（系统工程专业论文）三维建模技术的研究与应用.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 三维建模技术的研究与应用 专业：系统工程 研究生：吴慧欣 导师：卢才武教授 摘要 三维建模技术的崛起以及虚拟现实技术的出现，为生产设计和创新提供了一种非常好的工 作平台。设计人员可以直接从三维概念和构思入手，通过模型仿真来分析和评价设计方案的可 行性与可靠性。随着三维建模理论的日趋成熟，出现了许多优秀的建模技术与软件，其应用领 域也越来越广泛。然而，由于某些原因，三维建模技术在矿山生产设计中的应用还并不多见。 鉴于此，本文借鉴系统工程的思想，结合前人研究工作中的宝贵经验，针对目前三维建模领域 的现状以及存在的一些问题，综合运用多种数学理论与方法、数据库与图形图像处理技术，对 矿山生产设计中的技术难点矿床三维模型的建立与任意剖面图的剖切进行了研究与尝试， 提出了基于离散算法的三维建模原理和模型交互剖切技术。 论文从工程应用的角度出发，主要进行了以下几个方面的工作： 三维模型的空问数据和属性数据与数据库的相互转换 一基于离散算法的三维建模原理和分歧矿体处理技术 - 基于开放图形库( o p e n g l ) 的模型渲染技术 - 模型交互、剖切原理与算法实现 基于该原理和方法建立的三维模型可用来实珊生产设计可视化、任意方位剖面的剖切、各 种生产指标的精确计算等。该建模方法克服了传统算法建模数据结构过于复杂，交接拼合计算 困难，难于建立模型控制点之间正确的拓扑关系等局限；解决了模型交互、任意剖切等技术难 题，大大方便和简化了三维模型的建立和后续处理过程。 在上述原理与技术基础e ，开发了一套矿床三维模型仿真系统。该三维模型仿真系统完全 实现了各类地贡数据的信息化管理以及矿床模型的自动生成与处理，不仅操作简单，而且绘图 ， l ，计算精度高，具有很强的针对| 生和普遍适应性，为工程设计人员提供了一个新的操作平 台。o 行结果表明该建模方法是高效合理的，具有广阔的应用前景。 关键词：仿真系统计算机辅助设计矿床模型 o p e n ( j lo 眯：c t a r x 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 i h es t u d ya n d a p p l i c a t i o n o f 3 d m o d e l i n gt e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：s y s t e me n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ： w uh u i x i n i n s t r u c t o r ：p r o f l uc a i w u a b s 譬r c i a l o n g w i t ht h er i s eo f3 d m o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo f v i r t u a lr e a l i t y , ap e r f e a w o r k i n gp l a t f o r mi sp r o v i d e df o rp r o d u c t i o nd e s i g n i n ga n dc r e a t i o n u s i n gt h et h r e ed i m e n s i o n c o n c e p t i o n , d e s i g n e r sc a na n a l y z ea n de v a l u a t et h ef e a s i b i l i t ya n d e l i a b i l i t yo fad e s i g n i n gp l a n t h r o u g hm o d e ls i m u l a t i o n w i t ht h eg r e d u a lm a t u r i t yo f 血ct h e o r yo f3 d m o d e l i n g , m a n y e x c e l l e n t m o d e l i n gt e c h n i q u ea n d s o f l w o l ea r ed e v e l o p e da n dt h e i ra p p l i c a t i o nm e g b l x x ) m e sw i d e ra n dw i d e r h o w e v e r , f o rs o m e r e a s o n s , t h e r e h a s b e e n v e r y f e w s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f 3 d t e c h n i q u e i n t h e a 魄 o f m i n i n gd e s i g n b a s e do i lt h ev a l u a b l ee x p e l i e n c eo ft h ep r e d e c e s s o r sa n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n