煤堆測量工作中三維立體圖生成法的運用研究論文
國家統計局公布結果顯示：2014 年我國煤炭消費量為 35.1 億 t,占世界煤炭消費總量的 52%.其中用煤第一大戶(hù)為電力行業(yè)，占 50%左右；鋼鐵、建材行業(yè)煤炭消費量分別為 15.9%和 14.9%.很多企業(yè)都設有自己的儲煤場(chǎng)，例如：火力發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)節主要包括進(jìn)煤、儲煤、燃煤等，儲煤作為“承上啟下”的一環(huán)，牽制著(zhù)發(fā)電廠(chǎng)的整個(gè)運行活動(dòng)，準確地將儲煤量報告給管理部門(mén)，對于保證企業(yè)的正常生產(chǎn)至關(guān)重要。三維立體技術(shù)作為一項簡(jiǎn)便、準確的煤堆測量技術(shù)，優(yōu)勢明顯，目前正在被迅速推廣和使用。
1 三維立體技術(shù)介紹
三維立體技術(shù)是利用先進(jìn)的數碼合成技術(shù)制作相應的三維立體圖像。選擇清晰的照片掃描到電腦里，之后利用電腦里的三維制圖軟件對其進(jìn)行處理，得出一個(gè)和原物成比例的數字模型，其精確度超過(guò) 99%.目前在具體工程中，三維立體技術(shù)主要有以下 2 方面應用[1].
1.1 數字地形建模 （GIS）
數字地形建模的本質(zhì)是將地形表面信息進(jìn)行數字化表達，具有很強的空間位置和地形特征。該技術(shù)將地形放置在三維坐標系中，通過(guò)一系列的離散點(diǎn)來(lái)構建模型，目前在地理信息中應用廣泛，和我們的關(guān)系也很密切，如 GPS、農業(yè)管理等。
1.2 虛擬現實(shí)
虛擬現實(shí)是利用計算機技術(shù)給人以逼真、自然的場(chǎng)景，屬于一種大規模的場(chǎng)景建模技術(shù)，很多電影娛樂(lè )特效都是基于該技術(shù)創(chuàng )建的，在以后的工程模擬和災害預測中必然會(huì )得到發(fā)展。
2 三維立體圖生成法在煤堆測量工作中的應用
2.1 對矩形區域進(jìn)行三角剖分
三角剖分是計算機圖形和幾何中的關(guān)鍵問(wèn)題，其質(zhì)量直接影響到計算的精確度，其中以 Delaunay三角剖分應用最為廣泛。它的一個(gè)重要性質(zhì)就是其外接圓不包括其他數據點(diǎn)，據此技術(shù)人員將煤場(chǎng)底面假定為矩形區域，之后進(jìn)行散落點(diǎn)數據采集，最終建立煤堆三維立體圖。
2.1.1 數據結構該算法的具體數據結構如下：①每個(gè)數據點(diǎn)都以鏈表的形式儲存，且對應著(zhù)各自的 x、y 坐標值和高度值；②邊界點(diǎn)集由邊界上的數據點(diǎn)構成，記錄內容相同，不過(guò)隨著(zhù)剖分而作實(shí)時(shí)修改；③內點(diǎn)集由區域內的點(diǎn)坐標構成鏈表，也要進(jìn)行實(shí)時(shí)修改；④三角形集是剖面形成的三角形鏈表，鏈上的每個(gè)節點(diǎn)都記錄著(zhù)三角形頂點(diǎn)指針，按照逆時(shí)針排列[2].三角剖分過(guò)程如圖 1 所示。
2.1.2 算法的實(shí)現數據收集完成后，就要對其進(jìn)行算法處理，具體步驟如下：
�。�1） 根據原始數據點(diǎn)的所在區域對其加入一定的矩形邊界，之后按照掃描步長(cháng)生成邊界的點(diǎn)集和邊集，將其作為原始數據點(diǎn)集的組成部分。
�。�2） 在邊界的邊集中選取 x 值最小的點(diǎn) （即位于區域的最左端） 作為基邊，之后在右側搜索第三點(diǎn)，使 cos （∠P1P3P2）取得最大值。
�。�3） 檢查第三點(diǎn)，對邊界的邊集進(jìn)行修改，如圖 2 所示，即在內點(diǎn)集不變的情況下刪除原邊界集中的'邊界邊，增加新的邊界點(diǎn)。
�。�4） 將三角形的頂點(diǎn)號依次記錄下來(lái)，并認真更新邊界的邊數、點(diǎn)數。如果內點(diǎn)數為 0,則說(shuō)明未完成的部分是一個(gè)具有邊界點(diǎn)的多邊形區域。
此時(shí)要以該多邊形最小內角兩條邊和另外的兩個(gè)頂點(diǎn)連接三角形，并對應地修改邊界邊數、點(diǎn)數、點(diǎn)集，記錄三角形頂點(diǎn)號。如果內點(diǎn)數不為 0,而且邊數大于 3,則繼續從第二步開(kāi)始；如果內點(diǎn)數為0,而且邊數大于 3,則從第三步開(kāi)始；如果都不是的話(huà)就結束三角剖分運算[3].
