煤矿虚拟现实系统三维数据模型和可视化技术与算法研究

论文摘要

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近十多年来发展起来的高新技术，被称为二十一世纪对人类有巨大影响的十大高新技术之一。目前，已被广泛的应用到军事、航天、建筑、医疗、娱乐等领域，在国外，在煤炭领域也得到一定程度的应用，但在国内它在煤炭领域的应用却刚刚起步。虚拟现实技术是以计算机图形学、图像处理和模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理和高性能计算为基础的非常复杂的技术系统，如果没有有效的应用开发工具，这项技术的应用是难以想象的。矿山是一个真三维地理／地质环境，所有的煤矿生产均是在地下进行的，要真正实现数字矿山，那也应是真三维的，即必须以三维地质体和巷道模拟为基础。煤矿虚拟现实系统是利用VR软硬件设备，根据煤矿地层数据、巷道数据、钻孔数据和图像数据模拟出包括煤矿各种自然实体和人工实体在内的三维空间，使用户在其中可以自然地与各种虚拟实体进行交互。本文将虚拟现实技术与相对传统的煤炭行业相结合，对煤矿虚拟现实系统的三维数据模型和相关技术进行了研究，基本开发出煤矿虚拟现实系统的原型系统，为我国煤炭行业信息化建设进行了尝试。本文的主要研究内容如下： (1) 分析了国内外煤矿虚拟现实系统的研究现状，指出了目前的研究存在的主要问题，并提出了相应的对策； (2) 利用小型航摄数码相机进行了近景和低空摄影测量试验，实现了大比例尺测图的全数字摄影测量，有望成为矿区大比例尺测图和地表数字高程模型的主要数据获取方式。 (3) 提出了一种基于顶点组删除同时考虑特征线和三角形形态比最大的三角网模型简化方法，并设计了相应的算法，实现了基于TIN模型的实时连续多分辨率绘制。 (4) 系统研究了各种三维地质体的建模方法，提出了一种基于多层TIN生成煤矿地质体的三维数据模型，并设计了相应的数据结构，给出了多层TIN生成煤矿三维地质体的算法步骤，实现了煤矿地质体的三维模拟。同时对复杂地质构造的处理进行了研究，实现了地质体沿任意层面剖切。 (5) 仿照信息系统中弧段节点的数据结构，将巷道分为巷道体和巷道节点，利用三维矢量的表面模型(线框模型)建立了巷道体和巷道节点的三维模型，并设计了相应的数据结构。 (6) 对煤矿虚拟现实系统进行了总体设计。针对我国矿山计算机应用的实际水平和煤层开采条件，将系统定位于：从底层开发基于PC机的，具有三维建模功能的桌面式煤矿虚拟现实系统。整个系统由四大模块组成：数据库管理、巷道控制、煤层DEM控制和视图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 虚拟现实技术在矿山领域中的应用研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文研究的意义及主要内容
• 1.3.1 论文研究的意义
• 1.3.2 论文研究的主要内容
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 三维地形建模及可视化研究
• 2.1 数字高程模型及其数据获取技术
• 2.1.1 数字相机检校
• 2.1.2 数字近景摄影测量
• 2.1.3 数字航空摄影测量
• 2.2 三维地形生成及实时显示技术研究进展
• 2.2.1 三维地形简化技术
• 2.2.1.1 离散LOD模型
• 2.2.1.2 连续LOD模型
• 2.2.1.3 多分辨率模型
• 2.2.2 数据调度与三维地形简化相结合的处理技术
• 2.2.3 地形纹理数据的组织与应用技术
• 2.3 构建TIN模型的优化准则与三角形剖分算法
• 2.3.1 三角形剖分及优化准则简述
• 2.3.2 三角形形态研究
• 2.3.3 基于最大形态比优化原则的三角形剖分算法
• 2.3.3.1 初始剖分
• 2.3.3.2 部分优化
• 2.3.3.3 记录整理
• 2.3.4 考虑特征线及优化原则的TIN构网算法