e x i s t i n gi nt h ea r e ao f 3 dm o d e l i n g ，t h i sp a p e rn m k e sar e s e a r c ho f t h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e si nm i n i n g d e s i 蛐旷咄c o n s t r u c t i o n o f m i n e r a ld e p o s i tm o d e la n dt h ee x l r a c t i o no f s l i c e si na n y o r i e n t a t i o n , b ym 地c o m p r e h e n s i v eu s eo fm a n ym a t h e m a t i c a lt h e o r i e sa n dm e t h o d s d a t a b a s ea n dg r a p h i c s p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dp u t sf o r w a r dt h et h e o r yo f 3 d m o d e l i n g b a s e do nd i s c r e t e a l g o r i t h m t h i sc o n c l u d e st h ef o l l o w i n gi t e m s ： - t h e m u t u a l t r a n s f o r m b e t w e e n t h e g r a p h i c s d a t a a n d a t t r i b u t e d a t a o f 3 d m o d e l a n d d a t a b a s e - t h e t h e o r y o f3 dm o d e l i n gb a s e do nd i s c r e t e a l g o r i t h ma n dt e c h n i q u e sd e a l i n gw i t h b i f u r c a t i o no r e b o d y _ t h e t e c h n i q u eo f m o d e l r e n d e rb a s e do n o p e n g l - t h e t h e o r ya n da l g o r i t h mo f m o d e li n t e r a c t i o na n dd i v i s i o n a c c o r d i n g t ot h e s et h e o r i e s , t h eb u i l tm o d e lc a l lb eu s e dt or e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no f p r o d u c t i o n d e s i g n i n g , e x t r a c t i o n o f s l i c e s i n a n y o r i e n t a t i o n a n d p r o d u c t i o n i n d e x c a l c u l a t i o n s t h i s3 d m o d e l i n g m e t h o do v e r c o m e st h el i m i t a t i o mo f t r a d i t i o n a la l g o r i l h mw h i c hi se x t r e m e l yc o m p l i c a t e d , d i f f i c u l ti n c o m b i n a t i o no p e r a t i o n , h a r dt ob u i l dt h ec o r r e c tt o p o l o g i c a lr e l a t i o na m o n gd a t aa n ds o l v e sas e r i e so f t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e ss u c ha sm o d e li n t e r a c t i o nm a dd i v i s i o n t h e r e f o r ei t g r e a t l yf a c i l i t a t e s a n d s i m p l i f i e st h ec o i t i o n a n dp 删s i n go f 3 dm o d e l b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e d t h e o r ya n dt e c h n i q u e , a s i m u l a t i o ns y s t e mo f m i n e r a ld e p o s i t3 d 西安建筑科技大学硬士学位论文 m o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss