浅谈CGIS系统三维可视化应用

摘要：地测信息系统（CGIS）的研制开发主要包括数据库的建立，图形的生成与编辑，三维模型的建立与应用等内容。其中，数据库的建立涉及煤矿地质、测量、水文、储量数据的采集、计算、查询与报表，它是系统的基础；三维模型的建立是煤矿多层实体模型数据对应与分析的前提；图形的生成与编辑涉及煤矿柱状类、剖面类、平面类、采掘工程类图件等常规图件的自动化生成与整饰，它是成果的最终表现形式。

关键字：地测信息系统（CGIS），数据，三维模型

1 CGIS系统软件的设计思想

CGIS 是交互式图形设计系统移植到PC 机上的二、三维交互式图形设计软件。功能十分强大， 系统命令有所扩充， 是目前运行在PC 机上的档次较高的二、三维交互式图形设计软件。CGIS是一个地勘、地测领域的专业软件， 是一个全软件化设计、功能齐全、高度智能化的地质测量解决方案， 提供从原始数据管理到地测图件自动生成的整体作业流程， 跟随世界先进的图形学算法和处理技术， CGIS创造和运用了大量先进实用的技术， 可以满足地质勘探部门、矿山地测部门对数据管理和生产制图的全部需求。开放的数据交换格式可与其他测图软件、GIS软件等方便地共享数据。

2 系统的功能模块

1）数据库系统：

该系统分为5个子系统测量数据库、岩移观测数据库、地质数据库、水文数据库、资源管理数据库。系统能够实现数据的输人、输出， 并进行分析处理、数据管理、查询、报表生成与输出、为图形系统提取数据。

2）图形系统：

图形系统是以煤炭科学研究总院西安研究院的煤矿地测管理信息系统为基础自行开发的，分为平面图子系统、测量图子系统、剖面图子系统、素描图子系统、小插图子系统、图例库子系统、三维虚拟环境子系统。具有自动生成与人机交互功能， 实现了图形各种比例的任意转换。

平面图子系统：

①读取数据库数据， 按要求自动处理数据与图形， 动态生成和修改图形。

②结合剖面图子系统的数据， 处理煤层底板等高线及储量计算图。

③生成各种等值线图。

④根据素描图子系统的数据， 生成回采工作面地质平面图。

⑤处理与水文地质有关的平面图形， 如充水性图、综合水文地质图等。

⑥为剖面图提取数据。

测量图子系统：

①读取测量数据库数据， 按要求自动处理数据与图形， 动态生成和修改图形。

②处理地形图和工广图， 以及以它们为基础的其它图形。

③生成1：1000，1：2000，1：5000， ， 的采掘工程平面图。

剖面图子系统：

①读取地质数据库数据， 生成地质剖面图。

②结合平面图系统的数据处理勘探线剖面图，预想剖面图等。

③为平面图提取特征数据， 实现平剖面图的互相修改。素描及回采工作面子系统。

④自动生成巷道素描图， 综合柱状图， 并为回采工作面地质平面图形准备数据。

⑤处理包括地质和测量内容在内的回采工作面。

素描图系统子系统：

①能够自动获取巷道、煤层顶底板的数据，以自动生成煤层底板等高线图。

②自动生成工作面综合柱状图，数据来源于地质数据库。

③能够对巷道实测剖面图进行整体裁剪，并自动生成标高线。

小插图子系统：

①为数据库管理信息系统准备各种示意图或特定比例的局部附图。

②用户任意绘制的各种类型示意图。

图例库子系统：

该系统可以管理与制作各类图例，它具有完善的图例、线型（煤炭标准规范）、字体。图例库子系统除了系统已提供的图例外， 用户还可以利用相关的功能自己构造图例。平面和测量等系统所用的图例都来源于图例库系统。

三维虚拟环境子系统：

系统主要利用矿井实际数据，采用虚拟现实技术和各种实体建模技术，构建三维可视化应用，并能够通过与其它系统的接口（如瓦斯监测系统、视频监控、ERP系统等），显示监测、供电等实时数据，浏览、查询井下设备的各种参数和实时状态信息，从而达到无需下井亦可掌握矿井最新生产信息的目的。主要包括工业广场三维可视化、巷道三维可视化、煤层三维可视化、三维井上下对照、基于三维巷道井下监测信息、井巷工程进度可视化、基于三维巷道井下设备三维可视化与管理、三维漫游、三维剖切、三维线路展示以及与ERP系统对接等功能。

主要实现功能：

（1）工业广场主要建筑物、道路、绿地、树木、煤仓、井口等的建模与可视化。

（2）三维地层模型，三维巷道、钻孔、监测点、机电设备、井巷工程的建模。

（3）工业广场与巷道、煤层、钻孔以及回采工作面的三维可视化叠加，即可形成一种新型的井上下对照图，即三维井上下对照图。

（4）三维场景渲染、立体视觉生成、三维场景旋转、平移、缩放及三维场景录制。

（5）地表工业广场及地表漫游，并可实现基于预定路线的漫游与基于Web的工业广场三维漫游。

（6）三维信息查询，包括钻孔、巷道、工作面、实时监测信息的查询。

（7）三维编辑、三维剖切，自动生成符合制图规范的剖面图。

（8）任意区域煤层的储量估算。

（9）基于三维巷道布置图的通风线路、避灾线路、下井路线等展示与模拟。

（10）基于三维巷道布置图的工作面信息动态管理，如回采工作面布置、设备布置等。

（11）基于三维巷道布置图的井巷工程进度可视化管理，可以根据掘进进尺、巷道方位与巷道坡度等数据分段建立巷道几何模型等，实现巷道进度查询等。

（12）基于三维巷道布置图实现监测监控、井下人员跟踪定位、视频监控等信息的集成应用与展示。

（13）基于3D-WebGIS实现管理层的辅助决策应用分析，如监测监控、避灾线路分析等。

2） 三维数据场的可视化。实质上就是三维计算机图形图象绘制与处理技术， 包括三维立体图的自动绘制、真实感图象绘制、空间等值曲面生成技术等。在三维MGIS的研究和应用中， 可视化包括对三维数据本身及处理过程与结果的可视化。其基本思路是， 在三维数据结构的支持下， 通过空间对象的三维表达、数据更新对矿山实体进行构建， 并可对动态演变过程进行模拟。如对地质钻孔数据进行三维可视化时， 首先根据实测钻孔数据建立基于三维矢量数据结构的表达模型， 然后对各岩层界面（ 如煤层顶、底板） 进行内插后用TIN表示。而进行有关的空间分析时， 则可以用三维栅格或八叉树数据结构进行可视化。

3） 虚拟现实。数字矿山中的虚拟现实模拟主要是通过虚拟GIS来实现的， 包括采矿工程规划与管理、采矿过程动态模拟、采矿工艺优化、合理的资源开采方案确定、矿山安全预测、地表采动影响等。