煤矿虚拟现实系统三维数据模型与相关技术研究及实践.pdf

18 3 qn 磊翮煤矿虚拟现实系统三维数据模型与相关技术研究及实践专业名称；大地测量学与测量工程研究生姓名：冯永玉导师姓名：王宝山教授河南理工走学二o o 五年六月摘要捅晏煤矿虚拟现实系统是利用v R 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做出了一点贡献。本文主要研究了以下七个方面的问题：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；研究了目前各种T I N 的生成方法，在逐点插入法的基础上充分利用数据库的特点，通过鼠标点取和从数据库提取数据两种方式实现了T I N 的生成及其二维显示与可视化，同时给出了向T I N 中添加特征线的算法步骤；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T I N 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T I N 生成煤矿三维地质体的算法步骤，同时对复杂地质构造的处理做出了讨论；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)分别对它们建立三维模型，并设计了相应的数据结构；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P c 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D E M 控制和视图；对传统的插值方法各种特征作系统的分析，利用动态V o n o r o i 图改进了传统的距离倒数加权法，并改善了曲厦磨光算法、K r i n g 插值算法的实现方法；实现了一个原型系统V R M i n e。选择了V i s u a lc+6 O 和O p e n G L 作为煤矿虚拟现实系统的主要开发工具，基于w i n d o w s 平台进行开发工作，实现了总体设计中的各个功能模块，并在一些煤矿进行了应用，取得了很好的效果。关键词：煤矿虚拟现实系统不规则三角网三维数据模型三维数据结构插值算法A b s 订a c tR _ e s e a r c ha n dP r a c t i c eo fC o a lM i n eV i r t u a lR e a l i t yS y s t e mT b r e eD i m e n s i o n a lD a t aM o d e la n dC o I r e l a 土i o nT e c h n i q u e sA b s t r a c tC o a lM i n e r t u a lR e a l 姆S y s t e m(C M V R S)i sah 唧a n-c o m p u t e ri n t e r a c t i v es y s t e mm a tu t i l i z c s s u a lR e a l i t y(V R)h a r d w a r e(k v i c e sa n ds o 行w 盯et om o d e lt h r e e-d i m e n s i o n a lc o a l 埘n cs p a c e，、脚c hi n c l u d e sa Ul【i n d so fn 咖a 1e l 衄i e sa n dm a n u a le m i t i e si nc o a lm i n e I n 仳ss p a c eu s e r Sc a l ln a n l r a l l yi n t e r a c t 埘mv i 咖a le n t i t i e s T bc o n t r i b u t et 0t I l ed i g“a l i z a t i o no fC h i n e s ec o a lm i n ci n d 咖，l i sp a p e ra p p l i e sV Rt o 仃a d m o n a lc o a lm i n ei n d u s t r ya n dt a k e sc o m p r g h e n s i v er e s e a r c ho n3 