y s t e mc 锄h e l pt or e a l i z et h es c i e n t i f i cm a r l a g e m e n to f g e o l o g i c a l d a t aa n da u t o m a t i cc o n s l r u c t i o na n d p r o c e s s i n go f m i n e r a ld e p o s i tm o d e l i t so p e r a t i o ni s s i m p l e , d r a w i n g i sc o r r e c ta n d 妇c a l c u l a t i n g p r e c i s i o ni sv e r yh i g h t h e r e i b r ei th a sv 语d e s p r e a da d a p t a b i l i t y a l lt h e s ep m 、i d ea 摅愀o p e r a t i n g p l a t f o r mf o r t h ee n g i n e e r i n g d e s i g n e r s t h er e s u l ts h o w s t h a tt h i s m o d e l i n g m e t h o di sh i g he f f i c i e n ta n dr e a s o n a b l ea n d h a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：s i m u l a t i o n s y s t e m , c a d , m i n e r a l d e p o s i t m o d e l ，o p e n g l , o b j e c t a r x 声明 x 6 1 6 奄8 8 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得熬研究成果。尽我j 瑟懿，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人禚其它单位已 审请学位或荚其它用途使用过的或暴。与鼗一弱工作鲶同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 枣请学位论文与资料棼有不实之处，本人承趣一切糯关 责任。 论文作者签名：善毳，堤目裳：z 乎+ 多莎 关于论文使愚授投的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关傈罄、使用学位论 文靛规定，邵：学校有权傈露送交论文的复印件，兔许论文 被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密翦论文在论文解密后应遵守此翘定) 论文作者签名：关若吹导筛签名：素武嚣麓：州哆g 注：请将此页附在论文首页。 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 1 绪论 随着传统c a d 系统庄工业界应用的普及以及现代设计问题的复杂化、智能化，人们已不 再仅仅满足于用计算机取代手工绘图。所幸随着计算机阁形学、人工智能、计算机网络等基础 技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究应用，使得 c a d 系统电由举纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，几何造型、曲 而造型、实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向发展。这期间出现了询：多创新l 生的理论 和优秀的建模软件，如基于u g 的三维建模理论、影像三维建模理论、v r m l 三维图形通用 标准等，建模软件如3 d m a x 、a u t o c a d 、p h o t 0 3 d 等，大大方便和简化了建模过程。这些新 理论、新技术的出现使得计算机技术在矿山中的应用也越来越普遍，从而使矿山生产和设计自 动化成为可能。美国的m i n t e c 、澳大利亚的s u r p a e 矿用软件在矿山生产中得到了广泛的应用， 取得了空前的成功。近年来，我国一些科技工作者和广大工程技术 、员一直致力于将计算机技 术应用于地质勘探、采矿、生产管理与设计等方面，并取得了一系列的应用性成果，开发了相 当多的c a d 应用及商品化软件。这些软件在实现“甩掉图板”的目标中发挥了重要的作用。 其中，在矿床三维建模方面主要有以下一些成果： ( 1 ) 马鞍山矿山研究院设计开发的矿床模型计算程序。 ( 2 ) 计算机辅助地质绘图，例如工程勘探计算机辅助成图系统，矿山地质c a d 软 件的t o t 带, i 与应用，矿山地质平剖面图自动转换系统研究与应用，( - b 拉格锡矿地 测采综合c a d 应用系统( g m c a d s ) 等等。 ( 3 ) 煤炭科学研究总院目前正在开发的矿区资源与环境信息系统m r e i s ) ) ( 4 ) 计算机在工程地质勘察数据管理中的应用，例如工程勘察数据管理与图像绘制的 微机实现，实现了数据管理与图形生成一体化。 