网络环境下煤矿三维建模及可视化关键技术探讨

伴随着GIS向三维化、网络化方向发展,网络三维GIS成为GIS研究领域的一个研究热门。利用雷达、遥感、钻井、矿山丈量|教学论文网|等手段获得的各种矿山地学信息,通过GIS等技术建立三维矿山空间地学模型,进行地学模拟,并利用可视化技术以图形图像方式逼真再现三维地质实体和矿山井巷工程,进行科学分析、决策规划、指导生产,有利于改善勘探地质信息质量,深入研究和分析地学问题的内在规律,提高矿山安全生产能力和科学管理水平。而基于动力学的地下水、煤矿瓦斯事故的三维模拟仿真建模方法与三维模拟仿真系统,能再现煤矿瓦斯事故的发生发展过程,为安全教育培训提供感性熟悉及技术支撑。本文以煤矿地下巷道为研究对象,针对煤矿三维巷道建模中存在的主要问题,从满足煤矿3DGIS的功能需求角度对煤矿地下巷道的数据模型、建模方法以及模型的空间分析应用进行了研究,主要包括以下内容:(1)详述了巷道体三维建模的关键技术。根据井下不同形状巷道的几何空间特征,确立了以空间点、线、面为基本图元建立巷道三维模型,利用巷道中心线作为三维模型构建的基础框架的技术路线。给出了直线段巷道计算和弯道巷道的特征点的三维坐标的计算方法。为实现巷道模型图形外观上的光滑,提出了适用于巷道等宽采用圆弧插值光滑和适用于巷道宽度不等Bezier曲线插值光滑的两种处理算法。(2)通过建立“结点-弧段”的数据结构来反映巷道系统是一个三维网络空间域的特性,同时,“结点-弧段”也是实现交叉网络相互贯通的判定依据。提出了独立巷道和交叉巷道的建模方法,运用图形的集合交、并运算实现巷道底面、顶部圆曲面及侧边的贯通。最后给出了三维巷道体自身的拓扑关系及与地质体间的拓扑关系,这些拓扑关系为三维模型应用及空间分析奠定基础。(3)可视化方面研究了空间变换的理论基础、基于管线渲染机制的数据流组织、三维交互拾取和基于Alpha颜色混合的透明显示等内容。通过建立索引缓冲区来组织地质巷道数据以及地质封闭体正反面剔除关键算法两种方法来提高三维场景的渲染速度。最后给出了一个可自由扩展的视点射线三角面重心求交拾取操纵的计算方法。(4)WEB3D信息发布主要研究了基于纯服务器三维场景引擎和基于客户端插件(Applet)本地三维引擎这两种技术的实现。通过研究Ja3D的图形系统中场景的空间数据组织结构,建立了可揭层显示的三维场景空间数据组织结构。设计了Web三维地质巷道Servlet服务引擎。系统实现了场景三维图形的天生|教育论文网|和离屏渲染以及响应客户端三维交互(图形变换、三维拾取)等服务引擎。利用Ja数据序列化的功能,为客户端提供三维图形数据和数据通讯引擎。给出了根据Session机制实现多用户并发处理的解决方法。利用WT‐ExtAPI实现客户真个|教学论文范文|Web架构。最后给出了可交互型的富客户真个|教学论文范文|Applet程序的实现。(5)设计了C/S和B/S两种模式的系统总体结构和功能模块的划分,对论文中提出的地质巷道三维集成模型进行了应用研究,实现了集成模型的构建、交互可视化、剖切、及巷道救援路线最优路径决策等功能。【关键词】：三维地质模型巷道模型三维可视化Ja3DA*算法
【论文提纲】：摘要8-10Abstract10-12第一章绪论12-231.1论文的研究意义12-131.2研究现状13-211.2.1国内外数字化矿山研究现状13-141.2.23DGIS系统软件研究现状14-161.2.3相关技术研究现状16-211.3已有研究存在的不足211.4课题来源与主要研究内容21-23第二章矿井巷道Brep三维模型23-602.1巷道三维形体特征描述23-292.1.1巷道分类及几何特征23-272.1.2巷道的数据表达27-292.2巷道三维Brep模型的构建29-492.2.1巷道特征点的计算29-362.2.2独立巷道模型36-442.2.3交叉连接巷道模型44-482.2.4巷道断面相异的模型构建48-492.3巷道模型三维拓扑49-532.3.1巷道拓扑的分类49-502.3.2巷道结点的天生|教育论文网|50-512.3.3结点—弧段拓扑51-532.4巷道三维模型的实现53-582.4.1实现流程532.4.2数据结构53-572.4.3功能算子57-582.5本章小结58-60第三章三维巷道交互与可视化60-843.1三维图形变换60-653.1.1图形平移及缩放60-613.1.2投影变换61-633.1.3基于四元数的旋转交互63-653.2Ja3D图形系统65-713.2.1Ja3D虚拟场景空间数据组织66-673.2.2视模型67-683.2.3Ja3D几何体及属性类库68-713.3Ja3D中巷道图形绘制的数据组织71-743.3.1顶点及索引数组71-733.3.2实体正反面剔除73-743.4材质和光照处理74-793.4.1光源设置74-763.4.2材质设置76-783.4.3顶点法向量计算78-793.5纹理贴图793.6三维拾取算法79-823.6.1三维空间点与屏幕拾取点的映射关系803.6.2三维视点和拾取点组成的射线矢量的计算80-813.6.3射线三角面相交算法81-823.7本章小结82-84第四章巷道We63D信息发布架构84-1064.1服务器端三维图形引擎84-1004.1.1JaServlet开发原理84-874.1.2Web三维巷道Servlet引擎87-944.1.3三维图形数据通讯引擎94-964.1.4多用户并发操纵处理96-1004.2客户端三维图形交互100-1054.2.1Ajax异步通讯技术100-1014.2.2GWT–EXT客户端Web架构101-1034.2.3客户端对三维场景图像浏览的操纵103-1044.2.4富客户端Applet三维图形浏览104-1054.3本章小结105-106第五章基于巷道三维模型矿井事故仿真的研究106-1225.1图的搜索的实现106-1145.1.1数据驱动搜索和目标驱动搜索106-1085.1.2启发式搜索108-1145.2巷道事故救援路线的决策114-1175.2.1矿井巷道结构抽象化114-1155.2.2最优救护路线代价因素的选择1155.2.3估价函数的确定115-1175.3矿井事故模拟仿真117-1215.3.1粒子系统117-1195.3.2粒子系统模拟矿井事故119-1215.4本章小结121-122第六章系统实现与应用122-1336.1实验系统设计122-1256.1.1系统开发环境1226.1.2系统总体结构设计122-1236.1.3系统功能描述123-1256.2系统主要功能实现125-1306.2.1系统主界面125-1266.2.2三维巷道模型126-1276.2.3三维巷道交互可视化1276.2.4三维巷道周游127-1286.2.5瓦斯突失事故仿真128-1296.2.6矿井突水事故仿真129-1306.3模型的应用功能130-1326.3.1基于GIS双向查询1306.3.2巷道救援仿真130-1326.4本章小结132-133第七章总结与展望133-1357.1论文总结133-1347.2主要创新点1347.3进一步工作与展望134-135参考文献135-140作者简历攻读博士学位期间完成的主要工作140-141致谢141