一、三維可視化建模技術

目前存在的三維數據模型，從幾何特征上主要分為兩類類：表面模型和體模型。表面模型側重于三維空間實體的表面表示，能夠以較小的數據量準確地表示復雜的實體形態(tài)。面模型主要有不規(guī)則三角網（TIN）、邊界表示模型（B-Rep）、數字高程模型（DEM）、NURBS曲面模型等。體模型將空間區(qū)域分解為一組基本單元，每個體元具有已知的大小、位置和屬性。體表示的模型可以表示非均勻對象的內部屬性變化。體模型主要包括：構造立體幾何模型（CSG）、柵格模型、八叉樹模型（Octree）、四面體模型（TEN）等。礦山三維建模軟件中多采用不規(guī)則三角網面模型，將離散點按照一定的規(guī)則構造成不規(guī)則的三角網面片，用來表示礦體、巷道等三維空間實體的表面。

二、巷道三維建模原理

巷道三維模型的建立需要空間的巷道底板中心線和平面上的巷道斷面線，在底板中心線的不同位置計算得到空間的巷道斷面線，然后通過三角化得到巷道三維表面模型。

1.巷道斷面

通過所提供的巷道斷面類型和尺寸，計算平面上的斷面，為巷道寬3800、墻高1800的半圓拱斷面。需將其轉換為一條用一系列點表示的閉合線，半圓部分按照相同的圓心角轉換為等長的折線。圓心角越小則線段越多，從而建立的巷道三維模型精度越高，一般轉換為8段即可滿足可視化的要求。

2.巷道三維模型

建立巷道三維模型的第一步是將平面上的斷面經過坐標轉換放置在底板中心線的各個點，然后通過表面重建算法在斷面之間形成一系列三角形。巷道底板中線上的斷面具有相似的幾何形狀和相同的頂點個數，因此巷道三維模型可以采用三角形條帶作為其數據結構，三角形條帶是一組相互連接的三角形，相鄰的兩個三角形有一條公用邊，因為不用重復存儲三角形頂點，三角形條帶比三角形列表要節(jié)省內存且效率更高。如圖2所示，為利用三角形條帶建立巷道三維模型。

三、Web3D技術

實現通過瀏覽器查看和操作巷道三維模型需要進一步利用Web3D技術。Web3D技術有多種解決方案，VRML是最早出現的Web3D技術標準，2000年之后VRML轉換成X3D，加入XML、JAVA、流技術等先進技術，具有更高效的三維計算能力、渲染質量和傳輸速度。隨后出現諸如Cult3D、Viewpoint、Shout3D和Java3D等網絡三維圖形技術軟件和開發(fā)工具包。Web3D技術的實現主要包括三維建模、圖形顯示以及三維場景中的交互技術三部分。因此，本文利用Dimine數字礦山軟件，建立巷道三維模型，然后將其轉換為開放源格式的HSF流文件實現模型的網絡發(fā)布。

1.HSF流文件

HSF是在OpenHSF中心的倡議下，全行業(yè)努力建立的一種通用開放格式，用于不同應用程序之間的可視化數據交換。通過支持HSF格式，應用程序能夠與其他支持HSF的應用程序交換2D/3D模型。使用HSF格式作為巷道三維模型網絡瀏覽的文件格式，其優(yōu)勢主要表現在豐富性、高壓縮性、穩(wěn)定性及開放性和擴展性。HSF規(guī)范支持一套完整的2D、3D、光柵和文本基元，還支持用于流式傳輸的多分辨率對象和大型模型的可視化。HSF支持文件范圍和特定幾何形狀的壓縮機制，能夠減少文件的大小和互聯網傳輸時間，從而使其更加易于流傳輸。HSF隨著時間的推移保持相對不變，因為其獨立于應用程序并且具有內置的可擴展性。HSF的可擴展性通過使用語法擴展機制和一套.hsf文件讀取規(guī)則提供，未知的語法擴展會被忽略。例如，在.hsf文件中添加的新操作碼，會被舊版本HSF讀取程序忽略。

2.HOOPS3D流控件

經過文件格式轉換后的巷道三維模型HSF文件通過HOOPS3D流控件實現三維模型的網絡發(fā)布，其流程如圖3所示。HOOPS3D流控件是在HOOPS3D框架上開發(fā)的基于ATL創(chuàng)建的ActiveX控件，封裝了HOOPS視圖和模型對象，不僅支持HSF流文件，還包含多種場景交互方法。HOOPS3D流控件嵌入在網頁中，然后通過JavaScript等腳本語言設置控件屬性和處理事件，用戶通過IE內核瀏覽器訪問含有該控件的網頁時，自動下載安裝控件，即可通過空間顯示巷道三維模型并進行交互。

3.巷道三維模型的網絡發(fā)布

設計網頁時，在網頁中添加相應的代碼嵌入HOOPS3D流控件和三維模型的HSF流文件，并通過JavaScript腳本語言設置相應屬性來實現。可以設置的屬性包括交互方式、顯示對象、選擇對象顏色、鏡頭、渲染以及動畫等屬性。

四、教學模型實例

1.底板中心線矢量化及坐標調整

將采區(qū)巷道布置平剖面圖掃描成位圖圖像格式文件，然后在AutoCAD中以光柵圖像的方式插入，選擇水平或垂直的線作為校正線對位圖進行校正，在AutoCAD中利用描圖的方法繪制底板中心線。在AutoCAD中繪制的底板中心線是平面圖形，而巷道建模所需的是表示巷道真實位置的空間線，因此，需做進一步調整。將AutoCAD文件導入Dimine軟件中，利用軟件提供的線編輯命令結合剖面圖，首先對上山的坡度進行調整，然后調整相應的水平巷道、聯絡巷和車場等巷道。

2.建立巷道三維模型

利用Dimine軟件提供的巷道斷面設計功能模塊，提供巷道斷面參數建立不同類型的巷道的斷面，見圖4。分別為每種類型巷道的底板中心線選擇相應類型和尺寸的巷道斷面，利用巷道建模功能建立巷道三維模型，并在相應位置進行文字標注，如圖5為模型中區(qū)段運輸平巷和上山的位置。建立的巷道三維模型進一步通過前文所述方法嵌入網頁，如圖6所示，為通過瀏覽器訪問包含單一煤層走向長壁采煤法上山采區(qū)巷道布置三維模型的網頁。

五、教學效果

在三維模型應用與采礦工程專業(yè)課程的教學中，通過真實表達的巷道空間位置以及相互之間的關系，增強學生的接受度和對知識的理解能力。此外，通過隨時瀏覽器訪問巷道三維模型所在網頁，對模型進行交互式操作，提高學生學習興趣和對知識的復習效果。實踐表明，三維模型及其網絡發(fā)布為教學提供了可視化的教學資源，提高了教學效果和質量，并能夠實現教學資源的共享。

作者：荊永濱 單位：河南工程學院安全工程學院