DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.021
采空区激光探测三维建模可视化集成系统CAD接口实现
罗周全，周吉明，罗贞焱，熊立新，张文芬
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：根据自主研发的采空区激光探测三维建模可视化集成系统的功能，研究CAD通用dxf格式文件的数据储存特征，开发系统数据的CAD接口，实现由系统输出的采空区三维点云模型、空区剖面、三角网格实体模型和扫描线三维实体模型dxf文件的自动生成。研究结果表明：接口的研发不仅能够很好地实现集成系统与AutoCAD 之间的数据对接，为矿山开展采空区周边相关开采工程设计带来极大的方便，而且能为其他CAD接口技术的研发提供借鉴。
关键词：采空区；激光探测；三维建模；CAD接口；dxf文件
中图分类号：TD76 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)07-2532-07
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)
Abstract: 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.
Key words: cavity; laser detection; 3D modeling; CAD interface; dxf file
金属和非金属地下矿山开采形成的采空区是矿山主要灾源之一，如何有效地探知采空区的空间位置和三维形态等相关信息，并建立其三维可视化模型是有效实现采空区安全管理和控制的重要基础性工作之一[1-3]。当前，国内外对采空区的探测技术主要包括工程钻探、地球物理勘探、三维激光探测等技术[4]，其中主要的采空区激光探测设备有加拿大Optech公司生产的CMS(cavity monitoring system)[5]和英国MDL公司生产的C-ALS(cavity auto scanner laser system)[6]等，它们基于激光测距的原理，通过扫描头的旋转扫描获取大量采空区边界的点云数据，通过处理软件输出扫描点的空间三维坐标信息。本文所采用的采空区激光扫描空间信息三维建模及计算分析集成系统由作者所在团队自主研发，集采空区信息管理、三维建模及可视化分析与计算等功能于一体，其对采空区三维可视化安全管理和分析具有独特优势。为进一步拓展系统的功能，需实现与其他软件之间的数据对接。AutoCAD是美国Autodesk公司研发的自动计算机辅助设计软件，是目前世界上应用最广的绘图平台[7]，其在矿业工程的应用涵盖了地质数据与图形处理、测量验收、采矿设计、进度计划编制、排土场设计、露天矿境界确定、开拓布线等矿山设计和生产的各个方面[8]。采空区激光探测三维建模可视化集成系统实现与AutoCAD的接口具有重要的应用价值[9]。dxf(drawing interchange format)是AutoCAD软件用于保存数据的一种标准文件格式。它既可以实现与其他图形格式的文件进行数据交换，也可以从中直接提取所需数据。实现txt文件向dxf数据存储文件的转化不仅能满足集成系统的客观功能需求，也为原始探测数据直接转化dxf文件提供了准确有效的方法。通过研究AutoCAD R12/LT2 格式dxf文件数据存储规律，借助Visual C++编程语言，结合国内外dxf数据存储文件的转化研究，研究采空区激光探测三维建模可视化集成系统数据输出txt 格式文件向dxf数据存储文件的转化，不仅实现了集成系统与AutoCAD之间的数据对接，而且完善了国内外2种数据文件转化的研究方法。
1 采空区激光探测三维建模可视化集成系统
综合运用Visual C++编程工具、计算机三维图形技术和数据库技术，自主研发了采空区激光探测三维建模可视化集成系统。该集成系统以空区激光探测系统(CMS)探测获取的采空区边界点云空间信息数据为基础，具备采空区三维模型构建及三维操作、采空区体积和顶板暴露面积计算以及采空区信息管理等功能。系统根据CMS扫描点的空间拓扑关系，运用多种三角剖分算法对采空区边界点云数据进行三角剖分，实现了采空区三角网的构建。借助OpenGL三维图形接口功能，建立了采空区三维可视化环境，实现了CMS扫描轨迹线、采空区三角网模型和实体模型的三维显示、三维操作和计算等三维可视化管理功 能[10]。图1和图2所示分别为某地下矿山采空区三角网模型和实体模型的三维显示。
图1 采空区三角网模型三维显示
Fig. 1 3D view of cavity’s triangulation
图2 采空区实体模型三维显示
Fig. 2 3D view of cavity’s entity model
2 CAD接口文件特征分析及实现方法
AutoCAD软件是矿山企业生产设计中必备的基础软件，实现激光探测三维建模可视化集成系统与AutoCAD之间的数据传递与共享是强化系统功能、提高其应用价值的必然要求。
AutoCAD R12/LT2格式dxf文件存储结构简单、数据存储规律便于解析、数据写入方便，是作为CAD接口文件的最佳文件格式之一，因此，选定该格式dxf文件作为采空区三维建模可视化集成系统与AutoCAD之间接口文件。
dxf文件可使用文本编辑器查看并编辑其内容。通过对dxf文件存储结构解析发现，dxf文件主要由7个段组成，包括标题段(HEADER)、类段(CLASSES)、符号表段(TABLES)、块段(BLOCKS)、图元段(ENTITIES)、对象段(OBJECTS)、文件结束符号(组码为0，关联值为 EOF)[11-13]，其中图元段(ENTITIES)包含图形所需要的所有图元以及图元的各项信息，是dxf文件图形显示的最重要组成部分，也是本研究的重要突破点。dxf文件由组码和关联值构成，组码确定了其后关联值的类型，每个组码和关联值各占1行[14-15]。表1所示为dxf文件中图元段常用组码。
表1 dxf文件图元段常用组码
Table 1 Usual group codes of ENTITIES in dxf file
