基于GIS的矿区沉陷三维虚拟现实实现技术

基于GIS的矿区沉陷三维虚拟现实实现技术 论文编号： 安徽理工大学 硕士学位论文 基于GIS的矿区沉陷三维虚拟现实实现技术 作者姓名： 粱抱 专业名称： 丝图剑图堂皇地理篮息王程一一 研究方向： 数主越直皇贮出窒闷信息蕉苤 导师姓名： 金堂搓熬攫 导师单位： 测绘堂院 答辩委员会主席： 熬丝 论文答辩日期：b11年口l，月04日 安徽理工大学研究生处 2011年月日 膏，：0，l 九3舢5吣6 洲Y iiii- 四9 洲7肌6 ADissertationin Information Geographic System The of3D VisualSimulationof technology mining subsidenceonthebasisofGIS system 辨 Candidate：b叼饧 Supeisor肠枕均 of SchoolGeomatics AnHui ofScienceand University Technology No1 Road，Huainan，232001，PRCHINA 68，Shungeng 卜II， ，。，气j，- 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 塞徵堡王太堂 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 日期：盔皿年j 月j日 学位论文作者签名翌担 】 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 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 塞邀理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 安徽理工大学 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 可以将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 保密的学位 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 论文在解密后适用本授权书 签字日期：p吖年夕月7日 ， 学位论文作者签名：琴# 导师签名： 签字日期：矽年彳月彳日 、 -l 9 气 ； 摘要 摘 要 淮南煤矿资源的开采给当地经济的发展作出了很大的贡献，但是由此而产生的地 表位移、变形和下沉也给当地环境和居民生产、生活造成重大损害。因此沉陷区的保 护治理工作迫在眉睫。同时地理信息系统作为一项同趋成熟的空间地理信息技术已广 泛应用到科研和项目实践的各个方面，其空间分析、可视化和辅助决策技术为矿区沉 陷评价和治理提供了良好的技术平台和最优的系统解决方案。最后，专业的三维GIS k 软件的发展为本论文的实现提供了可能。 本文矿区虚拟现实系统采用的是目前国际上较为流行的大型3DGIS软件技术来 V 实现。论文主要分为数据和功能实现两个部分，数据的前期制作涉及到地形制作和地 Studi02005为开 TerraExplorerPro中完成。系统实现基于Skyline二次开发，在Visual 功能。另外作为3D系统的补充，本论文系统同时实现矿区的二维地图的GIS基本功 能，采用的是ArcEngine二次开发技术。 本文首先阐述了矿山开采沉陷三维可视化的国内外研究现状和系统实现的内容。 第二章概述了三维GIS技术特点和系统实现涉及到的GIS基本理论。第三章描述了 系统开发技术路线的选择以及数据库设计和系统总体功能模块设计。在此基础上第四 务分析功能的系统实现。 图【40】表【5】参49】 关键词：矿区沉陷；地理信息系统；三维GIS；Skyline；ArcEngine 分类号：ltWt8 一 l 专 目 录 目 录 摘!要I 1 弓I言1 11选题背景1 12国内外发展现状2 121三维GIS的发展2 122矿区沉陷三维虚拟现实技术现状3 123存在问题及发展趋势3 13论文实现内容3 14论文研究意义4 2矿区沉陷三维可视化模拟系统技术基础5 21三维GIS技术5 211技术特点5 212三维GIS实现5 22GIS理论基础7 221数字高程模型6 222投影变换8 223数据重采样8 224缓冲区分析9 225栅格叠置分析10 23 Skyline技术11 1 231TcrraBuilder1 232 Pro12 TerraExpiorer 233 API12 TerraExplorer 3基于GIS的矿区沉陷三维可视化模拟系统的设计。