基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角三維模擬研究及應(yīng)用1

1、基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角度三維模擬方法研究及應(yīng)用我國(guó)煤礦資源極為豐富，但適于露天開采的煤炭資源比例較少，約占總存量的7%左右。巷道開拓作為井下開采的重要環(huán)節(jié)，直接影響著我國(guó)煤礦的安全水平及生產(chǎn)能力。在煤礦井下巷道開拓中，地質(zhì)構(gòu)造是影響巷道掘進(jìn)的首要因素，而斷層則是一種常見的地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)巷道開拓遇到斷層時(shí)，選擇一個(gè)合理的開拓角度，對(duì)于安全生產(chǎn)，提高開拓效率，減小生產(chǎn)困難程度及制定合適的工作計(jì)劃，都有非常實(shí)際的意義。（現(xiàn)在的決策方式）ArcEngine是用于構(gòu)建制定應(yīng)用的一個(gè)完整的嵌入式的GIS組件庫(kù)。使用ArcEngine可以對(duì)區(qū)域地質(zhì)及巷道三維信息進(jìn)行模擬并對(duì)相關(guān)巷道開拓?cái)?shù)據(jù)信

2、息進(jìn)行計(jì)算，使得工程人員對(duì)區(qū)域三維空間概況的理解更加直觀和形象，這將對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的決策更加準(zhǔn)確和方便。本文探討了如何使用C#語言開發(fā)基于ArcEngine的過斷層巷道角度三維模擬的軟件，并使用該軟件對(duì)生產(chǎn)中的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了決策。1 工程需求分析斷層是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中廣泛發(fā)育的構(gòu)造形態(tài)。在地殼運(yùn)動(dòng)中由于強(qiáng)大的壓力和張力超過巖層本身強(qiáng)度，從而對(duì)巖層產(chǎn)生破壞作用形成微隙，許多微隙連在一起就形成一個(gè)斷層面。斷層面兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，根據(jù)滑動(dòng)的方向，可以分為正斷層和逆斷層。上盤下降，下盤相對(duì)上升的斷層稱為正斷層。反之，上盤上升，下盤相對(duì)下降的斷層稱為逆斷層。過斷層一般要遵循以下幾個(gè)原則：看頂板的狀況，如頂板較好時(shí)，

3、不破壞頂板，而以臥底為宜；如果斷層以外不宜采取，就改造斷層；挑頂與臥底的坡度還應(yīng)要與輔助運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸以及綜掘機(jī)的使用等相協(xié)調(diào)適應(yīng)；最后還要注意頂?shù)装宓膱?jiān)硬程度等。（煤礦掘進(jìn)迎頭過斷層技術(shù)探析）由于斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互擠壓，使附近的巖石破碎，會(huì)形成與斷層面大致平行的破碎帶，也稱斷層破碎帶。斷層破碎帶的寬度有大有小，小者僅幾厘米，大者達(dá)數(shù)公里，甚至更寬，與斷層的規(guī)模和力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教程 陸克政 P139）因此在斷層附近，煤層會(huì)變軟，淋水增大，頂板往往比較差，破碎帶極易冒落。所以在巷道掘進(jìn)遇到斷層時(shí)要在設(shè)想頂板狀況差，加強(qiáng)支護(hù)的前提下，綜合考慮其它因素來選擇一個(gè)最合適的角度進(jìn)行開拓

4、掘進(jìn)。在選擇最合適的開拓角度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)因素：1.斷層產(chǎn)狀；2.輔助運(yùn)輸、生產(chǎn)運(yùn)輸及綜掘機(jī)的使用；3.過斷層巷道的開拓距離。在實(shí)際生產(chǎn)中，角度越小對(duì)于輔助運(yùn)輸、生產(chǎn)運(yùn)輸及綜掘機(jī)的使用越有利，而過斷層巷道的距離則會(huì)相應(yīng)增大，頂板破碎帶冒落的概率也會(huì)相應(yīng)增加，這對(duì)安全生產(chǎn)、巷道支護(hù)及開拓進(jìn)度都是非常不利的。因此在制定合理的開拓角度前，要對(duì)斷層產(chǎn)狀、開拓后巷道的狀況、巷道支護(hù)方式等有充分的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)備。在過斷層前使用一定的工具對(duì)巷道開拓進(jìn)行模擬，使工程人員直觀、形象的對(duì)巷道狀況進(jìn)行了解從而確定開拓角度是非常實(shí)際和必要的。2 ArcEngine三維模擬研究目前，用于三維可視化模擬的技術(shù)有很多，其中