Dd a t am o d e la n do m e rt e c l l l l i q u e so fC M V R S n l ef o l l o w i n gs e v e nq u e s t i o n sa r em 如1 yd i s c u s s e di nm i sp a p e r：1 h ep r e s e tr e s e a r c hs t a t u So nc M V R si s 锄m y z e di nt l l i sp a p e r T h em a i l lp r o b l e m sa r ep o i n t e do u ta n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d ss o l v i n gm e s ep r o b l e m sa r ea l s op r o p o s e di nt h i sp a p e LS t u d y i n ga 1 1 1 ec u r r e n tg e n e r a t i o nm e t l l o d so fT I N，t h ep a p e rr e a l i z e st l l eg e n e r a t i o na I l d 们s u a l i z a t i o no fT I No nm eb a s eo fi e n t a li I l s e n i o nu s i n gd a t a b a 8 ea n dm o u s ep i 出n g，a z l dp f e s e n t s 吐地d t e t i co f a d d i n gf 毫a t u r el i n e s 幻T I N s t u d y i n ga l lm o d e l i I l gm e m o d so ft h r e e-d i m e n s i o n a lg e 0 1 0 9 i c a lb o d y；t h ep 印e rp o i n t so n et h r e e d m e n s i o n a l d a t am o d e lo fg e n c r a t i n gm i n eg e 0 1 0 9 i c a lb o d yo nt h eb a s eo fm u l t i p l a y e rT I N，a 1 1 dd e s i g n sm ec o r r e S p o n d i n gd a t as 仃1 l c t u r e，a I l dp r e s e n t st 1 1 ea r i t h l e t i co fg e n e r a t i n gm i n et h r e e d i m e n s i o n a lg e o i o g i c a lb o d y、v i t l lI r m I 邱I a y e rT I N，a n dd i s c u s s e st 1 1 ed i 印o s a lm e 也o do fc o I n p l i c a t e dg e 0 1 0 9 i c a ls，C m c t u r e I m i t a t i n gt h ea r c m o d ed a 衄s m l c t u r eo fi n f o m a d o ns y s t e m，t h ep 印e rd i v i d e st h e1 a n e w a yi r l t ot h el a n e w a yb o d ya n d 廿1 e1 a I l e 啪yn o d e，a 1 1 dr e s p e c t i v e l yb u i l d st h e i rt 1 1 r e e d i m e n s i o n a lm o d e l su s i n gm r e e d i m e n s i o n“v e c t o rs u r f a c em o d e l，a I l dd e s i g 璐t h e i rc o r r e s p o n d i n gd a t as 臼c t u r e s T h es y s t e md