018236
公开日2013年7月31日 申请日期2013年5月16日 优先权日2013年5月16日
发明者黄明, 王晏民 申请人:北京建筑工程学院