小煤矿简易三维建模的研究

摘要：结合目前小煤矿较少应用数字矿山软件进行开挖和管理的情况，本文提出一种低成本易构建的小煤矿简易三维建模思路。

关键词：三维建模 SketchUp 虚拟钻孔 矿井巷道

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0143-01

1 引言

我国南方小煤矿众多，煤层地形地貌较复杂，钻探施工条件差，大多煤矿层深埋于地底层且煤层薄，地质构造复杂，开采成本大[1][2]。在煤矿应用三维可视化建模方面，也只是重在研究，真正应用三维地质建模进行开发管理的煤矿企业比不多，特别是小型煤矿三维快速建模的应用是当前三维建模研究的盲区。国外在三维地质建模方面的软件开发与应用上起步早，如加拿大的MicroLYNX和Gemcom，澳大利亚的Surpac和Vulcan，以及英国的Datamine。国内也开发了以3DMINE和DataMINE为代表的矿山三维软件。本文提出基于Google SketchUp 8（以下简称SketchUp）快速构建小煤矿简易三维模型。

2 SketchUp建模特点

传统建模中的模型位置和属性必须要准确地定义，严重影响了初期设计的灵活性和创造性。SketchUp是面向设计方案创作过程的设计工具，它利用二维或三维模型来搭建我们大脑中的生动场景，与设计师构思草图相似，因此也称草图大师。SketchUp与Google地球完美结合，可以将SketchUp 制作的三维模型直接输入到Google地球。SketchUp内置了在线3D模型库和Google地球，用户可以免费下载共享的模型，减少设计时间[3]，用户还可应用Google地球进行地理位置建模。

3 小煤矿建模流程

点线面是构建三维模型的基本元素。本文的点为勘探钻孔点和巷道中心点，线为矿井巷道分布网络，面即是地质结构分布图。在小煤矿三维可视化建模中，首先用勘探钻孔确定地质构造平面图。南方复杂地质造成煤矿钻孔勘探成本也比较大，可以在勘探中使用真实钻孔结合虚拟钻孔技术来判断煤层地质分布情况，绘制煤层地质分布图。虚拟钻孔是由工程人员根据经验和相关勘察结果作出推断，实现其对三维地层模型精度的控制[4][5]。

（1）在小煤矿矿井的三维建模中，巷道是最重要的部分。在巷道中，每隔一段距离选择样本巷道截面。根据巷道截面顶部中心位置确定为巷道上中心坐标点，巷道截面底部中心位置确定为巷道下中心坐标点，在巷道上中心坐标点和下坐标中心的中间位置确定为巷道中心坐标点。巷道转折处的钻孔取样要密集些，缩减建模误差，提高建模精度。由巷道中心点按顺序连接形成巷道二维线状平面图[0]，即巷道脉络线。在巷道脉络线上创建巷道横截面图形，通过SketchUp的推拉功能创建巷道三维立体体。矿井巷道横截面形状一般可分为圆拱巷道、梯形巷道、圆形巷道。小煤矿井下巷道较小且结构简单，但延伸比较复杂。

（2）本文选取某地小煤矿分布区域作为试验对象，收集的原始数据包括二维平面图、煤层地质分布图、DEM、地形图、Google地球上实验区域的影像数据、实景环境照片和巷道照片等。使用AutoCAD分别创建井口、巷道截面、通风口、巷道接口等二维模型文件。使用Firework等软件将照片处理成符合要求的图像。

（3）将AutoCAD平面图导入到SketchUp中进行三维建模，导入前需要删除高程、标注等干扰图层，确保AutoCAD和SketchUp单位设置的统一。使用SketchUp对矿井口、巷道、巷道接口等实体进行三维可视化建模，同时对三维模型进行优化处理，综合得到小煤矿三维模型，通过将三维模型与DEM和DOM处理后得到的集成模型。对模型贴图的纹理既可选择SketchUp自带材质纹理，也可选择真实的照片纹理或者Google地球影像图。通过VRay for SketchUp渲染器将煤矿三维模型进行外观材质渲染，导出三维模型。

至此，已经完成小煤矿的简易三维建模全部步骤。在实际应用中，我们还可以根据需要结合其他辅助软件在三维建模不断扩展功能，如在矿井巷道布设视频监控系统、应用瓦斯传感报警器设备以及延伸数字煤矿可视化管理的功能。

4 结语

SketchUp重在构思设计，支持与多种三维辅助设计软件协同工作，相对于其它软件更易学，操作更简便。利用SketchUp创建的三维模型可在Google地球网络平台上进行展示，为三维软件的应用提供了新的思路，但是生成的图像不够细腻光滑。最新版AutoCAD等软件可能会出现打不开SketchUp导出文件的现象，此时需要安装稍低AutoCAD版本就可以使用。

参考文献

[1]高扬文.中国小煤矿问题的来龙去脉（上篇）[J].煤炭经济研究，1999，06：4-7.

[2]金戈，童有德.从实际出发，促进南方煤矿的发展[J].煤炭科学技术，1993，05：25-28.

[3]马素颜，吴建平，周美娟，胡天硕.SketchUp构建GIS三维模型方法研究[J].计算机与信息技术.2008，9：16-18.

[4]张渭军，王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究[J].大地构造与成矿学，2006，01：108-113.

[5]孙红梅，贾瑞生，王萍.基于钻孔数据的地层三维可视化改进算法[J].测绘科学，2008，No.15303：85-86+61.