2.2 煤堆三維立體圖的生成
對三維數據點(diǎn)進(jìn)行三角剖分后，再經(jīng)過(guò)圖形變換，就可以將三維數據點(diǎn)集用三維圖形表示出來(lái)，其拓撲結構和平面域內的一樣。在三維立體圖中，軸測圖可以比較簡(jiǎn)單地進(jìn)行繪制，一般也采用這種方法。軸測圖是一種單面投影圖，其在 1 個(gè)投影面上可以同時(shí)反映出 3 個(gè)坐標面的形狀，接近人們的視覺(jué)習慣，一般在設計中用軸測圖來(lái)幫助構思和想象物體，以此來(lái)補充正投影的不足。
軸測圖具有平行投影的所有特性：①物體上互相平行的線(xiàn)段在軸測圖上仍然是平行的；②物體上兩平行線(xiàn)段或同一直線(xiàn)上的兩線(xiàn)段長(cháng)度之比在軸測圖上不變；③物體上平行軸測投影面的直線(xiàn)和平面等于軸測圖上的實(shí)長(cháng)和實(shí)形。
軸測圖的主要畫(huà)法如下：
2.2.1 坐標法根據物體的特點(diǎn)建立合適的坐標系，在坐標中畫(huà)出各頂點(diǎn)的軸測投影，之后將各點(diǎn)連接組成其軸測圖。具體步驟如下：①確定坐標的原點(diǎn)和坐標軸；②作軸測點(diǎn)，按照坐標次序將頂面各點(diǎn)的軸測投影連接；③過(guò)頂面各點(diǎn)做 OZ 軸的平行線(xiàn)，量取相應的高度，再連接起來(lái)即得到軸測圖。
2.2.2 疊加法對于一些圖形可以用疊加法來(lái)畫(huà)出其各部分的軸測圖，然后再進(jìn)行整合。具體步驟如下：①將物體分為可疊加的幾個(gè)部分；②定出原點(diǎn)位置，畫(huà)出第一部分的軸測圖，之后畫(huà)出第二部分的軸測圖；③分別將第一部分和第二部分開(kāi)槽和整理，最終得到該物體的軸測圖。
2.2.3 切割法切割法首先將物體看作一定形狀，畫(huà)出其軸測圖，之后按照物體形成的過(guò)程對其進(jìn)行切割，依次畫(huà)出被切割后的形狀[4].在煤堆三維立體圖生成過(guò)程中，主要應用坐標法和相應的矩陣變換方法，最終形成數據點(diǎn)集的三維圖形。
2.3 消隱處理
三維圖形要有明確的意義和真實(shí)感，因此要對其不可見(jiàn)部分進(jìn)行消隱處理。煤堆三維立體圖一般由三角面片線(xiàn)框勾勒，消除隱藏線(xiàn)對于增加其真實(shí)感是很有必要的。在煤堆立體圖中，每個(gè)三角面片都有其外法線(xiàn)，外法線(xiàn)和 y 軸夾角是判斷該外法線(xiàn)所在平面可見(jiàn)性的重要標準。當該夾角 90°≤U≤180°且 cosU≤0 時(shí)，該外法線(xiàn)所在平面不可見(jiàn)；當 0°≤U≤90°且 cosU>0 時(shí)，該外法線(xiàn)所在平面可見(jiàn)。cosU 正負號的判斷方法按式（1）進(jìn)行，由公式可以看出 cosU 的符號由 B 決定[5].cosU=UN（1）N=Ai+Bj+Ck （2）式中：|N|為法向量 N 的模，恒為正值；U 為外法線(xiàn)與 y軸夾角；i、j、k 分別為 x、y、z 軸 3 個(gè)方向的單位向量；A、B、C 均為系數。
3 三維立體圖生成法在煤堆測量工作中的效果分析
選取 1 個(gè) 200 m×80 m 區域的煤堆進(jìn)行測量。
首先利用激光掃描儀將煤堆的三維非規則數據場(chǎng)以圖形形式展示出來(lái)，提高其可視性；然后將采集到的數據放入到三維圖形中，整個(gè)計算過(guò)程不超過(guò) 3s,即可得到三維網(wǎng)格狀結構圖，如圖 3 所示。從布置儀器到得出結果，整個(gè)過(guò)程比傳統方法用時(shí)少50%左右，而且其精度能達到小數點(diǎn)后五位（單位為 m3），比傳統手段提高了 15%,完全滿(mǎn)足了實(shí)際使用要求。
4 結 語(yǔ)
煤堆測量作為用煤大戶(hù)的一項基礎性工作，在指導生產(chǎn)、安排企業(yè)資金等環(huán)節中起著(zhù)非常重要的作用，積極運用先進(jìn)技術(shù)提高煤堆測量工作的方便性和準確性是目前煤堆測量工作的發(fā)展趨勢。本文介紹的三維立體圖生成法正是在計算機技術(shù)的基礎上發(fā)展而來(lái)的，與傳統煤堆測量方法相比，優(yōu)勢明顯，為類(lèi)似煤堆測量工作提供了參考。
參考文獻：
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[ 5 ] 張健雄，蔣金豹，張建霞。 數字測量在煤堆儲量測定中的應用[J ].中州煤炭，2003 （6）：30 - 31.
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