1 引言
矿产作为关系到国计民生的战略性资源，其生产安全一直是各级政府高度重视的问题。由于我国地质条件复杂，矿井生产又受特殊工作环境的限制，充分掌握矿山整体环境、矿井环境、设备等信息，对于矿山生产管理、安全保障等都具有十分重要的意义。
自 1999 年首届“国际数字地球”大会提出了“数字矿山”以来，经过十多年的发展，国外在数字矿山方面的研究已经达到了较高水平，开发出了众多GIS 矿山软件，包括三维虚拟矿山。我国大多数矿井内部三维模型较少考虑矿山周边环境影响，没有将实景三维空间模型、应急救援保障服务等方面的信息集成到一个平台，功能比较单一。因此，本文通过对全景激光移动测量、虚拟现实等技术进行研究，建立了实景三维矿山安全生产管理系统框架，同时对其关键技术进行研究，可以为数字矿山实景三维动态可视化建设提供参考。
2 实景三维概述
实景三维 GIS 是在二维 GIS 的基础上，通过移动测量系统增加连续的地面可量测影像库作为新的数据源，并通过开放的 GIS 软件平台与其实景三维数据无缝集成，从而为用户提供具有丰富区域环境信息和三维信息的实景可视化环境，进而对地面物体施行有效的管理。
2.1 移动测量系统
移动测量系统（Mobile Mapping System，简称MMS）是在移动载体（机动车、铁路机车、飞机或无人机）上装配 GPS（全球定位系统）、CCD（摄影测量系统）、惯性导航系统（INS）等先进的传感器和设备，在载体的行进之中通过摄影测量的方式快速采集地物的空间位置数据和属性数据，并同步存储在计算机中，经专门软件编辑处理，形成多种有用的专题数据。
2.2 可量测实景影像
可量测实景影像（Digital Measurable Image，简称 DMI）是一种以地面近景摄影测量立体影像文件及其外方位元素构成的基础地理信息产品，通过可量测实景影像提供的开发包直接对立体影像进行测量、信息提取，并与其他基础地理信息产品集成。
可量测实景影像可通过移动测量系统采集，并可通过开发与其他测绘地理信息产品进行集成，实现实景三维显示、量测、统计分析等功能。
基于移动测量系统，以道路巡航的方式高密度采集研究矿区的连续可量测实景影像，以 5m 间隔采集一次覆盖地表 360°范围的影像。通过沿矿区道路进行地毯式扫描，即可建立矿区海量 DMI 立体影像库。该影像库实际上全方位地记录了矿区地面的真实环境和三维空间尺寸，从而可以构成矿山实景三维景观，为实景三维矿山安全生产管理系统提供地面实景三维数据支持。
3 系统平台框架
利用全景激光移动测量系统，并结合矿山各类安全传感器（人员定位、瓦斯监控、视频监控等），可以实现矿山安全系统集成，为矿山生产管理及安全应急救援提供数据支持。系统架构设计如图 1 所示。
4 系统建设关键技术
实景三维矿山安全生产管理系统的实现涉及众多的学科知识,主要包括三维空间数据获取、数据模型与数据结构及虚拟现实等关键技术。从图 1 中可以看出,数据获取是本系统的数据来源,数据存储是数字矿山系统的基础，数据表达是数字矿山系统的核心。
4.1 三维空间数据获取
数据获取是建立实景三维矿山安全生产管理系统的基础工作。数据的准确程度是数据模型精度及空间分析准确性的关键。矿山数据获取主要集中在实景影像数据、矿山测量数据、三维激光扫描数据等方面。为此，数据的获取具有多源性特点,应根据数据模型和数据结构实施有效的组合和叠加,保证数据的质量和数量。除了传统测量、地质钻探等方法,矿山三维空间数据获取现代技术主要有以下方法：
（1）基于移动测量技术的实景影像采集。
MMS 由于其自身的特点，可量测实景影像无论从采集方式、数据表达的直观性、数据的丰富程度、后期数据处理上都较传统矿区二维平面地图有质的改进。此外，由于 MMS 采用地面近景摄影测量原理，除了获得矿山基础空间数据外，同时获得高分辨率立体影像数据。通过建立矿山基础影像数据库，可方便地进行实景三维地图、地物普查数据与实物的比对，从而可以构成矿山基础普查数据质量检查体系。
（2）基于地形数据的三维建模。
数字摄影测量是获取地面三维数据较为精确和可靠的技术,利用数字摄影测量系统可以得到矿区地表影像及 DEM。利用 VBA 的二次开发对 DEM 生产的不规则三角网 TIN 进行数据处理，再利用 ArcGIS 下的 ArcScene 模块实现矿区地面环境的虚拟建模。利用该方法进行矿区三维建模与传统测量方式相比，它具有精度高、成本底、周期短、外业工作量少等优点。
（3）基于便携式激光扫描技术的巷道三维建模。
三维激光扫描即利用数据实景复制技术,采用中短距三维激光扫描仪采集扫描矿山巷道点云,这些点云用点、多边形、曲线或曲面等形式描述,可以建立几何模型,同时配合其他方法获取扫描物体的纹理数据进行三维矿井实体建模。这种扫描方法的特点是快速、精确，但数据量大，需要进行数据简化和压缩，以便更好地用于矿山巷道的三维扫描及矿山安全生产管理平台实际使用。
4.2 数据模型和数据结构
实景三维矿山安全生产管理系统由于涉及众多类型数据，为典型的多维动态系统。要对其数据进行抽象与表达,就要研究能够对复杂地理现象进行动态描述和实时表达的时空数据模型。空间数据结构是指带有结构的数据元素的集合，要建立实景三维矿山安全生产管理系统的时空数据模型,就必须采用一种对其能够准确表达的时空数据结构。
在三维空间数据模型方面,国内外已经进行了众多的研究,提出了多种三维数据模型。一般可以将数据模型分为面模型、体模型和混合模型。矿山空间对象具有如下特点：几何形态和空间关系的高度复杂性；几何特征和内部属性变化的不确定性。在研究面向矿山空间三维数据模型和数据结构时,首先必须对这些特点有足够的认识,才能找到最合适的三维实体的表达方式和建模方法。
4.3 虚拟现实技术
实景三维矿山安全生产管理系统以仿真与虚拟现实技术为支撑，能够对矿山周边环境进行三维场景设计,从而对矿区开发、运营状况进行监测，对生态环境进行实时监测与时空模拟，评估矿山开采对自然生态环境的影响。同时，通过对开采巷道的建模，能够实现对井下开采状况的管理，以及进行巷道变形监测、巷道应力分析、井下巷道贯通、井下场地开拓、超欠挖测量、储量计算等。利用模型可以对井下采场矿山压力显现、岩层移动等进行实时监测，对矿山火灾、水灾、瓦斯和煤尘爆炸等进行动态仿真，对采空区进行数字定位。从而实现对整个矿山进行现实模拟，且模拟场景可以多维度、多视角、多分辨率等方式显示。整个三维矿山安全生产管理系统利用虚拟技术能够实现矿山数据的可视化集成，能够为科学开采和管理矿山提供技术支持。
5 结语
随着国民经济的高速发展和工业化进程的快速推进,矿山安全生产面临着重大挑战。实景三维矿山安全生产管理系统通过利用车载全景激光移动测量系统、便携式三维激光扫描技术、虚拟现实技术等，实现矿山信息的获取、存储、传输、表达及应用，能够为建设智慧矿山提供技术保障。
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