羅周全，周吉明，羅貞焱，熊立新，張文芬

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采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)CAD接口實現(xiàn)

羅周全，周吉明，羅貞焱，熊立新，張文芬

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

根據(jù)自主研發(fā)的采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)的功能，研究CAD通用dxf格式文件的數(shù)據(jù)儲存特征，開發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的CAD接口，實現(xiàn)由系統(tǒng)輸出的采空區(qū)三維點云模型、空區(qū)剖面、三角網(wǎng)格實體模型和掃描線三維實體模型dxf文件的自動生成。研究結(jié)果表明：接口的研發(fā)不僅能夠很好地實現(xiàn)集成系統(tǒng)與AutoCAD 之間的數(shù)據(jù)對接，為礦山開展采空區(qū)周邊相關(guān)開采工程設(shè)計帶來極大的方便，而且能為其他CAD接口技術(shù)的研發(fā)提供借鑒。

采空區(qū)；激光探測；三維建模；CAD接口；dxf文件

金屬和非金屬地下礦山開采形成的采空區(qū)是礦山主要災(zāi)源之一，如何有效地探知采空區(qū)的空間位置和三維形態(tài)等相關(guān)信息，并建立其三維可視化模型是有效實現(xiàn)采空區(qū)安全管理和控制的重要基礎(chǔ)性工作之一[1?3]。當前，國內(nèi)外對采空區(qū)的探測技術(shù)主要包括工程鉆探、地球物理勘探、三維激光探測等技術(shù)[4]，其中主要的采空區(qū)激光探測設(shè)備有加拿大Optech公司生產(chǎn)的CMS(cavity monitoring system)[5]和英國MDL公司生產(chǎn)的C-ALS(cavity auto scanner laser system)[6]等，它們基于激光測距的原理，通過掃描頭的旋轉(zhuǎn)掃描獲取大量采空區(qū)邊界的點云數(shù)據(jù)，通過處理軟件輸出掃描點的空間三維坐標信息。本文所采用的采空區(qū)激光掃描空間信息三維建模及計算分析集成系統(tǒng)由作者所在團隊自主研發(fā)，集采空區(qū)信息管理、三維建模及可視化分析與計算等功能于一體，其對采空區(qū)三維可視化安全管理和分析具有獨特優(yōu)勢。為進一步拓展系統(tǒng)的功能，需實現(xiàn)與其他軟件之間的數(shù)據(jù)對接。AutoCAD是美國Autodesk公司研發(fā)的自動計算機輔助設(shè)計軟件，是目前世界上應(yīng)用最廣的繪圖平臺[7]，其在礦業(yè)工程的應(yīng)用涵蓋了地質(zhì)數(shù)據(jù)與圖形處理、測量驗收、采礦設(shè)計、進度計劃編制、排土場設(shè)計、露天礦境界確定、開拓布線等礦山設(shè)計和生產(chǎn)的各個方面[8]。采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)實現(xiàn)與AutoCAD的接口具有重要的應(yīng)用價值[9]。dxf(drawing interchange format)是AutoCAD軟件用于保存數(shù)據(jù)的一種標準文件格式。它既可以實現(xiàn)與其他圖形格式的文件進行數(shù)據(jù)交換，也可以從中直接提取所需數(shù)據(jù)。實現(xiàn)txt文件向dxf數(shù)據(jù)存儲文件的轉(zhuǎn)化不僅能滿足集成系統(tǒng)的客觀功能需求，也為原始探測數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化dxf文件提供了準確有效的方法。通過研究AutoCAD R12/LT2 格式dxf文件數(shù)據(jù)存儲規(guī)律，借助Visual C++編程語言，結(jié)合國內(nèi)外dxf數(shù)據(jù)存儲文件的轉(zhuǎn)化研究，研究采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)數(shù)據(jù)輸出txt 格式文件向dxf數(shù)據(jù)存儲文件的轉(zhuǎn)化，不僅實現(xiàn)了集成系統(tǒng)與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)對接，而且完善了國內(nèi)外2種數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化的研究方法。

1 采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)