14 31沉陷三维模拟系统概述15 32系统开发技术路线16 321 GIS数据处理及二次开发平台选择16 III 安徽理工火学硕士论文 322开发工具及语言选择。18 8 323三维建模软件3D1 33系统数据库设计19 34三维沉陷模拟系统主要功能模块设计20 341淹没分析20 342剖面分析。23 343信息查询。26 344二维缓冲区分析32 345专题图制作及打印输出34 346辅助工具37 4沉陷模拟系统实现39 41前期数据处理39 411地形建立39 412三维模型制作40 413水面制作42 414三维场景整合42 42误差分析43 43主要功能模块实现44 431淹没分析功能实现45 432剖面分析功能实现47 43-3属性查询49 434缓冲区生成52 435三维高程查询53 436地图输出53 论。55 结 参考文献56 作者简介59 IV 目 录 Contents AbstractII l Introduction1 selection 11 background1 Topic at andabroad2 12Currentsituationhome study 1217。Iheintroductionof3DGIS2 statusof subsidencevirtual 122The realitytechnology3 mining and 123The trend3 existingproblemsdevelopment Themaincontentsofthisresearch 13 project3 14The ofresearch4 significance involvedinthe ofThreedimensionalvisual 2 system Keytechnologies of subsidence5 simulation mining 3DGIS 21 technologies5 211Technicalcharacteristics5 3DGIS5 212Therealizationof 22GIS theory6 221DEM6 222 transformation8 Projection Data 223 resampling8 224Buffer analysis9 Grid 225 overlayanalysis10 卜 1 23 1 2：；1TermBuilder1 232 Pro12 TerraExplorer API12 233 TerraExplorer 3 System I!女：analysis14 design ：；1 summary14 System 32 technicalline14 Systemdevelopment ofdata andGIS 321The processingdevelopment15 platform V _ j l q module44 43RealizationofFunction RealizationofFlood 431 analysis45 432Realization analysis47 ofprofile ofattribute 433Realization query。49 434Realizationofbuffer analysis52 elevati。n 435Realizati。n。f3D qlle叮53 436 output53 Map Conelusion55 R_efleIence56 introduction59 Autllor VI 引 言 1 引 言 11选题背景 煤炭资源是人类社会生产和发展的物质基础。我国是煤炭资源的消耗大国， 煤炭资源在今后相当长的一段时间内将作为我国的主要能源，对我国的社会进步 和经济发展起着重大的作用。我国的煤炭资源蕴藏丰富，并且多数分布在建筑物， 主要交通线路及水体下，简称“三下【ll。随着经济发展对煤炭需求的增加，开 采强度和开采规模正在日益加大。目前，许多煤炭生产企业正面临着资源开采与 保护生态环境之间的矛盾12。