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矿山巷道三维自动建模技术研究

作　者: 陈良周
导　师: 王建华；方源敏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 矿山巷道 三维 自动建模 空间分析
分类号: TD263
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着矿业的发展,“数字矿山”(Digital Mine,简称DM)的相关理论与技术日益受到采矿行业的关注。MGIS作为GIS在矿山生产管理方面的一个应用分支,是构建DM的重要组成部分,也是DM信息与决策的载体,旨在通过提高矿山生产的信息化程度来提高作业效率,降低生产成本。面向21世纪的MGIS应该是一个能为采矿行业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的复杂GIS。在具备3D虚拟现实、3D空间网络分析、多目标决策分析等基本3D GIS功能基础之上,它还应该实现辅助勘探、交互式采矿设计与规划、实时开采模拟、资源动态管理、生态恢复和矿区可持续发展决策等功能。目前国内外均未有一套完整的真3D矿山地理信息系统,众多矿业软件还停留在CAD辅助建模与三维可视化的阶段,其空间分析与辅助决策能力十分有限。巷道作为采矿生产中为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等而掘进的通道,其网络结构纵横交错,几何关系相当复杂。三维巷道模型构建理论与技术的研究是建立MGIS的重要组成部分,也是构建数字矿山的基础。本论文基于前人的研究成果,首先对已有的3D GIS模型进行了研究,针对矿山巷道特点选择面模型作为巷道3D建模的数据模型。在此基础之上,采用面向对象的建模理论与技术对巷道网络进行了建模。巷道网络被分解为一条条独立的巷道,然后再将每条独立巷道又分解为一段段笔直的巷道段,利用构成巷道段的两个相邻巷道段断面构建TIN模型。最终将它们组合在一起构建完整的3D巷道模型,并处理它们之间的三维空间拓扑关系。在建模过程中,本文不但深入分析了3D巷道建模相关的理论与算法,而且结合巷道模型的特点总结出了一个“基于相邻断面约束的三角网生长法”,并利用该方法构建三维巷道模型的TIN模型。在理论分析与算法研究基础之上,结合某矿山“矿山地理信息系统的设计与构架”的横向项目,利用由矿山提供的CAD数据提取巷道中心线数据以及断面数据,采用标准C++实现了整个建模过程。建立三维巷道模型后,本论文选择GDAL/OGR将模型数据存储为Shapefile格式,以便于利用ArcScene等3D GIS软件对建模结果进行检验。最后,利用OpenSenceGraph,一个基于OpenGL的3D软件API,对3D巷道的可视化、空间查询分析、剖面分析等做了进一步的研究与探讨。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 研究背景  8
  1.2 国内外研究现状  8-11
    1.2.1 DM与MGIS研究现状  8-10
    1.2.2 巷道建模研究现状  10-11
  1.3 研究的意义  11
  1.4 本文研究的主要内容  11-13
第二章 空间数据模型与建模技术  13-27
  2.1 空间建模方法  13-15
    2.1.1 基于面模型的3D空间建模  14
    2.1.2 基于体模型的3D空间建模  14
    2.1.3 基于体面混合的3D空间建模  14-15
  2.2 空间建模的原则  15-16
  2.3 巷道模型的选择  16-17
  2.4 巷道段的建模方法研究  17-25
    2.4.1 不规则三角网生成算法分析  17-18
    2.4.2 基于相邻断面约束的三角网生长法  18-25
  2.5 小结  25-27
第三章 巷道三维模型的建立  27-53
  3.1 巷道数据的特性  27-28
  3.2 巷道三维建模  28-52
    3.2.1 巷道建模基本思路  28-29
    3.2.2 基础类建模  29-34
    3.2.3 巷道网络建模  34-36
    3.2.4 巷道断面建模  36-42
    3.2.5 巷道段建模  42-46
    3.2.6 巷道建模  46
    3.2.7 巷道模型的交汇  46-52
  3.3 小结  52-53
第四章 巷道模型的存储与可视化  53-60
  4.1 巷道模型的存储  53-54
  4.2 巷道模型的可视化  54-58
    4.2.1 OpenGL和OpenSceneGraph  54-55
    4.2.2 模型的显示  55-58
  4.3 小结  58-60
第五章 巷道模型的空间分析  60-65
  5.1 空间查询  60-62
    5.1.1 创建射线  60-61
    5.1.2 碰撞探测  61-62
  5.2 剖面分析  62-64
    5.2.1 剖面分析的原理  62-63
    5.2.2 剖面分析的实现  63-64
  5.3 小结  64-65
第六章 结论与展望  65-67
  6.1 结论  65-66
  6.2 展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
附录  72

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山设计与建设 > 井巷工程 > 巷道设计与施工
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