e s i g nf o rc M V R si sd i s c u s s e dm 也i sp 印e LT om a t c ht l l er e a l1 e V e lo fC h i n e s ec o m p u t e ra p p l i c a t i o no nc o a lm i n e，t 1 1 eo b j e c to f 也es y s t e mi sa河南理工大学硕士学位论文D e s pC M V R S，u d l i c hi sb a S e do nP Ca n dh a s 也r e e d i m e n s i O n a lm o d e l i n g 矗1 c t i o n T h ew _ h o l es y s t e mi n c l u d e sf o u rm o d u l e s，w h i c ha r ed 缸a b a s em a n a g e m e n t，l a I l e w a yc o n 舡o l，c o a l1 a y e rc o n 仃o la I l dv i e、矾(9A n a l y z i n ga l It 王1 ef e a t u r e so f 廿a d i t i o n a li I l t c r p o l a t i o nd e t a i l e d l y，廿1 ep a p e ri m p m V e st r a d i 廿o n a lw e i g h 廿n gm e m o do fr e c i p r o c a ld i s t a n c eu s i n gd y n 锄i c、，0 n o r o ip i c t u r e，a n da l s oi m p r o V e s 也ei 1 p l e m e n tm e 血o d so fc u r v es u r f a c ep o l i s m n ga r i 吐1 m e t i ca n dK r i n gi n t e 印o l a t i o na r i 也m e t i c Ap r o t o t y p es y s t e m，n a m e dV I 洲血e，i sd e v e l o p e di n t h i sp 印e M 血d e v e l o p m e n tt o o l sf o rV I 洲岫a r e s u a lC+，w h i c hi so b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl 锄g u a g e，a I l dO p e n G L，w l l i c hi s 印p l i c a 廿o np m 舯mi n t c 出c ef o rt h r e e d i m e n s i o 砌乒印h j c n l ed e v e l o p m e n to p e r a t i o ns y s t e mi sM i c r o s o f tW i n d o w s A I lm o d l l l e si n 也es y s t e md e s i g na r er e a l i z e di nV R M i I l e T h es y s t e mh a sb e e nu S e di ns o m ec o a lI n i I l e 鼬da c h i e v e ds o m eg o o de f f e c t s K e y、o r d s：C o a lM i n eV i r t u a lR e a l i t)，S y s t e mt h r e e d i m e n s i o n a ld a t am o d e li n t e r p 0 1 a 廿o na r i m m e t i ct r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t、v o r km r e e d i I n e n s i o n a ld a t as 订1 l c t L l r