一种基于断面测量数据的实测三心拱巷道实体建模方法

摘要

本发明公开了一种基于断面实测数据的三心拱巷道全新实体建模方法，通过在一个断面上采集特征点空间数据，由特征点三维坐标解算出巷道断面的空间位置与实际尺寸，利用实际尺寸与三心拱标准参数拟合，生成特定空间位置既具有实际掘进尺寸又能准确表达拱形的一系列巷道断面。然后利用三维建模软件，在两两断面间创建实体，从而实现整体巷道模型建立，并有效解决了巷道实体模型持续更新的问题，所生成的巷道实体模型能够真实反映巷道的形态，完全能够满足采矿设计、采矿设备布置规划等要求。

说明书

技术领域

本发明属于计算机三维建模技术领域，尤其是涉及一种基于断面测量数据的三心拱巷道 实体建模方法。

背景技术

巷道是地下采矿时在岩体或矿层中开凿的通道，用于采矿、运输、通风、排水、动力供 应等。在二维方式下，巷道被抽象显示成双线，这只能表示巷道宽度及平面坐标，不能显示 巷道空间位置，更不能完整展示巷道空间形态。随着计算机三维建模技术的成熟及采矿生产 可视化管理的要求，需对掘进巷道建模，真实反映井下巷道工程实际尺寸及真实的空间位置， 用于采矿设计、采矿设备布置规划等。

用于巷道实体建模的空间数据采集常用方法有激光影像扫描、散点法、特征线法等。激 光影像扫描由于海量的点云数据，严重影响计算机数据处理速度，因此在实际巷道空间数据 采集与处理中并不实用；散点法同样存在数据采集工作量大且不能完全真实反映巷道空间形 态的问题；特征线法适合特征线比较明显的巷道（比如矩形或六边形巷道）。而三心拱巷道， 如图1所示即巷道顶板由三段相内切的圆弧构成，三段圆弧有三个圆心。由于组成拱的三段 圆弧相内切，巷道墙与圆弧也内切，因此巷道除底板墙脚外，没有明显特征线，用散点法与 特征线法不仅外业数据采集工作量大，而且生成的实体不能很好反映巷道的空间形态，也不 便于实体更新。此外，由于地下矿巷道纵横，随着矿体开拓和巷道的掘进巷道持续更新，要 求现场采集数据效率要高，巷道模型需要不断进行更新，而上述三种方法都不能很好地解决 新增巷道实体模型与已有巷道实体模型的无缝对接。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于断面实测数据的三心拱巷道全新实体建模方法， 通过在一个断面上采集特征点空间数据，由特征点三维坐标解算出巷道断面的空间位置与实 际尺寸，利用实际尺寸与三心拱标准参数拟合，生成特定空间位置既具有实际掘进尺寸又能 准确表达拱形的一系列巷道断面。然后利用三维建模软件，在两两断面间创建实体，从而实 现整体巷道模型建立，并有效解决了巷道实体模型持续更新的问题，所生成的巷道实体模型 与真实巷道近似度高，完全能够满足采矿设计、采矿设备布置规划等要求。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于断面测量数据的实测三心拱巷道实体建模方法，包括如下步骤：

（1）获得巷道断面上的四个特征点数据，所述特征点包括巷道断面顶板特征点、底板特征 点、左帮特征点和右帮特征点；

（2）根据步骤（1）中获得的特征点数据，计算断面空间关键点坐标和关键参数，所述关键 点包括断面底边两端角点，所述关键参数包括断面宽度、断面方位角、断面实际高度、 断面拱高和断面墙高。

（3）分别计算断面拱顶三段圆弧的内插点坐标，由内插点连线生成断面扇形拱；

（4）根据步骤（2）中获得的断面空间关键点坐标和关键参数，结合步骤（3）中得到的断 面扇形拱，形成断面的完整轮廓。

（5）连接生成的各个断面，形成可持续更新的巷道实体模型。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤（1）中断面特征点数据通过全站仪测量获得。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤（3）中三段圆弧包括断面右侧小圆弧、断面左侧 小圆弧和大圆弧；

所述断面右侧小圆弧内插点第k点坐标通过下式运算得出：

Xk=X1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/n））×sin（α_AB+π）

Yk=Y1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/n））×cos（α_AB+π）

Zk=H-h+(rB0×W_AB×sin（β×k/n）)

其中，0≤k<n，n指右侧小圆弧被分为n等分；

所述断面左侧小圆弧内插点第k点计算公式为：

Xk=X1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/m））×sin（α_AB）

Yk=Y1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/m））×cos（α_AB）

Zk=H-h+(rB0×W_AB×sin（β×k/m）)