一方面，为了经济的发展，许多企业需要进行“三 下”资源的开采；另一方面，资源的开采改变了岩体中原始应力场的平衡状态， 造成了采区覆岩体移动和变形，产生离层、断裂，进而发展到地表，导致地表大 范围下沉，对河流和湖泊及其坝体、农田、地面建筑物、交通线路等生产生活设 施产生了严重的破环131。 安徽省淮南市风台境内有国投新集一矿、三矿、丁集、顾桥、顾北和张集煤 矿等数家国家及地方大型煤矿，年产煤矿量在2850万吨左右。沉陷区域涉及数 lO个乡镇，24个行政村的100多个自然庄41。为了充分开采地下矿产资源，同时 最大限度的减少由于开采沉陷而造成的损失，必须在开采前及过程中对矿区进行 数字化管理，对可能产生的危害进行及时的预测，并对已经和即将造成的环境问 题进行保护和治理。 同时，地理信息系统作为社会生活的重要组成部分，已广泛地运用到城市规 划、土地管理、电力、水利和交通等各行业中。目前世界上常用的GIS软件已达 发工具给项目应用开发提供了无限的拓展空间。GIS以其独有的特点和优势，成 为实现矿区沉陷空间数据、属性数据、拓扑关系等等一体化管理的必要手段。当 然随着计算机技术和人们对可视化要求的不断提升，三维GIS应运而生，大型的 三维地形地物建模软件的兴起更是为三维GIS的发展和实现提供了可能。 选题正是基于上述地下煤矿开采导致地表下沉及其对当地居民造成严重损害 的社会因素，同时在当前GIS发展的技术条件下，本文充分结合矿区沉陷防治的 具体工作，在3DGIS软件的基础上二次开发出一套适用于沉陷区综合分析的虚拟 安徽理工人学硕十论文 现实系统。 12国内外发展现状 121三维GIS的发展 三维场景和地物以及其独特的超真实感的视觉冲击使得三维GIS技术受到众 多技术开发及产品应用实施人员的追捧。三维GIS俨然已经成为国内外研究热点 嘲。目前3DGIS的研究主要集中在下面几个方面【7J【8J： 1三维空间数据获取19】。具体包括三维地形数据、建筑物及其附属设施三维 模型数据和纹理图片数据； 2三维空间数据模型。模型是对现实世界的抽象，数据模型的构建则是对现 实世界进行数字化的操作，GIS的三维数据模型主要有：基于面表示的数据模型 【101，如规则格网鲥d、不规则三角网tiIl及混合模型grid-tin；基于体表示的数据 等；矢量与栅格集成的面向对象的三维空间数据模型【ll】，该数据模型由龚建雅和 夏宗国老师共同提出，且抽象出结点、弧段、影像像素、数字表面模型、点状地 物、线状地物、面状地物、体状地物等13类空间对象；不同类型数据模型的集成 D2，将各个类型模型集成使用在具体应用中达到优缺互补的作用。 3三维空间数据的管理与分析。由于空间数据量大且复杂的特性，三维数据 管理需借助于面向对象数据库系统的发展，目前流行的关系型数据库都支持空间 数据的存储；三维GIS的数据分析能力比较弱，目前该方向的研究集中在空间数 据的属性分析和拓扑分析功能上，且分析功能的强弱及效率直接取决于采用什么 数据模型和什么样的数据管理系统。 4三维空问数据显示和可视化表达。3DGIS的可视化主要是对地形 如数字 高程模型 和数字城市的三维图形的显示技术【l引。可视化的实现主要有三种方法， 最简单直接的方法是摄影技术的应用，但是这也是最没有可操作性的，实现不了 查询和空间分析功能，所以专业GIS产品不会采用此方法进行场景表达；使用市 面上比较成熟的三维建模软件进行建模，如MaYa、GoogleSketehUp、3D等 大型建模软件；通过三维应用程序接口编程实现三维场景的可视化，该方法可操 作性强、可充分实现GIS的三维查询、分析等功能，但工作量较大，目前较流行 3D、Direct3D和JAVA3D。 的API有OpenGL、IDL、QuickDraw 2 引 言 12-2矿区沉陷三维虚拟现实技术现状 目前沉陷区三维虚拟现实实现较为常用的技术手段为运用ArcGIS家族中 表下沉、平地积水、房屋倒塌、山体滑坡等一系列应用分析和灾害性后果分析【141。 另一较为常用的技术方法是采用武汉中地数码的MapGISTDE平台，作为一个具 好的呈现地表与地下开采工作面的虚拟现实场景【l51。上面的两种方法都是采用的 二次开发的方式，作为一个系统软件，要想具有良好的扩展性和灵活性，则需做 底层开发。