e河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：蜀垂玉劲萨阳)日河南理工大学学位论文知识产权声明书本入完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大卷学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阕学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：芝刍赶础婢月1 日指导教师签名墨霆占沙砖年0 只fB1 绪论1 绪论1 1 概述矿山地理信息系统(M i n eG e o g r a p h i c a lI n f o r m a t i o ns y s t e m，M G I S)是将G I S应用于矿山的区域性G I S，利用G I S 的强大地质分析功能和辅助管理决策功能，为矿山设计、规划、开采、防火救灾以及矿区的可持续发展提供强有力的工具，为领导的决策和正常的生产服务m。矿山的地质现象(地质体)、人造工程，如矿体、地层、断裂、钻孔、井巷、采空区等，都是三维空间实体。二维和基于D E M D T M的2 5 维G I S 都难以表达复杂的地下三维地质与工程问题，难于对矿山的真三维实体进行空间分析，如复杂矿体、断层、褶皱等不连续体的真三维建模、地质体任意剖面生成、三维可视化等问题。真三维地质模拟、地面地下工程的空间整合分析以及三维动态模拟等问题，已成为G I s 的技术前沿和攻关热点。如何对这些多维空间数据进行有效的集成管理、动态处理和时空分析，已成为国内外学术界和应用部门面临的一大难题n，。矿山信息化建设要求开发具有三维特征的、适应于矿山与地质领域的G I S 系统，并以矿山信息系统为突破点开展三维G I S 系统研究。我国有数千个矿山和数百个从事地质勘探与研究的单位，若不开发拥有自主版权的矿山地质三维G I S 软件，将是非常被动的，人们应在这一领域有所作为。然而，矿山与地质领域的三维G I s 产品，国内外的研究尚不成熟。因此在处理她质、矿山等领域的空间对象时将受到很大的限制。解决这一问题的关键是建立三维G I s 及进行真三维地质模拟(T h r e e d i m e n s i o n a lG e 0 1 0 9 i c a lM o d e l i n g，3 D G M)。三维G I S 的理论研究与产品开发都处于探索与实验阶段，众多学者对此做了较深入的研究，取得了一定的成果，但目前还未开发出一个真正基于三维模型的G I S 系统。因此研究开发基于真三维的G I S 系统具有十分重要的意义m。自然地质现象(地质体)可以归纳为面状构造、线状构造和体状构造。面状构造主要有层理(地层面)、节理和断层面(断裂)：线状构造包括呈线性构造以及各种平面的交线，如褶皱的枢纽和线理等；矿体则是富集某些矿物成分的岩石体。作为表达三维地质现象的3 D G M 来说，主要考虑的地质现象为地层(包含褶皱)、断裂(包括断层、节理)和矿体。作为人为地质现象，主要考虑井巷工程m。3 D G M 就是为了解决地质领域中遇到的三维问题，如三维地层、断裂、矿体和巷道的真三维动态显示、剖面的生成、三维巷道的空间拓扑分析等问题而提出来河南理工大学硕士学位论文的。3 D G M 由加拿大s i m o nw H o u l d i n g 于1 9 9 3 年首先提出。其含义是一门运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学可视化技术来对地层及其环境信息进行真三维再现和可视化交互的科学与技术*，。人们在矿山生产活动中已经积累了大量的三维原始数据，如：(1)矿山巷道导线数据、地质观测点资料、矿山工程平面图、井上下对照图等。其中，矿山领域的巷道导线是典型的三维矢量数据，地质观测点的位置、所测岩层产状数据是三维的，矿山工程平面图所反映的岩层、矿层、断层、巷道的空间位态是三维的；(2)地质钻孔柱状图、剖面图、平面图。地质勘探中，地质钻孔岩芯、测井曲线和由此制作的钻孔柱状图、地质剖面图、平面图所反映的地层、断层之间的空间位态和空间关系都是三维的；(3)地震勘探线剖面图。人工地震勘探剖面所反映的地下不同物理界面的时间相位剖面可换算成这些界面的深度剖面，由此而拟合出来的物理界面的曲面是三维的m。现在的商业G I s 产品大多还是二维或2 5 维的，已经面世的商业G I S 产品还没有哪一个是真三维的。