• 2.4 地形及地层面TIN模型的多分辨率表示和可视化研究
• 2.4.1 基于顶点删除的TIN模型简化算法
• 2.4.1.1 算法设计思想
• 2.4.1.2 数据结构
• 2.4.1.3 模型数据预处理
• 2.4.1.4 局部三角化方法
• 2.4.2 地形TIN模型的动态可视化
• 2.4.3 地表建筑物的三维建模
• 2.5 本章小结
• 第三章 煤矿地质三维模型和数据结构研究
• 3.1 煤矿三维地质体对象的特征
• 3.2 三维数据模型研究进展
• 3.2.1 基于面表示的三维数据模型
• 3.2.2 基于体表示的三维数据模型
• 3.2.3 基于混合结构的三维数据模型
• 3.2.4 三维地质建模软件及关键技术
• 3.2.4.1 国内外三维地质建模软件综述
• 3.2.4.2 关键技术问题分析
• 3.3 煤矿地质体三维建模的设计思想
• 3.3.1 地质界面建模
• 3.3.2 地质体建模
• 3.4 煤矿三维地质体的数据结构
• 3.4.1 钻孔点的数据结构
• 3.4.2 三角形边的数据结构
• 3.4.3 三角形的数据结构
• 3.4.4 三棱柱侧面四边形数据结构
• 3.4.5 三棱柱数据结构
• 3.4.6 地质体数据结构
• 3.5 多层TIN模型生成煤矿三维地质体的算法
• 3.5.1 确定矿区的综合地层顺序
• 3.5.2 钻孔数据插值
• 3.5.3 地层三角剖分处理
• 3.5.4 构建地质体
• 3.6 复杂地质构造处理
• 3.7 本章小结
• 第四章 煤矿巷道三维建模与数据结构研究
• 4.1 巷道空间数据的获取与组织
• 4.1.1 巷道的分割与编码
• 4.1.2 巷道空间数据采集
• 4.2 巷道体的三维建模
• 4.3 巷道节点的三维建模
• 4.4 巷道几何建模中空间坐标的转换
• 4.5 巷道体和巷道节点的数据结构
• 4.5.1 预备类
• 4.5.2 巷道体类和巷道节点类
• 4.5.3 巷道拓扑结构的建立
• 4.5.4 巷道属性建库
• 4.6 煤矿井下设备和巷道内部设施建模
• 4.7 本章小结
• 第五章 煤矿空间分析算法与可视化研究
• 5.1 地质体剖切算法及可视化
• 5.1.1 切割点求解
• 5.1.2 似三棱柱剖分
• 5.1.3 剖切算法
• 5.1.4 剖切算法的实现
• 5.2 基于OpenGL煤矿三维模型动态显示
• 5.2.1 OpenGL概述
• 5.2.2 OpenGL的特点和功能
• 5.2.3 OpenGL的图形处理流程
• 5.2.4 基于OpenGL进行三维模型生成和动态显示
• 5.2.5 实现三维模型实时交互显示的方式
• 5.2.6 Windows环境下OpenGL程序框架
• 5.3 煤矿三维模型可视化
• 5.3.1 煤矿三维地质体重构及可视化
• 5.3.2 煤矿井下巷道重构及可视化
• 5.3.3 巷道内部设施重构及可视化
• 5.4 基于拓扑关系的巷道突水分析及动态显示
• 5.5 本章小结
• 第六章 煤矿虚拟现实系统的总体设计与实现
• 6.1 系统定位
• 6.2 系统总体设计
• 6.2.1 系统设计原则
• 6.2.2 系统总体设计
• 6.2.3 系统流程图
• 6.2.4 系统模块设计
• 6.3 原型系统VRMine的实现
• 6.3.1 系统界面
• 6.3.2 系统主菜单和工具栏
• 6.4 系统的主要功能实现
• 6.4.1 数据库管理
• 6.4.2 煤层DEM控制
• 6.4.3 巷道控制
• 6.5 矿山资源查询和分析
• 6.5.1 矿山资源三维空间查询的两种方法
• 6.5.2 巷道属性的查询
• 6.5.3 巷道的突水分析
• 6.5.4 巷道的通风模拟分析
• 6.5.5 巷道设计
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 进一步的研究和展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