较常用的方法是在VC+平台上与OpenGL三维函数库结合开发三维 虚拟系统【161，OpenGL不仅可以渲染绘制出逼真的三维景象，还可以进行三维交 互和动态模拟等处理I。71。 123存在问题及发展趋势 煤矿工业在生产中积累了丰富的地质测量数据，这些地理信息是三维连续分 布的，并且随着生产的进行，地表沉陷等信息呈现含时间维的动态特征，因此， 利用二维地图的数据处理方式来分析和判断，将会产生极大的局限性。 当前比较成熟的应用型GIS系统大多是二维或者二点五维的地图呈现方式，实 现功能有：制作下沉、倾斜、曲率、水平移动等相关图件；自动量测功能实现沉 陷面积、周长的测量；利用GIS的拓扑及叠置分析理论实现沉陷对地物影响情况的 统计；利用GIS的缓冲区分析等分析技术实现对矿区环境污染状况的统计和规划。 然而计算机技术、地理信息系统理论、遥感及GPS技术的飞速发展为我们探究 三维仿真系统提供了前提条件。真j下的三维沉陷仿真系统将具备以下的功能特点， 三维地形的显示，地表地物、地下地层及其构造的显示，并实现多视角观察；实 现沉陷区域任意位黄及方向的剖面解算和分析；地表和地下任意点水平和垂直方 向的移动和变形量显示；塌陷区的塌陷体积量测；地表移动变形随地下煤层采矿 进度的延伸而变化的动态的、立体模拟【18119l等。 13论文实现内容 矿区开采沉陷已经严重地影响到了人们的生产生活，为了推进有关部门能够 更好地进行沉陷灾害预测，并且能够对塌陷区进行更好地治理和管理，本文在结 合先进的计算机技术、信息管理技术和三维GIS技术的基础之上对矿区沉陷三维 3 安徽理工人学硕士论文 统实现方法的选取，即如何选择良好的二次开发平台， 的选取。 3系统开发平台及语言的选择。 4前期数据处理软件即方法的选择。 5系统功能模块的设计和实现。 14论文研究意义 目前采煤沉陷区依旧存在着很多的安全隐患和亟待解决的社会问题，主要有 如下方面： 首要的是潜在的安全隐患。按照国家规定采煤区地表村庄居民应该是先组织 搬迁安置，后实施地下开采操作。但由于煤矿部门与当地政府没有及时地做好沟 通工作，加之机械化采掘进度过快等一系列原因导致地表出现大范围沉陷后才具 体实施搬迁事宜，随后又由于矿上与部分农户在搬迁补偿金额上的分歧使得原本 滞后的搬迁工作雪上加霜。地下沉陷导致地表道路、电力及通信网络、地表建筑 居 民房屋、学校、厂房桥涵、堤坝等 变形、倾斜、扭曲甚至倒塌，从而致使未能及 时搬迁农户的生命安全受到严重威胁。 其次是沉陷区的环境污染问题。煤炭采掘造成的污染主要是水体污染20j、粉 尘污染和地质资源污染。导致矿区及其周边农作物和水生物受到污染，种植业和 养殖业效益受损。矿区开采排出的废气、废水、粉煤灰以及露天堆放的煤矸石等 废弃物严重污染了村庄、农田、沟渠、河道和地下水；粉煤灰中含有相当数量的 铅、铬、氟等重金属和放射性元素，对生态环境造成的污染也是很巨大的12l】。 鉴于沉陷区对居民生产生活造成的影响，建立基于GIS的矿区沉陷系统，开 发沉陷区二三维场景显示、要素编辑、查询统计、缓冲区分析、剖面分析等功能 对沉陷区灾害评估和治理是必要的。 4 第2章矿区沉陷三维可视化模拟系统技术基础 2矿区沉陷三维可视化模拟系统技术基础 三维可视化是描绘和解释现实世界的一种技术手段，是数据体的一种表征形 式，其实现方法多种多样，应根据项目需求、周期、资金和人员技术能力等诸多 因素合理选择。另外，作为一个GIS系统，其所涉及的GIS技术和思维更是贯穿 于系统设计、数据处理、技术实现和功能表现的整个过程。这一章将对三维可视 化技术及所涉及的GIS理论做详细表述。 21三维GIS技术 Information 地理信息系统 沁。孕aphical System 221，是以地理空间数据库为 基础，支持对空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，来解决复杂 的规划和管理问题。三维GIS则是将影像数据、模型数据和空间数据按照空间 位置进行三维表现，在其基础上做GIS分析，包括三维量测、填挖方分析、 视域分析、最佳路径分析、淹没分析和剖面分析等，以三维方式展示的一种 GIS的扩展技术。 ” 211技术特点 三维GIS空间信息的展示相比二维更为直观，单纯的二维地理信息系统 无法真实地描述三维客观世界瞄l。从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界 开始，空间信息主要是以图形化的形式存在的。