国内外一些G I S 软件已经具有2 5 维的三维模型表面和三维景观模型的能力，但还不是真三维的，它们对于垂直向上两个以上的采样值或界面无法处理，无法迸行切制剖面、三维查询、三维分析等真三维操作，这使得矿山、地质、环境、城市、气象等众多领域的三维原始数据的价值不能得到充分利用，三维信息处理受到严重制约，使G I s 在这些领域的应用受到很大限制，G I s先进的空间信息管理工具在这些领域没能发挥应有的效果，延缓了这些领域科学与技术的进步。真三维的G I s 涉及到众多应用领域，对这些领域的科学与技术进步有巨大的牵引作用。三维G I S 平台比二维或2 5 维G I S 平台具有更强大的生命力，能够支持更广泛、更深入的应用。研究能有效地处理三维信息的真三维G I S平台是G I S 学科义不容辞的责任，也是G I s 学科发展的新的生长点。1 2 煤矿虚拟现实系统的研究现状从2 0 世纪8 0 年代中后期，虚拟现实技术已经开始走出实验室，进入实际的应用阶段，并在军事、航天航空、医疗等领域发挥了重要的作用。与这些领域相比，煤炭行业由于资金等条件的限制，其虚拟现实应用研究显得比较滞后，一直没有能够得到人们的重视。直到2 0 世纪9 0 年代中后期，随着煤炭行业信息化程度的提高，国内外的研究人员才逐渐认识到虚拟现实技术在煤炭行业的重要性，2l 绪论并在理论和实际应用方面做了探索性的研究m。1 2 1 国外的研究现状相对于国内而言，国外一些发达国家如美国、加拿大、英国和澳大利亚等国的矿山信息化程度较高，矿山虚拟现实应用研究起步也比较早。由于安全问题在矿山管理中的重要地位，因此利用虚拟现实(v i s u a lR e a l i t y，简称V R)技术进行矿山安全培训就成为了国外V R 矿山应用的一个重要方向，不少公司推出了他们的虚拟矿山培训软件。B i s e(1 9 9 7)认为V R 技术用于矿工安全培训是将学习过程扩展到了三维，并且将多种感知引入其中，是真实的危险培训环境的一个有效和安全的替代品。另外，B i s e 认为，作为一个新矿工的培训系统，V R 技术根据真实情况虚拟出的矿山环境，能够给矿工带来近乎真实的体验。B i s e 还分析了矿山应用中。v R 硬件设备的性价比问题。他认为价格问题应该是要首先考虑的问题，矿山应用不必要向航空、航天领域那样耗费巨资。，。D e n b y(1 9 9 9)介绍了英国诺丁汉大学的A I M S 在虚拟矿山安全培训方面所傲的工作。A I M S 的研究人员对矿山危险认证和风险评价进行了系统的研究，建立了风险评价模型。在此基础上，开发出了拖车危险认证系统、安全检查培训系统、矿山事故培训系统等。A I M s 的工作表明风险评价建模技术具有很大的潜力，同时也表明低成本的V R 系统完全能够承担矿山安全培训的任务m。在矿山安全培训方面，国外已经出现了一些优秀的产品，如v R C o a l，S a f e v R和V R O O M。V Rc o a l 是美国5 D T 公司的产品之一。5 D T(F i t hD i m e n s i o nT e c h n 0 1 0 9 i e s)公司是一家专门从事V R 训练模拟软件开发及相关硬件设备研制的高科技公司，其涉及的应用领域主要包括航空、国防、高压线路检查、工业制造、医疗、虚拟地形及矿业等。V RC o a l 主要用于采煤机的操作培训。V RC。a 1 可以构建比较真实的采煤环境，为用户提供了采煤机、梭式矿车、采煤工作面、煤层、煤层顶底板的三维模型；另外，为了加强培训的真实性，V Rc o a l 为用户提供了声音效果，这些声音是在真实的采矿环境中录制的，并进行了混音处理。v Rc o a l 使用户可以按照真实的操作面板对采煤机进行虚拟控制，如采煤机的前进、后退、对齐煤层、装车等。当采煤机遇到不同岩性的岩石时，采煤速度会自动改变，如遇到焦变煤时会加速，遇到岩石时会减速等。V RC o a l 可以保存学员的培训曰志，供教员在评估培训效果时参考。以决定该学员是否达到培训要求。由于y RC o a l 可以提供较为3l 绪论并在理论和实际应用方面做了探索性的研究“1。1 2 1 国外的研究现状相对于国内而言，国外一些发达国家如美国、加拿大、英国和澳大茅亚等国的矿山信息化程度较高，矿山虚拟现实应用研究起步也比较早。