矿井三维巷道的半自动绘制韩福顺1 宫良伟1（1 中国矿业大学，江苏 徐州, 221116）摘 要：本文以AutoCAD为图形处理平台，采用手工绘制与编程绘制相结合的半自动绘制方法，即用Visual Basic编程实现绘制三维巷道的关键语句，其它部分仍用手工绘制，再结合后期图件的修整即可完成复杂的三维巷道绘制。这种方法具有程序简单、绘制速度快、用户易于操作、便于后期应用开发等特点。关键词 ：AutoCAD，三维巷道，半自动绘制，VBDevelopment of Semi-automatic Drawing of 3D TunnelsHAN Fushun, GONG Liangwei(China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221116)Abstract: Taking AutoCAD as graph processing platform, this paper adopting semi-automatic drawing method by the means of manual combine with auto-drawing program. Applying the above-mentioned method, the author developed a 3D tunnel drawing software that drawing key sections by Visual Basic program, other parts by manual and combining with image processing to simulate complicated 3D tunnels. It is easily operational adaptive, rapid and conveniently develop advanced applications.Keyword: AutoCAD, 3D Tunnel, Semi-automatic drawing, Visual Basic1前言AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司生产的计算机辅助设计软件，在我国煤矿设计生产中得到了广泛应用2。随着煤炭行业对安全、高效、自动化的需求不断提高，实现三维矿图的快速绘制已有一定需求。例如，在三维矿图上可按指定高度、方位对矿图进行任意方向剖切，得到相应的剖面图；对三维巷道进行空心处理（俗称“抽壳”），来模拟真实巷道，并可在三维巷道中的“精确”坐标位置绘制出相应的装备（设备、管线、探头等）；在三维巷道上模拟避灾、通风、运煤线路显得更加真实；将CAD中的三维矿图经适当转换可导入3DMAX等其它三维软件进行进一步开发；此外，一些单位在项目招投标或宣传矿井时，展示色彩鲜明的三维立体矿图也起到了相应的正面作用等等。目前，绘制三维巷道的方法主要有两种。一是利用AutoCAD自身带有的三维绘制功能，进行一条条巷道的三维巷道绘制（俗称“手工绘制”）；二是采用部分GIS软件的三维模块功能、OpenGL图形程序接口、VRML建模语言或者AutoCAD的ObjectARX、ActiveX等技术进行二次开发（俗称“编程绘制”）。两种方法都有其优点，同时也存在不同程度的问题。我们知道，在AutoCAD中绘制三维巷道的基本方法是：将沿巷道轴线绘制的三维多段线按拱形（或梯形等）面域进行拉伸即可绘制出三维巷道。国内涉及AutoCAD二次开发的相关论文成果大多基于上述思想2-4，但在具体文献中往往存在以下几个问题：对于编程绘制原理没有清晰地进行阐述或者在绘制的关键地方交代不够清晰；部分论文理论性较强而实例不足；采用全数据库自动建模，编程效率虽然较高，但绘制的三维图不易与原平面图随时比较；此外,一些次要巷道如联络巷、临时巷等常因缺少测点而不绘制。本文介绍的矿井三维巷道的半自动绘制方法是：在矿井已有的平面图基础上，将上述绘制三维巷道的基本方法用短小精悍的VB程序编制，其它部分仍用手工绘制。这样，将手工绘制与编程绘制方法的优点相结合，避免了上述缺点，从而使煤矿三维矿图的快速绘制成为可能。矿井三维巷道的半自动绘制的总体绘制流程思路如图1所示。图1 三维巷道半自动绘制的总体绘制流程图2巷道断面及轴线设计三维巷道设计主要包括两部分，一是巷道断面设计，另一是巷道轴线设计。巷道断面信息主要用来描述巷道的剖面，煤矿巷道中常用的断面形状有半圆拱、圆弧拱、三心拱、梯形和矩形等5。考虑到三维巷道的用途，半圆拱和梯形断面形式能满足大多数情况的需求。对于半圆拱断面，输入圆弧半径和墙高两个参数，对于梯形断面，输入高度和顶宽两个参数，就可以确定出巷道断面。巷道轴线信息是记录巷道形状和位置的关键信息，直接决定了巷道空间分布情况。巷道的轴线主要有直线和圆弧两种形式。为快速生成巷道轴线，根据轴线类型的不同，若为直线则根据起始点和终止点确定一条空间直线，若为圆弧则采用直线逼近圆弧，即在圆弧处画连续的短的直线来代替圆弧，如在井底车场或水仓拐弯处，采用上述方法可以使所拉伸的巷道接近圆弧，即以直线代替圆弧。遍历数据库或Excel数据文件，读出巷道底板中心线的信息，用以下语句构建出整个巷道的轴线。