綜合運用Visual C++編程工具、計算機三維圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，自主研發(fā)了采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)。該集成系統(tǒng)以空區(qū)激光探測系統(tǒng)(CMS)探測獲取的采空區(qū)邊界點云空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具備采空區(qū)三維模型構(gòu)建及三維操作、采空區(qū)體積和頂板暴露面積計算以及采空區(qū)信息管理等功能。系統(tǒng)根據(jù)CMS掃描點的空間拓撲關(guān)系，運用多種三角剖分算法對采空區(qū)邊界點云數(shù)據(jù)進行三角剖分，實現(xiàn)了采空區(qū)三角網(wǎng)的構(gòu)建。借助OpenGL三維圖形接口功能，建立了采空區(qū)三維可視化環(huán)境，實現(xiàn)了CMS掃描軌跡線、采空區(qū)三角網(wǎng)模型和實體模型的三維顯示、三維操作和計算等三維可視化管理功 能[10]。圖1和圖2所示分別為某地下礦山采空區(qū)三角網(wǎng)模型和實體模型的三維顯示。

圖1 采空區(qū)三角網(wǎng)模型三維顯示

圖2 采空區(qū)實體模型三維顯示

2 CAD接口文件特征分析及實現(xiàn)方法

AutoCAD軟件是礦山企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中必備的基礎(chǔ)軟件，實現(xiàn)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)與AutoCAD之間的數(shù)據(jù)傳遞與共享是強化系統(tǒng)功能、提高其應(yīng)用價值的必然要求。

AutoCAD R12/LT2格式dxf文件存儲結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)存儲規(guī)律便于解析、數(shù)據(jù)寫入方便，是作為CAD接口文件的最佳文件格式之一，因此，選定該格式dxf文件作為采空區(qū)三維建?？梢暬上到y(tǒng)與AutoCAD之間接口文件。

dxf文件可使用文本編輯器查看并編輯其內(nèi)容。通過對dxf文件存儲結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，dxf文件主要由7個段組成，包括標題段(HEADER)、類段(CLASSES)、符號表段(TABLES)、塊段(BLOCKS)、圖元段(ENTITIES)、對象段(OBJECTS)、文件結(jié)束符號(組碼為0，關(guān)聯(lián)值為 EOF)[11?13]，其中圖元段(ENTITIES)包含圖形所需要的所有圖元以及圖元的各項信息，是dxf文件圖形顯示的最重要組成部分，也是本研究的重要突破點。dxf文件由組碼和關(guān)聯(lián)值構(gòu)成，組碼確定了其后關(guān)聯(lián)值的類型，每個組碼和關(guān)聯(lián)值各占1行[14?15]。表1所示為dxf文件中圖元段常用組碼。

表1 dxf文件圖元段常用組碼

在深入分析dxf格式文件的應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)存儲特征，解析各類圖形dxf文件存儲規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用txt文件存儲構(gòu)成圖形的采空區(qū)激光掃描點三維坐標信息，運用Visual C++編程語言，實現(xiàn)對txt文件的數(shù)據(jù)讀取以及對dxf文件的數(shù)據(jù)寫入。CAD接口按照圖元分析、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入和應(yīng)用驗證的技術(shù)方法實現(xiàn)，該技術(shù)方法的簡要流程圖如圖3所示。

圖3 CAD接口開發(fā)方法

集成系統(tǒng)通過三維數(shù)據(jù)操作，可形成并輸出txt文本格式的掃描點原始空間坐標、掃描剖面線構(gòu)成點以及三維實體模型構(gòu)成點的坐標信息。接口通過分析讀取txt文件，獲取采空區(qū)的空間信息，形成并輸出能為AutoCAD軟件讀取、編譯的dxf文件。

3 CAD接口實現(xiàn)

3.1 采空區(qū)掃描點CAD接口實現(xiàn)

采空區(qū)激光掃描點云數(shù)據(jù)由大量掃描點的空間坐標信息組成，該數(shù)據(jù)是構(gòu)建采空區(qū)模型的基礎(chǔ)。采空區(qū)三維建?？梢暬上到y(tǒng)對數(shù)據(jù)處理后以txt格式文件的方式輸出采空區(qū)點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)該點云數(shù)據(jù)在AutoCAD中的顯示、編輯，研究空間點dxf文件存儲規(guī)律，發(fā)現(xiàn)文件圖元段由大量點的三維坐標信息按順序排列組成，其簡要代碼結(jié)構(gòu)如圖4所示。采空區(qū)掃描點CAD接口采用編程語言設(shè)計程序接口讀取txt文件中的坐標數(shù)據(jù)，然后按圖4中數(shù)據(jù)排列形式將讀取的數(shù)據(jù)寫入生成的空白dxf文件中。