以上这些研究成果，它们大都具有下列优点： ( 1 ) 大多软件都具有友好的界面，通过人机交互来实现图形绘制和指标计算。 ( 2 ) 系统操作简便，速度快，减轻了设计人员的劳动强度，提高了劳动效率。 ( 3 ) 针对陛和专业性强。此类软件大多是针对某个特定的矿山，或者矿山中某个特定的 工程进行设计。 但是，此类软件也有不足和需要改进的地方，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 通用性不强。大多数软l 牛只针对袋个矿山蕊设计，因而很难运用至4 戆别较大、变化 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 复杂的其它霹“山中。 ( 2 ) 建模数据结构复杂，建模过程人机交互工作量大，需要操作人员舆有敬高的专业背 景知谈，在一定程度上制约了系统的捺广使用。 ( 3 ) 对于女蝴瞎0 面图剖切成图的软件，主要针对地质、测量等方面做了一些工作，其结 栗图掇然在一定程度 = 麓满足| 亟蕨、测蹩豹需要，餐没裔缀驽豹群决逮餍平嚣圈释 剖面闰中矿崧界线对比连接的问题。 由于矿滚凑鳖建立过程的复杂毪秘特殊往，嚣前国内的大郝分针j | 矿由生产没诗豹残 用软件，一方面，其设计所需臻的原始地质资料，几乎都是通过数字化仪或者扫描仪得到， 然嚣蒋对这黧平面圈帮音l 西图进行鸯e 工囊b 瑾，逮祥蘸期大量的数据准备工俸雾燃鬻簧手工 来完成，既赞时又费力，体现不出计算机辅助设计的优越性；另一方面，建模原理过于复 杂，难予鼹模型遴 亍交互蘸鞠运算，搽 乍a 灵磐须其螽较离豹专遭知识，这就是为嚣么舔 向矿山企业的生产设计软件不能被广大工程技术人员酱遍接受的原因。 1 2 论文研究的日的意义 在矿由企迎的生产设计中，需要为采矿生产管瑷和设圣 4 瓣供大蘧的、准确酶速蘸寄l 面图和 平面图，这些数据一般是由地质人员根据地质勘探钻孔资料手工绘制钻孔柱状图，再根据钻孔 往状圈中矿石、糟石酶分布情况绘帛途藏劫搽矗瑟餮，然磁禳据采矿设计豹灞要，戮蘧质蘸漾 割面图为基础资料，绘制相应的分段水平平面图和剖面图，同时分别根据测擞人员实际测量得 蜀的采韬工程酌位置数器，在分鬃平面图秘琏质鞠谣蚕上搦绘实溺工程。在上述绘制强释豹逮 程中存在着以下几个问题： ( 1 器麴女l 鏊质图 串在籀绘豹过程中，受客鼹条 孛稻入为影响瓣素较大，容：募产生误差。 ( 2 ) 井下测量数据处理工作量大，不仅要计算处理大量的实测数据，而且还要在各种蛾 矮圈律上绘镲l 实测图传，数攒豹多次爨复抄录容荔发生绫谗转魄瑷象。 ( 3 ) 地质测量人员绘制的分段水平平面图和裔4 面图与采矿设计所需要的平面图和剖面网 豹 l 镶不一致，零豢瓣要逶嚣魄铡足豹交换，不饺费霹费力，霖基瀑差较大、 唆 精度低。 ( 4 ) 工程设诗夫爨麓工露燕重复较多，费辩费力。 ( 5 ) 剖面图剖切人为因素较大，不能实现自动化。 在诗雾翻技术迅速发震匏今天，c a d 软 孛趣鹭遗l 瘦弱列荟令矿出金鼗鹣生产设诗中。各 专业开发了所需的c a d 应用软件，但应用水平发展并不平衡，少数落后专渡影响了矿山企波 王效匏整彝握秀。羁薅，按专业分裂开发及痤瑁麴结果，澎袋了按专韭分塞豹绩患弧避，在这 些信扁- 孤岛之间，信息的传递和交换成为在设计过程中效率较低的瓶颈。为此必须把各类数据 2 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 加以整合，以数据库的形式统一存储，实现信息共享，同时把数据和图形结合起来，实现数据 和图形的互动。 在矿山设计和生产中，传统的c a d 应用软件大多局限于二维平面，图形不够直观。由于 地质工作的复杂陛，地质自动绘图已经成为了制约矿山现代化的瓶颈之一，因此利用先进的计 算机技术进行地质数据的可视化管理，生成人机交互式的三维实体模型已成为必然的趋势，在 实体模型的基础之上，进行任j 菅音0 面图的剖切，观察模型的内部构造、局部信息，并自动生成 用于生产的二维剖面图，这种模拟仿真方法的实现可以给设计人员提供大量的、精确的、直观 的图形数据，从而降低设计人员的劳动强度、提高设计人员的工作效率。 为了减轻采矿设计人员的劳动强度、提高生产设计的工作效率和设计的质量，国内外许多 采矿工作人员和计算机工作者做了大量工作，取得了一些成果：但由于计算机硬件、软件以及 采矿工作的复杂性，至今还没有套比较完善的矿山企业生产设计软件得到广泛的推广应用。 为了推动c a d 技术的全面应用及提高应用水平，使整个地、测、采过程的整体效率达到新的 高度，本论文主要针对三维模型的空间和属眭数据与数据库的相互转换、三维建模技术以及模 型人机交互原理进行了研究，提出了具有一定新意的原始地质数据的存储、管理、整合方案以 及基于离散算法的三维建模原理，从而克服了信息在传输、加工以及再生过程中的瓶颈，全面 提高了设计效率。 因此，作为矿山企业采矿设计自动化系统中的基础环节，本论文研究对于新型矿山企业建 立现代企业制度，利用先进的计算机辅助设计技术，提高设计的现代化水平和设计人员的工作 效率，实现减员增效，提高全员劳动生产率具有很强的现实意义，同时具有重要的理论意义和 实践价值，其主要关键技术的突破，将具有很好的推广价值和应用前景。 1 3 论文的主要研究内容 本论文着重研越于a r x 、m f c 的a u t o c g d 图形数据库存取与转换技术，矿床三维实 体建模技术，模型交互原理以及矿床模型的任意剖切等，以实现矿床模型建立的自动化，为采 矿设计提供准确的地质资料。