其中，0≤k<m，m指左侧小圆弧被分为m等分；

大圆弧内插点计算方法为：以断面底边两端角点连线中点坐标作为起算点，分别计算左 右两段圆弧的内插点，顶板特征点右侧弧段第k点计算公式为：

Xk=(X1+X3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×sin（α_AB）

Yk=(Y1+Y3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×cos（α_AB）

Zk=Z2-(RB0×W_AB-RB0×W_AB×cos（α×k/j））

顶板特征点左侧弧段第k点计算公式为：

Xk=(X1+X3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×sin（α_AB+π）

Yk=(Y1+Y3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×cos（α_AB+π）

Zk=Z2-(RB0×W_AB-RB0×WAB×cos（α×k/j））

其中，0≤k<j，j指顶板特征点左右两侧圆弧分别被分为j等分。

与现有技术相比，本发明提供的方法兼顾了井下实测巷道空间数据采集效率及模型更新 的方便性。不仅采集数据量较少，而且对巷道的空间位置及实际尺寸作了很好的控制，同时 用实际数据与标准参数拟合的方式反映巷道扇形拱圆弧，真实地反映了巷道的形态。相较于 本发明背景技术中论述的几种方法或全断面打点，本发明作业效率更高、模型更为精确且便 于更新。本发明建立的实测巷道实体模型是后续采矿三维可视化管理的基础，能真实反映掘 进后巷道的空间位置、形态及尺寸，为采矿设计、中深孔设计，设备布置提供真实依据。

附图说明

图1为典型的三心拱巷道断面示意图；

图2为断面上采集的四个特征点位置示意图；

图3为断面与巷道走向与断面位置关系示例图；

图4为实施例中实际采集的巷道断面特征点及解算三维示意图；

图5为三心拱有关参数系数表；

图6为内插点形成的巷道扇形拱顶板；

图7为按断面采集数据生成的巷道实体。

附图标记列表：

1-底板特征点，3-顶板特征点，2-左帮特征点，4-右帮特征点，A-底板左端点，B-底板右端点， Ⅰ-断面右侧小圆弧，Ⅱ-顶板特征点右侧弧段，Ⅲ-顶板特征点左侧弧段，Ⅳ-断面左侧小圆弧。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方 式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的三心拱巷道实体建模方法，按断面采集巷道特征点数据，根据特征点空间 坐标解算出断面空间位置和断面实际宽度与高度，由断面实际宽度与高度结合三心拱标准参 数解算出拱形顶板内插点空间坐标，形成巷道断面，断面与断面间连接形成实体。更为具体 地说，本发明包括如下步骤：

步骤1：首先采集巷道断面特征点数据，每个断面采集底板、左帮、顶板、右帮四个特 征点数据，断面间距根据需要任意设定，如图2所示，顶板特征点为巷道最高点，底板特征 点为巷道断面底边上的任意一点，左帮、右帮特征点分别为断面左侧边或右侧边上的任意一 点。实际采集数据时，断面不要求与巷道走向完全垂直，如图3，同时由于现场没有明确的 参照系，四个点也不要求完全共面。

数据采集可通过全站仪完成，四个特征点数据可从测量全站仪电子手簿中导出，同一断 面上的四个特征点分成一组，对四个点进行冒泡排序，并根据巷道断面特征点建立三维坐标 系，如图4所示。其中Z坐标最小的点为巷道底板特征点1（X0,Y0,Z0），Z坐标最大的点为 巷道顶板特征点3（X2,Y2,Z2），其余为巷道左帮特征点2（X1,Y1,Z1）和巷道右帮特征点4 （X3,Y3,Z3）。

步骤2：计算断面空间关键点坐标和关键参数。

把巷道左帮特征点2、巷道右帮特征点4的XY坐标分别赋给断面左右两帮墙脚A点与 B点。尽管底板特征点1不能保证与点3、点2、点4形成的面共面，但底板相对比较平坦， 因此底板特征点Z坐标可以赋给A点与B点，得到A、B两点的坐标分别为A：(X1,Y1,Z0)， B：(X3,Y3,Z0)。则断面实际宽度为AB两点的距离，断面走向为AB两点的方位角。计算公 式如下：