注：圖中“POINT”表示空間點圖元要素，數(shù)據(jù)5，8，10等為組碼，數(shù)據(jù)4393.03等為坐標值

txt文本文件中包含了采空區(qū)所有有效掃描點的坐標信息，調(diào)用研發(fā)的采空區(qū)掃描點CAD接口程序，讀取txt文件并生成采空區(qū)掃描點dxf文件。通過掃描點CAD接口輸出的dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖5所示。表2所示為采空區(qū)掃描點CAD接口主要程序代碼。

圖5 采空區(qū)掃描點云模型顯示效果

表2 采空區(qū)掃描點CAD接口主要程序代碼

3.2 采空區(qū)剖面CAD接口實現(xiàn)

采空區(qū)三維建?？梢暬上到y(tǒng)可對采空區(qū)三維實體模型進行剖切，形成采空區(qū)的剖面文件，將采空區(qū)的剖面導(dǎo)入AutoCAD中，以輔助礦山的開采設(shè)計。實體模型剖切生成的剖面線為多段線，研究解析多段線dxf格式文件存儲規(guī)律。文件圖元段中多段線以空間中各點為其頂點，按空間點輸入順序連接而成，按順序輸入的空間點三維坐標信息反映多段線三維信息。圖元段簡要代碼結(jié)構(gòu)如圖6所示。

注：圖中“POLYLINE”表示三維多段線圖元，“VERTEX”表示頂點圖元

集成系統(tǒng)完成實體模型剖切后輸出txt格式數(shù)據(jù)存儲文件，該文件包含剖面線上所有掃描點的三維坐標信息。采空區(qū)剖面CAD接口采用Visual C++編程語言設(shè)計程序接口讀取txt文件中的數(shù)據(jù)信息，然后按圖6中圖元段數(shù)據(jù)存儲格式寫入到生成的空白dxf文件中。

通過調(diào)用研究的采空區(qū)剖面CAD接口程序可直接生成剖面的dxf文件。圖7所示為生成的dxf文件在AutoCAD中的顯示效果圖，表3所示為采空區(qū)剖面CAD接口主要程序代碼。

表3 采空區(qū)剖面CAD接口主要程序代碼

圖7 采空區(qū)實體模型剖面顯示效果

3.3 三維實體模型CAD接口實現(xiàn)

采空區(qū)三維實體模型的構(gòu)建是采空區(qū)三維可視化技術(shù)的關(guān)鍵，目前三維實體模型的構(gòu)建主要基于2種方式：一種是基于掃描點云的三角剖分構(gòu)建三角網(wǎng)格模型，進而形成采空區(qū)實體模型；另一種是基于掃描軌跡線構(gòu)建格網(wǎng)模型，從而形成采空區(qū)實體模型。以下從三角網(wǎng)格實體模型CAD接口和掃描線三維實體模型CAD接口2個方面分析采空區(qū)三維建?？梢暬上到y(tǒng)三維實體模型CAD接口的實現(xiàn)結(jié)果。

3.3.1 三角網(wǎng)格實體模型CAD接口實現(xiàn)

采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)研究了Grid三角剖分、最大張角三角剖分和割耳朵三角剖分等算法，實現(xiàn)對采空區(qū)所有有效掃描點的三角剖分，構(gòu)建基于采空區(qū)三角網(wǎng)格模型的三維實體模型。研究解析三角網(wǎng)格實體模型dxf文件存儲規(guī)律，得出三角網(wǎng)格實體模型由大量三維面圖元構(gòu)成。讀取三角網(wǎng)格3個頂點的坐標信息，并按照順序閉合3個頂點形成三維面，三角網(wǎng)格實體模型dxf文件圖元段的簡要代碼結(jié)構(gòu)如圖8所示。