由于安全问题在矿山管理中的重要地位，因此利用虚拟现实(V i s u a lR e a l i t y，简称v R)技术进行矿山安全培训就成为了国外v R 矿山应用的一个重要方向，不少公司推出了他们的虚拟矿山培训软件。B i s e(1 9 9 7)认为V R 技术用于矿工安全培训是将学习过程扩展到了三维，并且将多种感知引入其中，是真实的危险培训环境的一个有效和安全的替代品。另外，B i s e 认为，作为一个新矿工的培训l 系统，v R 技术根据真实情况虚拟出的矿山环境，能够给矿工带来近乎真实的体验。B is e 还分析了矿山应用中，v R 硬件设各的性价比闯题。他认为价格问题应该是要首先考虑的闽题矿山应用不必要向航空、航天领域那样耗费巨资“，。D e n b y(1 9 9 9)介绍了英国诺丁汉大学的A I j【I S 在虚拟矿山安全培训方面所做的工作。I M s 的研究人员对矿山危险认证和风险评价进行了系统的研究，建立了风险评价模型。在此基础上，开发出了拖车危险认证系统、安全检查培训系统、矿山事故培训系统等。A I M s 的工作表明风险评价建模技术具有很大的潜力，同时也表明低成本的v R 系统完全能够承担矿山安全培训的任务“，。在矿山安全培训方面，国外已经出现了一些优秀的产品，如V R c o a l，s a f e v R和V R 0 0 M。v Rc o a l 是美国5 D T 公司的产品之一。5 D T(F i t hD i m e n s i o nT e c h n 0 1 0 9 i e s)公司是一家专门从事v R 训练模拟软件开发及相关硬件设备研制的高科技公司，其涉及的应用领域主要包括航空、国防、高压线路检查、工业制造、医疗、虚拟地形及矿业等。V Rc o a l 主要用于采煤机的操作培训。v Rc o a l 可以构建比较真实的采煤环境为用户提供了采煤机、梭式矿车、采煤工作面、煤层、煤层顶底板的三维模型；另外，为了加强培训的真实性，v Rc o a l 为用户提供了声音效果，这些声音是在真实的采矿环境中录制的，井进行了混音处理。v Rc o a l 使用户可以按照真实的操作面板对采煤机进行虚拟控制，如采煤机的前进、后退、对齐煤层、装车等。当采煤机遇到不同岩性的岩石时，采煤遽度会自动改变，如遇到焦变煤时会加速，遇到岩石时会减速等。V Rc o a l 可以保存学员的培训曰志，供教员在评估培训效果时参考，阻决定该学员是否达到培训要求。由于V Rc o a l 可以提供较为培训效果时参考，以决定该学员是否达到培训要求。由于v Rc o a l 可以提供较为河南理工大学硕士学位论文真实的虚拟采煤环境，对硬件的要求也不高(可以在微机上对学员进行培训)，在近两年内已经有4 0 0 多名矿工用该系统进行了培训，是一个虚拟矿山机械操作培训的成功范例。S a f e V R 是英国诺丁汉大学A I M S 研究所的研究人员开发的安全培训V R 软件包。s a f e V R 可以训练学员正确判断险情并作相应的处理。在s A F E V R 中，每一类险情和一个用户自定义的查询列表相关联。用户可以让学员指出一种险情并选择最佳的解决方案。如果用户认为这种方法过于简单，也可以采用更加正规的险情评价体系。例如，用户可以定义自己的列表并创建一种险情。在s A F E V R 中，用户还可以为每一类对象关联声音，声音是根据险情的存在与否而定的(如管道泄露会发出“咝咝”的响声)。S A F E V R 不仅使创建虚拟的培训环境变得容易，它也易于学员使用。键盘，鼠标，或者仅仅是一个操纵杆就可以在虚拟环境里漫游，还可以用鼠标或触摸屏来排查险情。排查险情的结束并不意味着学习过程的结束，系统提供培训课程的全面总结。学员可以看到所有他所遗漏的险情，并可以让程序给出它们的位置。对于每一个险情，都有附加的文件与其相关联。当学员要求得到任一险情的其它信息时，不同的多媒体文件(声音、录像、文本等)，甚至其它的应用程序，能够自动地显示或打开。V R 0 0 M 是A I M S 的研究人员开发的另个软件，主要用于矿山机械设备的操作培训方面，如采掘机的使用，拖车的实时驾驶等。V R 0 0 M 创造了大量的虚拟矿山模型，如矿山表面纹理、卡车、托运线路、钻机、推土机、索斗铲、维修车、矿山工人等，以便完成虚拟环境的创建。