Set Road_Way_Model=acadDoc.ModelSpace.Add3DPoly(points) 注：points是从数据库读出的节点坐标3三维巷道的绘制3.1 三维巷道手工绘制步骤以一条巷道的绘制为例，在AutoCAD中三维巷道手动绘制步骤如下：1）绘制巷道路径。在AutoCAD中将该巷道的测点（含高程数据）依次用三维多段线进行连接，之后在三维多段线的“特性”面板，将各点的高程依次输入Z坐标。2）绘制巷道断面面域。在图纸任意处按照规格绘制巷道断面（如拱形巷道）并转换为面域。3）第一次平面旋转及平移。在XY平面中使用【旋转】命令将巷道断面底边作为基线与巷道路径第一段垂直（旋转点为多段线端点，旋转角度为路径与X轴夹角的余角的补角），平移断面至底边中点与路径端点重合。4）第二次三维旋转。选择菜单栏【修改】|【三维操作】|【三维旋转】命令，选择断面面域为旋转对象，旋转角度为路径与世界坐标系中XY平面的夹角的余角的补角（借助UCS坐标系），旋转轴为巷道底边两端点。此时巷道断面在三维空间中与路径垂直。5）拉伸断面形成三维巷道。选菜单【绘图】|【实体】|【拉伸】命令，选择断面为拉伸对象，三维多段线为拉伸路径，即可生成该段巷道的三维模型。6）打开三维动态观察器，选菜单【视图】|【着色】|【体着色】对巷道进行处理，至此一条三维巷道绘制完成。通过以上步骤可以看出，手工绘制三维巷道步骤繁琐，操作复杂，尤其是生成多段不同的巷道时需要重复操作上述步骤，耗时费力且容易出错。本文重点介绍通过二次开发将上述步骤中的2）5）步进行编程，以减轻绘制三维巷道的工作量，提高绘图效率。3.2 三维巷道半自动绘制原理三维巷道的半自动绘制原理与手工绘制方法基本相同，即利用数据库中的测点，自动用三维多段线绘制巷道底板中心线，为下一步拉伸提供路径与对象；利用CAD二次开发软件自动绘制特定形状的巷道断面面域并通过平面和三维空间的两次旋转使断面与路径垂直；将面域实体作为对象按照路径拉伸（Extrude）形成三维巷道。以此类推，可生成所有的三维巷道。用以下语句对巷道断面面域以三维中线的路径进行拉伸：Set Road_Way =acadDoc.ModelSpaee.AddExtrudedSolidAlongPath(Road_Way_Section_Region(0), Roadway) 注：Road_Way_Section_Region(0)是断面面域，Roadway是底板中心线路径3.3 示例下面以某矿井的采掘工程平面图中的平硐巷道为例介绍如何半自动快速绘制三维巷道。图2 用三维多段线依次连接巷道各导线点1）在AutoCAD中打开某采掘工程平面图，新建图层“三维巷道平硐”，选择菜单栏【绘图】|【三维多段线】，在平面图上将平硐部分含有测点高程的各点用三维多段线按次序逐一进行连接，如巷道有分叉，可先将主巷各点连接完毕后再用一条新的三维多段线对分支巷道进行连接，如此反复，连接后结果如图2（图中显示部分包含3条三维多段线）。图3 在特性面板中输入测点高程数据2）选择其中一条多段线，右键菜单选择【特性】（或者在工具栏上选择“特性”图标）出现“特性”面板。在面板的几何图形参数栏中逐个输入多段线各点的高程数据，如图3所示，同理，输入其余多段线中的测点高程。3）在三维巷道绘制软件界面点击“绘制三维巷道”按钮，在AutoCAD中选取刚绘制、录入高程完毕的3条三维多段线后点击鼠标右键，三维巷道即自动绘制完毕。图4 首次自动绘制的三维巷道4）在AutoCAD中用三维动态观察器可以看到所选三维多段线已变为三维巷道，选择菜单【视图】|【着色】|【体着色】来对巷道进行处理，首次绘制的三维巷道如图4所示。4巷道后期修整在矿井下，实际的巷道往往错中复杂，空间结构十分繁琐，通过以上方法快速创建出来的三维巷道往往都有瑕疵，如图4中14标记处存在连接处不光滑、实体交叉干涉、在巷道端点处无法反映实际情况等问题，使得视觉效果不理想。为了使巷道连接处无缝隙，拐角处光滑，提高其可视性，必须对巷道进行后期修整。例如图4中1处：由于测点在平硐上山拐角处结束，导致三维巷道未反映实际情况，此时可在平面图的巷道端点处新加一个测点来重新生成该段巷道（较精确），也可以通过1处巷道断面的旋转然后水平拉伸来实现三维巷道完整。同理，图4中2、3、4处都需要适当修整处理，修整后的三维巷道如图5所示。5应用采用三维巷道半自动绘制方法已快速绘制了一批矿井三维立体图。图6是某矿井井底车场附近三维巷道图。在此基础上，可以实现后期更多的应用，如绘制剖面图；三维巷道进行“抽壳”；用三维巷道模拟避灾、通风、运煤真实线路等等。图6 某矿井井底车场附近三维巷道图图5 手工修整后绘制的三维巷道主要参考文献：1王玉琨，涂兴子等矿图CAD开发技术M徐州：中国矿业大学出版社，2002：59-602徐福玉，孙玉福基于AutoCAD平台的矿山真三维实体巷道研究与实现J2007，23（03）：20-223许新启，罗映青基于AutoCAD的矿山井巷工程绘图软件的开发J有色冶炼，2002（6）：168-1694李新晗，梅良刚AutoCAD技术下的矿井巷道三维建模J黑龙江科技信息，2009（32）：225袁海平，何锦龙，李肖锋基于AutoCAD技术的矿床三维实体建模研究J采矿技术，2009，9（1）：115-1166林在康，王强等利用AutoCAD帮助信息快速开发采矿软件J2007（9）：134-136第一作者简介：韩福顺（1982），男，山西浑源人，现为中国矿业大学环境与测绘学院讲师。主要研究方向为地图制图与地理信息工程，三维矿井建模及软件开发。2