5、常用的有使用通用的三維建模軟件建模、自主開發(fā)三維建模系統(tǒng)建模及基于組件技術(shù)進(jìn)行三維模擬的二次開發(fā)。在現(xiàn)有的三維建模軟件中，3DMAX和SketchUp是常見的兩種建模工具。使用這些軟件可以建立較為逼真的三維場(chǎng)景，但是由于其固有的設(shè)計(jì)模式，使得這種建模方式缺少靈活性，編輯能力差，不能使用已知數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確的描述區(qū)域三維概況，而且不便于更新，更難于進(jìn)行三維拓?fù)湫畔⒌姆治觥３Ｓ玫聽栕灾鏖_發(fā)三維建模系統(tǒng)軟件包括OpenGL、Direct3D、Java3D等，這類技術(shù)是一項(xiàng)底層開發(fā)技術(shù)，對(duì)開發(fā)者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)有較高的要求，而且此類技術(shù)開發(fā)周期較長(zhǎng)、容錯(cuò)率較低，不適合工程生產(chǎn)中變化較多的實(shí)際情況

6、。基于組件的三維模擬二次開發(fā)技術(shù)是將大部分復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算都封裝在函數(shù)庫(kù)中，開發(fā)者只需使用組件庫(kù)中的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維可視化及分析功能。由于這些組件使用了模塊化設(shè)計(jì)的開發(fā)理念，開發(fā)者只需理解接口函數(shù)的如何使用既可以迅速和高效的開發(fā)出適合工程應(yīng)用的三維模擬軟件，這也是二次開發(fā)技術(shù)近年來迅速發(fā)展的重要原因。在組件二次開發(fā)技術(shù)中，最常見的就是ESRI公司的ArcEngine。ArcEngine具備豐富的GIS空間分析功能，同時(shí)提供了用于許多編程語言進(jìn)行二次開發(fā)的接口?，F(xiàn)在我們探討如何使用C#語言開發(fā)基于ArcEngine的過斷層巷道開拓角度三維模擬及相關(guān)開拓?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域地質(zhì)概況及巷

7、道自動(dòng)建模和三維模擬顯示。建模在三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)上，首先要對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行建模，建模是對(duì)被處理的對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、模擬和研究的基礎(chǔ)。ArcEngine提供了MultiPatch元素類型，用于對(duì)三維物體的表面進(jìn)行描述。它包括四種三維表面類型：TriangleStrip（三角帶）TriangleStrip是按照集合中的三維點(diǎn)順序生成的一個(gè)三角帶，如圖1所示，按照順序有（0,1,2,），（1,2,3），（2,3,4），（3,4,5）四個(gè)三角形集合構(gòu)成的一個(gè)三維表面。012543XYZ圖1TriangleFan（三角形扇面）TriangleFan是以三角形集合中第一個(gè)點(diǎn)作為所有三角形的起點(diǎn)，然后按照三角形

8、的點(diǎn)位順序依次構(gòu)成三角形扇面。如圖2所示，按照順序有（0,1,2），（0,2,3），（0,3,1）構(gòu)成的三維表面。3210XYZ圖2Triangles（三角形）Triangles是由單個(gè)的或相互連接的多個(gè)三角形構(gòu)成的集合，每個(gè)三角形必須有它單獨(dú)的拓?fù)湫畔?。如圖3所示，由（0,1,2），（3,4,5），（3,5,7）構(gòu)成的三維表面。YXZ7543210圖3Ring（環(huán)組）Ring也是由三維點(diǎn)組成的集合，它常用于構(gòu)建三維對(duì)象特殊的元素，如建筑物的窗體等。如圖4所示，為環(huán)組構(gòu)成的三維圖形，其中區(qū)域A為外部環(huán)組集合，區(qū)域B為內(nèi)部環(huán)組集合。AB圖4在工程生產(chǎn)中，我們只需模擬出小區(qū)域內(nèi)斷層地質(zhì)概況擬及巷道