V R 0 0 M 具有如下功能：可以导入数字高程模型或者地表和地下矿坑的线框模型；用真实的地表纹理选择性地绘制地表；从三维对象库中添加植被或矿山地形；导入或者数字化道路，并可添加活动物体，如拖车、推土机等；设置交通工具的属性；为固定的视点位置设定坐标。一旦完成了虚拟环境建模的工作，用户便可以进入虚拟环境，在地表或地下飞行、行走或者驾驶车辆。用户可以使用键盘、鼠标或者操纵杆来操纵方向，在与其它车辆相遇时，还会有逼真的声音效果。E a r t h w o r k s 公司是澳大利亚的一家地质矿业软件公司，其研究人员开发了一套I n T o u c h 的矿山虚拟环境系统软件(图卜1)。I n T o u c h 从其它系统中导入各种不同来源的矿山地质对象和人工物体，用以构建矿山虚拟环境。I n T o u c h 所导入的地质对象有地形、矿体、断层面、矿坑设计、钻孔、地震剖面等；人工物体有建筑物、办公设备、家具、车辆、采矿机械设备、地表景观物体(树木、草地)等。4l 绪论I n T o u c h 具有虚拟地表飞行的功能，用户可以在系统中自定义飞行路径；同时，用户可以乘坐虚拟车辆进行地表漫游。在I n T o u c h 中，用户可以通过切换视图的方式查看不同的地质对象，并且通过查询的方式与地质对象进行交互。为了加强虚拟环境的真实性，I n T o u c h 采用了纹理映射、透明、雾化等图形学技术。图卜lI n T o u c h 软件运行界面F i g 1 11 1 1 em n i n gi n l e 由c eo f t h e I n T o u c hs a 脚a r c澳大利亚联邦科学与工业研究组织(c s I R 0)下的矿业工程研究组(c s I R Ol I l i n eE n g i n e e r i n gG r o u p)也对虚拟现实技术在煤炭行业的应用进行了探索性的研究。矿业工程研究组曾经先后承担了两个具有连续性的科研项目，研究开发一种他们称为“交互式的、四维计算机可视化交流技术，使该技术能够集成钻探、三维地震、地质和矿坑设计数据，以用于地下煤矿煤层开采条件和地质扰动的评价、预测和交流”。该研究机构分别于1 9 9 8 年和2 0 0 0 年提交了科研报告(s m i t ha n dc a r i s，1 9 9 8，2 0 0 0)，其最终研究成果体现在他们所开发的虚拟煤矿环境系统的原型V i r t u a lM i n e 上。V i r t u a lM i n e 是一个将各种不同煤矿数据进行集成和可视化显示的平台(图5河南理工大学硕士学位论文卜2)。通过v i r t u a lM i n e，用户可以直观、立体地观察数据及其相互之间的关系。v i r t u a lM i n e 采用J a v a 和v R M L 进行开发，利用w e b 技术进行发布，因此用户可以通过网页浏览器N e t s c a p e 直接访问虚拟煤矿环境，便于数据共享和用户操作。V i r t u a lM i n e 不进行具体的虚拟环境建模，所有的数据均在其它软件如M i n e s c a p e、V i r t u o z o、G e 0 1 0 9 e 中进行处理，然后使用第三方的软件进行格式转换，输入到V i r t u a lM i n e 中。图卜2V i r t u a lM i n e 软件运行界面F i g 1-2T h en l n n i n gj n t e r f h c eo f t h ev i r t u a lM i n es o f h v a r e由国外的研究现状可以看出，虽然以A I M S 为首的国外研究机构在矿山虚拟培训方面取得了大量的成果，但在煤矿虚拟现实系统方面的研究尚处于初级阶段，还需要在理论上和实际应用过程中不断完善。另外，目前出现的矿山虚拟现实系统软件如I n T o u c h 和煤矿虚拟环境系统软件如V i r t u a lm n e 还存在很多缺陷，主要表现在这些软件缺乏独立建模的功能，模型需要从其它地质矿山软件系统中导入，给模型的生成和更新带来了一定的困难。61 绪论1 2 2 国内的研究现状与国外的煤矿虚拟现实应用研究相比，国内的研究存在着明显的差距，尚处于理论探讨阶段，没有出现像I n T o u c h 和V i r t u a l 舭n e 这样的系统1。