注：圖中“3DFACE”表示三維面圖元

集成系統(tǒng)完成對采空區(qū)點云數(shù)據(jù)三角剖分后輸出txt格式文件的三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)，它包含所有三角網(wǎng)格頂點的三維坐標信息。三角網(wǎng)格實體模型CAD接口借助于Visual C++編程語言設(shè)計程序接口讀取網(wǎng)格模型中三角形的頂點坐標，然后按圖8所示的構(gòu)成三角網(wǎng)格實體模型dxf文件的存儲規(guī)律將讀取的數(shù)據(jù)寫入自動生成地空白dxf文件中。通過三角網(wǎng)格實體模型CAD接口輸出的三角網(wǎng)格實體模型dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖9所示。

圖9 采空區(qū)三角網(wǎng)格實體模型顯示效果

3.3.2 掃描線三維實體模型CAD接口實現(xiàn)

基于采空區(qū)激光探測系統(tǒng)掃描軌跡線建立空區(qū)模型是采空區(qū)三維快速建模的有效途徑之一。研究解析掃描軌跡線三維實體模型dxf文件存儲規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該實體模型的構(gòu)建以掃描軌跡線為基礎(chǔ)，以多段線的形式按順序輸入相鄰2條軌跡線上的掃描點，并以順序?qū)?yīng)的方式連接2條軌跡線上對應(yīng)的點，從而形成格網(wǎng)模型，以此為基礎(chǔ)形成三維實體模型。掃描線三維實體模型dxf文件圖元段的簡要代碼結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 掃描線三維實體模型dxf文件圖元段代碼結(jié)構(gòu)

采空區(qū)激光探測系統(tǒng)得到的掃描軌跡線經(jīng)三維建?？梢暬上到y(tǒng)處理后以txt格式文件的方式輸出所有掃描軌跡線上點的三維坐標信息。掃描線三維實體模型的CAD接口程序運用Visual C++編程語言設(shè)計程序接口，讀取掃描線上各個掃描點坐標及它們的順序，然后，按圖10中掃描線三維實體模型數(shù)據(jù)存儲規(guī)律將數(shù)據(jù)寫入自動生成的空白dxf文件，通過掃描線三維實體模型CAD接口輸出的掃描軌跡線和掃描線三維實體模型dxf文件在AutoCAD中的顯示效果如圖11所示。

(a) 掃描軌跡線；(b) 掃描線三維實體

4 結(jié)論

1) 根據(jù)采空區(qū)激光探測三維建?？梢暬上到y(tǒng)的功能需求，解析了CAD接口文件存儲特征，提出了集成系統(tǒng)的CAD接口開發(fā)方法。

2) 開發(fā)了集成系統(tǒng)的CAD接口程序，實現(xiàn)了由系統(tǒng)輸出的采空區(qū)三維點云模型、空區(qū)剖面、三角網(wǎng)格實體模型和掃描線三維實體模型的dxf文件自動生成，實現(xiàn)了集成系統(tǒng)與AutoCAD 之間的對接。

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Realization of CAD interface in 3D modeling visualized integrated system of cavity’s laser detection

LUO Zhouquan, ZHOU Jiming, LUO Zhenyan, XIONG Lixin, ZHANG Wenfen

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to satisfy the functional requirements of the cavity’s 3D modeling integrated system, the data storage characteristics of dxf file used universally by CAD were researched. The CAD interface of system data was developed. The dxf files about cavity’s point cloud model, profile, triangular mesh entity model and entity model based on scanning strips created by the system were generated automatically. The results show that the data sharing between integrated systems and AutoCAD can be realized through this interface, and great conveniences can be brought by the interface in the works surrounding cavity such as relevant mining design, which provides useful reference for designing the CAD interface.

cavity; laser detection; 3D modeling; CAD interface; dxf file

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.021

TD76

A

1672?7207(2015)07?2532?07

2014?07?12；

2014?09?25

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK09B02-05)；中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2013zzts061，2014zzts268) (Project(2012BAK09B02-05) supported by the National “Twelfth Five” Science and Technology Support Program; Projects(2013zzts061, 2014zzts268) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

羅周全，教授，從事金屬礦深井開采及災(zāi)害辨析監(jiān)控理論與技術(shù)研究；E-mail: lzq505@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)