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《解放军信息工程大学》 2010年
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网络环境下煤矿三维建模及可视化关键技术研究

章冲  
【摘要】: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点。利用雷达、遥感、钻井、矿山测量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认识及技术支撑。 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3D GIS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断依据。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作的计算方法。 (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Java3D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生成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Java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实现客户端的Web架构。最后给出了可交互型的富客户端的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。
【学位授予单位】:解放军信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP391.41

【引证文献】
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【参考文献】
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