9、狀況，因此將場(chǎng)景簡(jiǎn)化為只由直線構(gòu)成的規(guī)則圖形即可。要將場(chǎng)景展示出來，只需將場(chǎng)景表面的、供使用者觀察的那部分表現(xiàn)出來即可，而有些地方需要不連續(xù)或需要單獨(dú)表現(xiàn)的元素，因此我們選擇使用靈活性強(qiáng)大的Triangles類型來對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模，這樣，建模的過程其實(shí)就是將物體表面柵格化的過程。在實(shí)際操作中，由于很多區(qū)域由四邊形構(gòu)成，所以我們先分析構(gòu)成每個(gè)區(qū)域四邊形的信息?，F(xiàn)以下盤開拓時(shí)過斷層巷道角度模擬為例進(jìn)行建模。圖5如圖5所示，這是下盤沿底板施工中遇到正斷層，向上施工尋找上盤底板的示例。其中，構(gòu)成各區(qū)域的四邊形集合如下表所示。分析完構(gòu)成每個(gè)區(qū)域四邊形拓?fù)湫畔⒑?，需要將這些信息組織存儲(chǔ)起來，對(duì)于空間中每個(gè)坐

10、標(biāo)點(diǎn)的空間信息可以使用圖6所示的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行儲(chǔ)存，對(duì)于分析出的四邊形拓?fù)湫畔⒖梢允褂脠D7所示的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行儲(chǔ)存。 圖6 圖7由于Triangles類型支持的是由多個(gè)三角形構(gòu)成的集合，因此還要將劃分的四邊形區(qū)域進(jìn)行柵格化，即將一個(gè)四邊形按照特定的規(guī)則劃分為兩個(gè)三角形。因?yàn)門riangles類型中每個(gè)三角形要使用它自己的索引，因此柵格化完畢后還要將三角形的每個(gè)點(diǎn)的索引按照順序重新命名。柵格化分代碼如圖8所示，索引重命名代碼如圖9所示。圖8圖9柵格化完畢后，建模即完成，使用柵格化形成的三角形集合就可以表現(xiàn)示例中的場(chǎng)景。渲染與實(shí)體創(chuàng)建要將建模的場(chǎng)景形象、逼真的展現(xiàn)出來，還需要對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同顏色的渲染。

11、在本工程中，我們將巖層使用黃顏色來渲染，煤層為使用黑顏色來渲染，巷道頂板、底板、兩幫我們使用紅色來渲染。ArcEngine提供了IGeneralMultiPatchCreator接口來實(shí)體定義法向、材質(zhì)和屬性信息從而創(chuàng)建一個(gè)有紋理貼圖的MultiPatch對(duì)象。其中，IGeometryMaterial函數(shù)用于構(gòu)建渲染的材質(zhì)，在工程中我們使用了外部圖片作為材質(zhì)引用對(duì)象，創(chuàng)建方法如圖所示。材質(zhì)創(chuàng)建完成后，需要將IGeometryMaterial對(duì)象設(shè)置為Triangles屬性。然后將上一步建模中生成的TIN信息賦予到IGeometryMaterial對(duì)象中。最后使用CreateMautipatch方法進(jìn)行創(chuàng)建實(shí)體對(duì)象即可。在此過程中要注意將每個(gè)三角網(wǎng)格區(qū)域的渲染顏色分別設(shè)置。場(chǎng)景模擬當(dāng)場(chǎng)景創(chuàng)建完畢后，我們使用ArcEngine提供的ArcSenceControl控件來進(jìn)行顯示。最終效果如圖所示。開拓信息計(jì)算當(dāng)開拓角度模擬完畢后，還要將相關(guān)的開拓?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出來，以供工程人員進(jìn)行開拓角度的合理行評(píng)定。在生產(chǎn)中通常要