张瑞新(1 9 9 8)介绍了A I 粥将虚拟现实技术应用到在采矿工程中的研究成果，并介绍了A I M S 的研究人员开发的房柱式开采模拟V R M I N E 系统、电池式机动矿车F s V 的运行模拟系统以及露天矿革斗一卡车工艺系统的模拟系统，显示了虚拟现实技术在矿业中的广阔应用前景“”。张瑞新等(1 9 9 9)对虚拟现实在矿山安全工程中的研究进展进行了综述，从应用虚拟现实技术进行矿山生产环境的风险评价、进行矿山工作人员的技术培训、进行事故调查以及进行矿井火灾和瓦斯爆炸研究四个方面介绍了A I M S 的研究成果。毛杏飞等(1 9 9 8)介绍了美国宾西法尼亚大学利用虚拟现实技术培训矿工的研究成果，并从矿山系统设计、矿山施工工艺、矿山爆破工程、矿山管理、矿山培训和特殊采矿环境等方面对虚拟现实技术在我国矿业中的应用前景进行了展望，认为虚拟现实技术的应用在以下四个方面对我国矿业有重要的意义：虚拟现实技术将改变矿山传统的设计模式，取代或作为现有模式的辅助工具，缩短矿山设计周期：虚拟现实技术将加快矿山连续采矿及自动化的进程；近期内的应用虽然不会降低采矿的成本，但是随着技术的成熟，虚拟现实技术将会大幅度的降低未来矿山的运作成本：虚拟现实技术是未来海洋与太空采矿的指导技术。李珍香等(2 0 0 0)对虚拟现实技术在煤矿安全中的应用进行了研究，认为“现有国内的安全技术及工程的各种理论技术已经相当丰富并且还在不断发展，但虚拟现实技术作为一门新技术在煤炭行业的安全技术中的应用研究可以说还是个空白”n“。王玉怀等(2 0 0 1)认为目前虚拟现实技术在矿业中的应用主要体现在六个方面：在矿井设计和优化中的应用，包括露天煤矿设计和矿井设计3 D 自动立体展示系统；在爆破工艺上的应用：露天矿卡车铲车调度系统的实时优化；综采工作面设备的虚拟研究：模拟地质构造；在培训、教学上的应用m，。杨天军等(2 0 0 1)在“虚拟现实与露天煤矿规划研究”一文中，对虚拟现实技术在露天煤矿规划中的应用进行了研究，并对虚拟环境下用户界面设计、视景建模、实时渲染、交互式漫游、音效等有关技术进行了初步的探讨。但该文并没7河南理工大学硕士学位论文有从系统的角度对虚拟环境系统进行设计和实现“。朱景和等(2 0 0 2)对虚拟现实技术在矿业中的应用前景进行了展望，指出国外已有相关的矿业V R 产品问世，但在我国才剐刚起步，应当加紧研究，缩短与国外先进水平的差距”。由此可见，国内的矿山虚拟现实应用研究目前还处于介绍国外研究进展以及对虚拟现实在矿山的应用进行展望的阶段，与国外存在着明显的差距。面这种情况也正是我国的煤矿计算机应用现状的真实反映。我国煤矿计算机应用的水平较低，同军事、航空航天、医疗等领域相比，无论在规模上、范围上还是在研究方面都存在着很大的差距“”。同时，由于国外软件价格昂贵，并且在开采方法等方面并不适合我国国情，所以引进国外软件系统也是不现实的。在这种情况下，如果我们不加紧研究，与国外的差距会越来越大。为了扭转这种局面，提高我国煤矿计算机应用水平，缩短与国外差距，开发具有我国自主知识产权的煤矿虚拟现实系统是一条必由之路。1 3 煤矿虚拟现实系统研究存在的问题及解决对策1 3 1 存在的问题综合国内外煤矿虚拟现实系统研究进展，作者认为目前矿山虚拟现实系统的研究存在以下几个问题：由3 D G I s 的研究现状可知，目前制约3 D G I s 发展的主要因素是三维数据模型和数据结构的研究尚不成熟。对于煤矿虚拟现实的研究，自然也存在这个问题。由于资金投入和重视程度不够，地学其它领域的虚拟现实和虚拟环境的研究尚处于探索阶段，不能给煤矿虚拟现实的研究提供足够的经验。虽然以A I M s 为首的国外研究机构在矿山虚拟培训方面取锝了大量的成果，但在煤矿虚拟环境虚拟现实系统方面的研究尚处于初级阶段，还需要在理论上和实际应用过程中不断完善。目前出现的矿山虚拟现实系统软件如I n T o u c h 和V i r t u a lM i n e 还存在很多缺陷，主要表现在这些软件缺乏独立建模的功能，模型需要从其它地质矿山软件系统中导入。与国外的研究相比，园内的研究显得比较落后，急需进行我国自主知识产权的矿山虚拟现实系统的研发工作。8l 绪论1 3 2 解决对策针对以上问题，作者认为，为了提高我国矿山虚拟现实应用水平，缩小同国外的差距，并力求有所突破和创新，必须进行以下几个方面的研究：从底层开发具有我国自主知识产权的煤矿虚拟现实系统，研究适合煤矿应用的三维数据模型和数据结构。进行煤矿虚拟现实系统的总体设计，