$W_{\mathrm{AB}}=\sqrt{{(X1-X3)}^2+{(Y1-Y3)}^2}$

${\alpha }_{\mathrm{AB}}=a\tan \left(\frac{Y1-Y3}{X1-X3}\right)$

式中W_AB为断面宽度，α_AB为断面方位角。

断面实际高度为：H1=Z2-Z0。

断面拱高为：h=W_AB×f0(B0)。其中f0(B0)为三心拱参数，具体见图5表格，根据设计需 要，选取适当的三心拱参数代入运算。

断面墙高为：H=H1-h。

步骤3：结合三心拱标准参数解算出拱形顶板内插点空间坐标，进行断面三心拱拟合。

由于三心拱巷道的顶板由三段圆弧平滑连接而成，三段圆弧可分别由圆弧上的内插空间 点连接而成。坐标起算点分别为A、B及两点间中点（分别对应三段圆弧），再由步骤2中得 到的断面实际高度、拱高和墙高，根据表1中的大圆半径参数系数（RB0）、小圆半径参数系 数(rB0)、大圆圆心角(α)、小圆圆心角(β)计算圆弧内插点坐标，由内插点连线生成巷道的三 心拱。

3.1计算断面右侧小圆弧内插点。

断面右侧小圆弧（弧段Ⅰ）内插点第k点（0≤k<n）计算公式为：

Xk=X1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/n））×sin（α_AB+π）

Yk=Y1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/n））×cos（α_AB+π）

Zk=H-h+(rB0×W_AB×sin（β×k/n）)

其中，n指右侧小圆弧被分为n等分，n值可根据计算精度需要进行设定，显然n值越大 精度越高、计算量越大，应根据硬件条件和实际需要进行权衡。

3.2计算断面左侧小圆弧内插点。

断面左侧小圆弧（弧段Ⅳ）内插点（设弧段分为m等分）第k点（0≤k<m）计算公式为：

Xk=X1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/m））×sin（α_AB）

Yk=Y1+（(rB0×W_AB-(rB0×W_AB×cos（β×k/m））×cos（α_AB）

Zk=H-h+(rB0×W_AB×sin（β×k/m）)

其中，m指左侧小圆弧被分为m等分，m值可根据计算精度需要进行设定，显然m值越 大精度越高、计算量越大，应根据硬件条件和实际需要进行权衡。

3.3大圆弧内插点计算。

以AB中点坐标作为起算点，计算内插点，图4“0”点右侧弧段（弧段Ⅱ）第k点（0 ≤k<j）计算公式为：

Xk=(X1+X3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×sin（α_AB）

Yk=(Y1+Y3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×cos（α_AB）

Zk=Z2-(RB0×W_AB-RB0×W_AB×cos（α×k/j））

“0”点左侧弧段（弧段Ⅲ）第k点（0≤k<j）计算公式为：

Xk=(X1+X3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×sin（α_AB+π）

Yk=(Y1+Y3)/2+（RB0×W_AB+RB0×W_AB×sin（β×k/j））×cos（α_AB+π）

Zk=Z2-(RB0×W_AB-RB0×WAB×cos（α×k/j））

j指“0”点右侧弧段和“0”点左侧弧段各被分为j等分，右侧弧段和左侧弧段各自等分 的数量一般相等，但也可根据需要分别进行设置。

3.4如图6所示，由内插点连线生成断面扇形拱。

步骤4根据断面墙脚点A、B坐标，断面实际宽度、高度，结合步骤3中得到的断面扇 形拱，形成如图4所示断面的完整轮廓。

步骤5连接生成的各个断面，形成可持续更新的巷道实体模型。具体地说，利用三维建 模软件“两个闭合线段间生成实体”功能，连接同一条巷道上的断面，形成实测巷道实体。 由于是断面与断面间生成实体，因此后续更新断面只要与已存在断面进行连接，即可实现新 增巷道模型与已存在模型的无缝对接，解决了巷道模型持续更新的问题。

本发明提供的数据采集方式及算法同样适用于三心拱特例：单心圆弧拱巷道的三维建模。

实际应用中，应在三维建模软件平台（如大型三维矿业管理软件Surpac软件）上开发应 用程序（开发语言为TCL语言），导入测量全站仪电子手簿中的数据，执行本发明提供的运 算步骤，生成一系列巷道断面，利用三维建模软件提供的实体建模功能，将断面连接形成可 持续更新的巷道实体模型，如图7所示。采用本发明要求采集巷道实测数据，进行处理后建 立的巷道实体用于采矿设计、采矿中深孔设计，完全满足设计精度要求，实现了采矿生产的 三维可视化管理。特别是在实测巷道模型基础上建立的爆破单元体模型，为采矿生产计划编 制、资源/储量的动态核销为矿产资源的利用提供了精细化管理的技术手段。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上 技术特征任意组合所组成的技术方案。