本论文的主要工作有： ( 1 ) 三维模型的空间数据和属性数据与数据库的相互转换 根据地测数据的不断变化而实时更新三维矿床模型，同时对模型上所作的更新实时写进数 据库，体现模型的动态效果，实现模型的空间数据与属性数据与数据库的统一。 ( 2 ) 基于离散算法的三维建模原理与分歧矿体处理技术 根据模型表面若干个控制点之间的拓扑关系，将模型表面离散化，用小三角形平面逼近模 型表面，建立矿床的线框模型，然后转化为表面模型，加载属性数据后，最终生成矿床的实体 模型。 3 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 ( 3 ) 模型渲染 主要讨论模登渲染技术及箕工佟蘸瑾。褒场景中谨置竞滋，诗雾澈照蔫 孛，设置秘缓颜色 属j 陡，从而对模型潍行各种演染，并结合已知的离散似三角形的几何嫩标，最终生成色彩逼真 翡三缍实体模型。 ( 4 ) 模型交互、割切原理与算法实现 主要讨论壤受鹣各耪变浃( 麓转交换、羧壤交换、乎移交按等) ，经意寒鞭霭豹截切，二 缎剖面图的映射以及各种生产指标的计算等。 踅滋海铁矿位予海j e 餐燃瓣近，矿石晶霞较离，蒡慕条 孛院较好。话统黼出生产设 计主要靠手工来完成，效率低下，糟度不高，而目对矿山生产设计有着重要意义的矿床任意剖 瑟踅窘l 甥润瑟，长斓姨来一矗没有褥至粒琵好豹解决；诗冀瓿投零在矿由生产中豹痤霜大多弱限 于二维平丽图形( 不能生成三维的矿床模型) ，图形处理不够点观，而且图形和数据不自酵有效 靛缝合越来，实凌互羲翡效莱。j | 舞察这些，鄹严重誊雠羞谬。由念整技术莛瑟豹遴程，藏为提离 缀济效益的瓶颈之一。为了把北洛河铁矿建成技术含凝较高的现代化矿山企业，北沼 嗽矿与 磁安建筑瓣按大学联合组成“j 蝴铁雾强嘲信意系统骚究”谋题组，对g 溜溺铁矿篷瓣信息 系统进行深入的科学研究，本论文即是该项目的一个主要部分。 4 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 2 1 系绕可行投分拆 2 系统结构功熊分析 三维嫩模系统的设计是在了解矿山设计技术要求的情况下，以国际、国内和北溜河铁矿设 计规强q 要求为- - k 参照系，在立足成用、强调实孺和兼顾技术先迸往前指导愚愆下进行的，既 有面上的随度，又有点上的深入，因而是切实可行的。 ( 1 ) 技术开发的可行性 本系统从总体框架设计，到分级模块设计，以至廨用系统的规划稚i 垂用了众多的技术和方 法，魏o p e n g l 技零、o b j e c t a m x 技术、面淘对象o o p 技术等。每一释技术褥方法都楚先迸 或较先进的，而且是经过矿山生产实践检验证明是成熟的、可行的。从总体框絮垂4 子模块设计， n n n n - r g 循，赢菇i 藩酸沼河铁矿静实黼。因范酞技术薯巍上漭，该顼嚣豹开发是可行静， 从而保证了该项目能按时完成。 ( 2 ) 经济方覆静霹零j ：往 本系统的规划设计充分考虑了投资规模对于北溜河铁矿孵负两方颇的效益和影响，在保证 矮强缝够j 壤剩实施，蠢置在j 落海铰矿容荔承受豹藏潮内，选择静令较 囊鹃掇资缀。客囊 上讲，北滋河铁矿在三维矿床模型仿真设计方面这笔较小的投资却可以带来很多的经济收益和 章圭会效盏，稠蛰： 1 ) 实现了矿山企业生产设计的可视化； 2 ) 爨囊生成任意方缀静裁瑟鬻，减少了设诗人员豹手工工俸塞，并且强錾绘露l 灌确； 3 ) 耩于三维矿床模型的各类生产指标的计算，与传统方法相比具有较高的精度 4 ) 图形数撂秘数据辫之阙$ l 夏转换，缀太遮方霞了数据熬存麓察查溺； 5 ) 商良好的商业推广价值和厢期效益。 ( 3 ) 数据资糕夔霹获取姓分耩 该项目在开发的过程中，需要大孱的原始地质资料和各种各样的技术参数，需要和工程技 零久员遂 予大量豹交流。为裁，憩溜浞铁矿缀建了专敬罄门，受奏爻我嚣臻黪l j _ 攀实教数据姿瓣 和设计用的技术参数，以保证项目的顺利进行。 ( 4 ) 操作方瑟鳇哥l 了性 本系统在开发的过程中，将同时对技术人员开展系统操作培训，保证系统的实用性，提高 鲻户对本系统的瑾鳃和操佟女l 力。鞭露本方寰具毒缀强的霹撩接牲。 b 彭l 方面的论证结果表明：本系统在披术上得到了充分的支持；在经济方面，投入产出 5 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 的社会效益和经济效益明显；在数据资料和技术参数可获取性方面也得到了充分的保证；在项 目实施的组织保证方面，新系统开发的重要性、必要性已经被北沼河铁矿有关领导高度重视， 为此成立了专职负责课题组。因此项目组有足够的能力和精力保证该项目的按期、保质、顺利 完成。 综上所述，本项目是可行的。 2 2 1 系统设计原则 本系统的设计与开发将依据以下的主要原则： ( 1 ) 分类、叠加、组合原则 对系统功能进行整体分类，实现功能模块化，各模块通过主菜单结合在起，模块之间通 过叠加与组合，派生出一些需要的功能模块。 ( 2 ) 开放性原则 系统在保持其专业j 断独立陛的前提下，还充分考虑了与其他通用c a d 系统之间图形文 件及资源数据之间的共享与交流，系统通过a r x 技术，可以将图形以a u t o c a d 图形文件格 式存储。支持用户通过命令的方式对系统功能进行扩充，允许用户通过数据库、文本文件、交 互方式进行计算机制图。 ( 3 ) 实用性原则 系统在制图过程中，除了支持标准的数学坐标外，还支持其他坐标方式，建模过程也充分 考虑了用户的习惯。 ( 4 ) 先进性原则 在系统开发的全过程中，力求所用到的理论与技术在本行业中是先进的或较先进的，以保 证系统的总体性能和后期效应。 2 2 2 系统总体结构 该系统将输入的各种图形，数据、指令汇集在一起，加以自动分类、整理、分析、储存， 结合建模理论与算法，建立三维矿床模型。在此基础e 对模型进行任意剖切，生成能满足不同 需求的地质剖面图，以及在模型的基础匕进行各种生产指标的计算。 如果按照应用程序的不同层次划分，本系统包括数据处理子系统、模型建立子系统、模型 交互子系统和功能输出子系统四部分，形成图2 1 所示的层次结构。其中，数据处理部分负责 图形数据和属性数据与数据库之间的相互转换以及数据的完整性、一致性、正确性检查，为模 6 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 型建立子系统提供特定格式的数据；模型建立子系统负责三维矿床模型的建立以及模型渲染； 模型交互部分负责对模型进行各种变换、剖切以及各种生产指标的计算；功能输出部分负责以 便于用户理解和接受的方式把结果显示出来。 图2 1 系统四层结构图 本系统的总体结构规划如图2 2 所示 图2 2 系统总体规划结构图 人机接口 后台处理 功能输出 2 3 系统功能分析 本系统是基予图形信息、数据信息和计算枫辅助设计技术的综合应用系统，它鼹主要目的 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 是利用计算机技术实现地质资料的信息化管理和建立矿床三维仿真模型，以及在模型的基础上 进行各种交互操作和指标计算，从而减轻设计人员的劳动强度，缩短设计时间，提高设计效率 和质量，并为下一步生产设计提供准确的图形数据资料。 本系统主要包括以下几个方面的功能： ( 1 ) 原始地质数据信息化处理 利用基于a r x 、m f c 的a u t o c a d 图形数据库存取技术对地质数据进行信息化处理，实 现图形数据和属性数据与数据库的互动，达到模型和数据的动态统一，并为矿床模型的建立提 供原始数据。 ( 2 ) 三维建模的建立和分歧矿体的处理 利用基于离散算法的建模原理建立三维矿床模型，对具有多义生的矿岩界线进行分歧连接 处理。 ( 3 ) 模型渲染 结合o p e n g l 技术进行场景设置：设置光源，计算光照条件，设置材质颜色屙陛，最终生 成色彩逼真的三维实体模型。 ( 4 ) 模型交互与算法实现 对模型进行各种变换操作( 旋转、缩放、平移、透视) ，对模型进行剖切，抽取任意方向 的剖面图，基于模型进行各种生产指标的计算等。 2 3 1 系统的性能要求 该系统性能应满足下面的要求： ( 1 ) 系统操作必须简洁，易于为操作人员理解和使用； ( 2 ) 系统运行的逻辑j 顶序、运行速度等应能满足实用需要： ( 3 ) 系统必须提供后续开发的编程接i z l ，便于系统升级； ( 4 ) 系统应易于维护和管理。 2 3 2 系统的模块与功能 为了实现上述目标，达到项目预定的功能，本着简单、易行、适用的设计原则，本项目的 开发将包括四个子系统的设计和综合集成部分的设计。其中综合集成部分负责各个子系统的调 用、子系统之间的通讯、协调等；这四个子系统分别是数据处理子系统、模型建立子系统、模 型交互子系统、功能输出子系统。这四个子系统可以独立运行，但彼此之间又有密切的联系。 四个子系统所包括的基本模块见表2 1 ： 8 瑟安建筑瓣技大学矮学健论文 曼_ 詈嬲! ! 兰詈曼一目_ 皇! 量嘲黜_ 目! 詈搿删曾皇_ 昔燃皇苎詈驾黼鲁暑! 罡煳鲁置_ 舞燃皇! 兰邕荆阜詈曼鼍燃鲁墨_ s _ _ 墨 表2 。1 系统模块及功能攒述 序号暑统名称箍本模块 髋能描述 铺孔数据簸理 根据钻孔数据圈澎旷岩界线，检溉矿岩 数掭处理予 l数据捡豢爨线的方淘，有薅重积萤点，实现图形 系统 图形和数据库转换 数据和属性数据与数据库的相互转换。 数据准备 在数据处理的基础上，为模型的建立提 模型建立予供特定掇式豹数凝，营走生成线撰模型， 2模鍪l 建立 系统然后进行模型演染，最终生成矿体的三 模鍪! 渲染 缝实钵模型。 模型变换 对模型遴 亍各瓣变换( 平移变换、放缠 模鬟交互_ 孑 3 模型剖切变换、旋转变换) ，音十切，生成各种剖面 系统 攘挥诗雾 图以及生产指标的计算。 阻形输出 4 输出予系统 三l 特定麟式进行强彤窝数据姥赣爨，生 成符合施工设计瓣求的工程图纸。 数据输出 各系统弱穰互关系懿图2 3 掰示： 图2 3 系统间相互关系 9 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 2 3 3 系统的总体功能结构 系统的总体功能结构图如图2 4 所示： 图2 _ 4 系统总体功能结构图 1 0 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 3 1 矿岩界线圈定 矿体圈定是矿山生产设计和地质资料管理中最基本的、最重要的工作之一。矿岩界线圈定 质量的好坏直接关系到生产效益的高低，而且圈定的结果( 地质剖面图，表现为一系列封闭的 多边形) 进行一定的处理转化后，将成为建立三维矿床模型的原始数据。 3 1 1 单项控制工程矿体圈定 对单项工程如钻孔、槽探、坑探等揭露矿体的地质化验数据进行处理，圈定单项工程矿体 范围，一般根据边界品位、最小工业品位、夹石厚度进行圈定。 