然而，二维的图形界面展示 空间信息是非常抽象的，相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了 更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息直观化，人们结合自己 相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。因此，毫无疑问，三 维GIS比二维GIS具有更为抢眼的表现力，其在可视化方面有着得天独厚的优 势。 212三维GIS实现 三维GIS系统的实现方式主要有如下几种： 一是在开发语言平台环境里调用底层3D函数库，目前比较流行的应用程序开 5 安徽理工大学硕士论文 域OpenGL贝1是主角。OpenGL具有建模、变换、色彩处理、光线处理、纹理映射、 图像处理、动画及特殊功能的物体运动模拟等功能的几百个函数，程序员可充分 运用库中函数对地理数据进行渲染，以达到超逼真的三维可视化效果。另外，加 上GIS的信息查询、提取及空间分析功能的实现，该方法开发的系统将完美的呈现 出GIS各功能三维方式的表达。由于从三维场景到地物的建模以及动厕表达这一整 个过程的GIS功能实现，其所涉及算法需要运用底层语言编写并只部分的调用可视 化的应用程序接口函数，所以这种方法的工作量大，另外对编程人员的技术要求 较高。 二是基于虚拟现实技术实现三维信息的显示过程，如VRML和Java3D。 VRML即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的 三维世界的场景建模语言，具有平台无关性。是目前Intemet上基于的三 维互动网站制作的主流语言。VRML是虚拟现实造型语言 mIalRealityModeling Language 的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是 一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。 结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的 3D是Java语言在三维图形领域的扩展，是一组应用编程接 VR 虚拟世界 。Java 3D提供的API，可以编写出基于网页的三维动画、各种计算机辅 口。利用Java 助教学软件和三维游戏等等。利用Java3D编写的程序，只需要编程人员调用这 些API进行编程，而客户端只需要使用标准的Java虚拟机就可以浏览，因此具有 不需要安装插件的优点。但是这种三维实现方法运行的效率不高，特别是对大量 的地形数据显示，速度很慢。 三是在成熟的GIS软件上做二次开发。目前应用较为普遍的GIS软件有ESRI公 Web 集团面向中国市场推出的TITAN GIS功能软件，及国内超图公司推出的SuperMap 和中地数码推出的MapGIS系列软件等幽】。GIS软件平台上做二次开发，在各软件 的三维控件中实现三维场景，其大部分的GIS功能函数封装进接口中，程序人员只 要找到相应的接口并调用函数即可实现GIS的基本功能。但是对于三维场景可视化 的逼真呈现相比GIS功能是不容易实现的。再者，在专业级大型三维GIS软件平台 上做二次开发。目前国内制作三维数字场景的首选三维GIS软件是美国Skylinesofl 公司开发的Skyline系列软件。凭借其国际领先的三维数字化显示技术，它可以利 用海量的遥感影像数据、数字高程数据以及其他二三维数据搭建出一个对真实世 6 第2章矿区沉陷三维可视化模拟系统技术基础 界进行模拟的三维场景瞄】。编程人员运用自己比较熟悉的语言和S蚴沁的三维控 件开发符合业务需求的功能软件。 22 GIS理论基础 该系统实现过程中涉及到的专业GIS技术知识，本节则对GIS专业理论及部 分操作算法知识进行描述。 221数字高程模型 Elevation 数字高程模型 Digital Model，DEM 是利用大量已知的坐标点对地 球表面地形地貌的一种离散的数字表达1261。系统的前期地形数据是用DEM来制 作的，原始数据为覆盖整个矿区的测量点高程数据 单位m 和由沉陷预测软件生 成的规则沉陷点 高差沉陷值，单位mm 。因此DEM的生成在整个系统中占有很