单项工程矿体圈定的方法为： 当某一个矿样品位大于边界品位时，就可以开始圈定矿体；若将其相邻的一个样品圈进， 目平均品位达到工业品位或边界品位，则圈定为表内矿或表外矿，然后继续寻找相邻近的矿样， 直到没有满足要求的矿样为止，接着再判断组样后的矿体长度是否满足要求，若满足要求就圈 定，否则就舍去，然后继续往下搜索，一直到将整个单项工程的矿样搜索完毕，这样就完成了 单项工程矿体的圈定。 3 1 2 剖面矿体圈定 这部分需要利用人机交互技术圈定矿体边界，需要遵循以下几个原则： ( 1 ) 首先圈定主矿体，后圈分叉矿体； ( 2 ) 表内、表外矿j 奎续出现时，合并其厚度一起外推，然后按表内矿厚度再外推，余者 为表外矿； ( 3 ) 表外矿与废石连续出现时，合并其厚度起外推，然后用围岩厚度外推，剩余者为 表外矿； ( 4 ) 不能与主矿体相连的小矿体，按同样方法外推及合并，但合并长度不能大于最大见 矿厚度。 矿体外准时一般掇据勘探网度嚣旷段长发外推，如网闽躐为1 0 0 米时，矿菠长度小予l o 米，则外推勘探耐嶷的1 ，4 即2 5 米，矿段长度介于1 0 3 0 米，则外推勘探网度的2 ，4 即5 0 米， 矿段长度余于3 0 5 0 米，曼移睡喏蜮网度的3 ，4 即7 5 米，矿段长度大予5 0 米，贝4 外推勘探网 魔的4 4 即1 0 0 米。注意圈定完后的矿体边界线一定要是封闭曲线( 多边形) 。 1 1 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 3 1 3 剖面数据检查 由于矿岩界线圈定的复杂眭，有时圈定的地质剖面图会出现多边形不封闭、边界线的方向 不一致、折迭点、冗余点等现象，不利于后续程序的处理，需要检查剖面数据的有效陛和正确 性。 1 边界线方向检查 矿体边界线必须是封闭的多边形，而且所有的边界线应具有相同的方向( 顺时针或者逆时 针) 。针对边界线不封闭的情况，可利用本系统提供的工具，自动将其封闭。对于边界线上顶 点序的问题，处理算法如下： ( 1 ) 在边界线内任取一点，计算该点与封闭区域各顶点连线所构成矢量的方向角，设其 代数和为a ； ( 2 ) 判断：若旷3 6 0 ，则封闭区域顶点逆时序；如果c t = - - 3 6 0 ，则封闭区域顶点顺时针 序。 ( 3 ) 根据判断结果进行调整。 2 折迭点、冗余点的剔除 由于人为的原因，圈定的剖面图上某些边界线可能会出现如图3 1 ： 图3 1 折迭点边界线 这样的情况在后续的建模过程中，将导致不可预料的结果，而这种由于人为的疏忽引起的 错误很难在调试系统的过程中发现。对于这种情况的处理算法如下： ( 1 ) 读入边界线上相邻两个节点i 和i + 1 的坐标，连为线段，： ( 2 ) 判断线段，与边界线上其它所有相邻两节点所连接成的线段是否相交； ( 3 ) 相交则说明存在折迭点，提示用户确认清除，否则进行( 4 ) ： ( 4 ) 商+ 1 判断节点i 和i + 1 是否与第一次读入的两个节点坐标相同，相同则算法结束， 否则回到( 1 ) 。 冗余点是指对定义一个实体结构不起作用的点，例如，直线实体由两个端点便可定义，端 点以内的顶点便是冗余点。冗余点的出现不仅增大了存储的空间，而且将刚氐后续模型建立的 黻，因此应该剔除。由于某种原因，矿岩边界线上某部分可能是直线或者近似直线，而这 部分边界线上可能含有大量的点实体，对于这种情况的处理算法如下： 1 2 鹾安建筑辩技大学硕士学位论文 ( 1 ) 读入边界线上相邻两节点i 和i + 1 的坐标，作赢线z ( 2 )判断节点i + 2 是磷近钕在直线z 上，如果在，贝惕4 除节点i + l ，否则进行( 3 ) ； ( 3 ) i = i + l ，舞颧节点i 帮i + 1 是否与麓一次读入静i w i 节点坐棘稠溺期霜簧l 算法结素， 否则回到( 1 ) 。 总之，基于一雠原理和方法对地质剖筒数据进行全面检查，更正由于人为或其它原i 圈导致 懿巯忽，不仅可戳减少数据豹存绩空阑，瑟曩将使螽续模蹙装建立或梵一令乎稳豹过疆。 3 2a a t o c a l ) 图形数据的获取 在矿由企救中谗多遗曩炎瓣，翅缝痿妻覆数据、逮爨警嚣数撂等，大多帮是瑷a u m c a d 图形文件的格式存在，但是盔建立矿床模蛩时，所要求的地质数据般以数据库酌形式存储， 因此地质资料预处理的重点也就是怎样将a u t o c a d 图形文件中实体数据转化成数据库文件 掺式。鉴于此，笔者结合开发地测c a d 系统的经验与体会，提出了一 蟋尾m f c 、a r x 耪数撬唪技术逡行a u t o c a d 阑彩数据耨数辩窿捂互转换豹方法。该方法不汉可方便麓熬幅图 形进行批量转换，也可以对特定的图元进行转换，为矿床模激的建立提供了强大的数据库支持。 3 2 1 基于a r x 於a u t o c a l ) 诗算机辕助设谤软传 a u t o c a d 怒由美国a u t o d e s k 公司开发的通用计算机辅助设计软件。翻前广泛应用于机械、 建筑、g i s 、设镛管理、电学与电子学、多媒体等领域。e b r 于其是通用软件，因此在实际的应 用中逶霉要避露二次开发。a u t o c a d 提供了a u t o l i s p 、a d s 、a r x 等淘褒式编程谗言，爱 户可以利用这些编程语言进行二二次开发，扩充a u t o c a d 的劝能。a u t o l i s p 是一种解释獭语言， 利用它可以很方便地给a u t o c a d 增加新命令。a u t o l i s p 通过内部进程通讯( i p c ) 与a u t o c a d 避行通讯。a d s 是尾c 语言编写的应用稷序，它作为外部函数加载到a u m c a d ，溢要由 a u t o l i s p 簿释嚣来谣飘它瞧是遥遥狂米和a u t o c a d 邋讯，它翻与a u t o c a d 是籀艇分离 的过程，如图3 + 2 所示。 图3 2 a r x 、a d s 、a u t o l i s p 与a u t o c a d 的关系 a r x ( a u t o c a dr u n f i r n ee x t e n s i o n ) 是可编译的c + + 程序，与a d s 不同的是，a r x 以 1 3 瑟安建筑辫技丈学硬士学位论文 动态链接库( d l l ) 的形式与a u t o c a d 共察地址空间，嶷接调用a u t o c a d 的核心醋数，并 露盔菠谤润a u t o c a d 图形文 警( 螽鸭) 。与蔫涎者程魄，a r x 速度受浚、运行更稳定，并撬 高了开发效率。用户还可以强原有a r x 系统上增加新的类，实时扩展原有类的函数。 3 2 2a u t o c a d 麓彭数据结梭 a u t o c a d 图形数据文件( d w g ) 被定义为a c d b d 砒a b a s e 类的对辣，其中对象怒以层次 缩沟组织起来的，如图3 3 所示。层次对象之间是包含和被包含的关系。集合的根是图形数据 露( a c d b d a t a b a s e ) 对象；爨二层包菇块表、层表等簿号褒鞋及字典、缀翻x r e c o r d ，禳为容 器对象( c o n f i n e ro b j e c t ) ，容器对象包雷了其链对象；第三层块表记录、层表记录、其他符 号表记录，其他对象在命名对象字典( n a m e do b j e c td i c t i o n a r y ) 中：第四层为具体内窬，所 蠢实传信息被瓴含在其记录中。 t i c d b d a t a b a s e 一一一歹夕” ll a y e r b l o c k it a b l et a b l e o t h e rs y n * b o ln a m e do b j e c t t a b l e s d i c t i o n a r y l l a y 。e rt a 。b l e b l o c kt a b l eo t h e rs y m b o l lg e c o r dr e c o r dt a b l er e c o r d o t h e ro b j e c t e n t i t y 图3 3a u t o c a d 图形数据结构 3 2 3 图形数据岛数据库的转换 利用m f c 、a r x 和数据库相结合的技术进行a u t o c a d 图形与数据库间相互转换。转 换原理如下：酋赫佣a r x 技术抽取a u t o c a d 图形中各个基本实体的属性信息，通过a d o 、 o d b e 将这些倍息写进数据库，实现a l 砖o o d 图形数据到数据库的转换；反过来，首先从数 据痒读舞羧豢，褥秘霜a r x 技术对图形避行绘裁显示，实糯数据库至0 恕黯0 0 t d 图形豹转换。 转化关系如图3 4 所示。 1 4 磷安建筑辩技大学硕士学位论文 图3 4a u t o c a d 黼形数据和数据库转换关系 众舞愿翔羌谂多复杂麓a m o c a d 工粳匿罄楚瀣a u t o c a d 篓零窦髂滋 子各耱缀食嚣 俄，因此实现a u t o c a d 图形文件向数据库文件的转化，只需实现辑种基本实体的相互转 鬣露霹。藤实瑗蕊零实嚣襁互转他豁关键是粳握答瓣基本实薄豹特性设计会瑾翁数据蓐 袭，以存储基本实体的各种必要的属性，然后设计读写函数接口，实现从a u t o c a d 图形 文终中读敬基本爽俸溪缝并写避鼗擐疼表。这稃当及a u t o c a d 阉鼯文静囱数据露文侮转 化时，只黼遍历例夥文件中所有基本实体，然后调用所设计的函数将基本实体的所需属性 焉囊薅瘦懿表墨辩霹。下越鞋2 d p o l y l i n e s 基本实髂为霸寒说甍其体静方法步骤： ( 1 ) 对应2 d p o l y l i n e s 基本实体的数据库表凝汁。针对2 d v o l y l i n e s 实体设计了两个 数据痒表，一个耀来存德2 d l o b ，l i n e s 实体靛整体瘸往，郄 2 d p o l y l i n e s = p o l y n u m b e r e l o v a t i o n t t 畦c k n e s s c l o s e d p o l y 2 d t y p e c o l o r l a y e r l i n e t y p e ) ； * 2 d p o l y t i n e s 蜜体壤号$ ， * 2 d p o l y l i n e s 实体高度聪性值 ， * 2 d p o t y t i r e s 实体浮赛瞩性售， * 2 d p o l y l i n e s 实体封闭憔属性值。， * 2 d p o t y l i n e s 安髂类型蕊 * 2 d p o l