在深入分析dxf格式文件的应用范围、数据存储特征，解析各类图形dxf文件存储规律的基础上，采用txt文件存储构成图形的采空区激光扫描点三维坐标信息，运用Visual C++编程语言，实现对txt文件的数据读取以及对dxf文件的数据写入。CAD接口按照图元分析、数据读取、数据写入和应用验证的技术方法实现，该技术方法的简要流程图如图3所示。
集成系统通过三维数据操作，可形成并输出txt文本格式的扫描点原始空间坐标、扫描剖面线构成点以及三维实体模型构成点的坐标信息。接口通过分析读取txt文件，获取采空区的空间信息，形成并输出能为AutoCAD软件读取、编译的dxf文件。
3 CAD接口实现
3.1 采空区扫描点CAD接口实现
采空区激光扫描点云数据由大量扫描点的空间坐标信息组成，该数据是构建采空区模型的基础。采空区三维建模可视化集成系统对数据处理后以txt格式文件的方式输出采空区点云数据，实现该点云数据在AutoCAD中的显示、编辑，研究空间点dxf文件存储规律，发现文件图元段由大量点的三维坐标信息按顺序排列组成，其简要代码结构如图4所示。采空区扫描点CAD接口采用编程语言设计程序接口读取txt文件中的坐标数据，然后按图4中数据排列形式将读取的数据写入生成的空白dxf文件中。
图3 CAD接口开发方法
Fig. 3 Research methods about CAD interface
图4 空间点dxf文件图元段代码结构
Fig. 4 Codes composition of ENTITIES in dxf file about spatial points
txt文本文件中包含了采空区所有有效扫描点的坐标信息，调用研发的采空区扫描点CAD接口程序，读取txt文件并生成采空区扫描点dxf文件。通过扫描点CAD接口输出的dxf文件在AutoCAD中的显示效果如图5所示。表2所示为采空区扫描点CAD接口主要程序代码。
图5 采空区扫描点云模型显示效果
Fig. 5 Display of cavity’s scanning point cloud model
3.2 采空区剖面CAD接口实现
采空区三维建模可视化集成系统可对采空区三维实体模型进行剖切，形成采空区的剖面文件，将采空区的剖面导入AutoCAD中，以辅助矿山的开采设计。实体模型剖切生成的剖面线为多段线，研究解析多段线dxf格式文件存储规律。文件图元段中多段线以空间中各点为其顶点，按空间点输入顺序连接而成，按顺序输入的空间点三维坐标信息反映多段线三维信息。图元段简要代码结构如图6所示。
集成系统完成实体模型剖切后输出txt格式数据存储文件，该文件包含剖面线上所有扫描点的三维坐标信息。采空区剖面CAD接口采用Visual C++编程语言设计程序接口读取txt文件中的数据信息，然后按图6中图元段数据存储格式写入到生成的空白dxf文件中。
图6 多段线dxf文件图元段代码结构
Fig. 6 Codes composition of ENTITIES in dxf file about polyline
通过调用研究的采空区剖面CAD接口程序可直接生成剖面的dxf文件。图7所示为生成的dxf文件在AutoCAD中的显示效果图，表3所示为采空区剖面CAD接口主要程序代码。
3.3 三维实体模型CAD接口实现
采空区三维实体模型的构建是采空区三维可视化技术的关键，目前三维实体模型的构建主要基于2种方式：一种是基于扫描点云的三角剖分构建三角网格模型，进而形成采空区实体模型；另一种是基于扫描轨迹线构建格网模型，从而形成采空区实体模型。以下从三角网格实体模型CAD接口和扫描线三维实体模型CAD接口2个方面分析采空区三维建模可视化集成系统三维实体模型CAD接口的实现结果。
表2 采空区扫描点CAD接口主要程序代码
Table 2 Primary procedure code about CAD interface of cavity’s scanning spots
表3 采空区剖面CAD接口主要程序代码
Table 3 Primary procedure code about CAD interface of cavity’s profile
图7 采空区实体模型剖面显示效果
Fig. 7 Display of profile of cavity’s entity model
3.3.1 三角网格实体模型CAD接口实现
采空区激光探测三维建模可视化集成系统研究了Grid三角剖分、最大张角三角剖分和割耳朵三角剖分等算法，实现对采空区所有有效扫描点的三角剖分，构建基于采空区三角网格模型的三维实体模型。研究解析三角网格实体模型dxf文件存储规律，得出三角网格实体模型由大量三维面图元构成。读取三角网格3个顶点的坐标信息，并按照顺序闭合3个顶点形成三维面，三角网格实体模型dxf文件图元段的简要代码结构如图8所示。
图8 三角网格实体模型dxf文件图元段代码结构
Fig. 8 Codes composition of ENTITIES in dxf file about triangular mesh entity model
集成系统完成对采空区点云数据三角剖分后输出txt格式文件的三角网格模型数据，它包含所有三角网格顶点的三维坐标信息。三角网格实体模型CAD接口借助于Visual C++编程语言设计程序接口读取网格模型中三角形的顶点坐标，然后按图8所示的构成三角网格实体模型dxf文件的存储规律将读取的数据写入自动生成地空白dxf文件中。通过三角网格实体模型CAD接口输出的三角网格实体模型dxf文件在AutoCAD中的显示效果如图9所示。
图9 采空区三角网格实体模型显示效果
Fig. 9 Display of triangular mesh entity model of cavity
3.3.2 扫描线三维实体模型CAD接口实现
基于采空区激光探测系统扫描轨迹线建立空区模型是采空区三维快速建模的有效途径之一。研究解析扫描轨迹线三维实体模型dxf文件存储规律，发现该实体模型的构建以扫描轨迹线为基础，以多段线的形式按顺序输入相邻2条轨迹线上的扫描点，并以顺序对应的方式连接2条轨迹线上对应的点，从而形成格网模型，以此为基础形成三维实体模型。扫描线三维实体模型dxf文件图元段的简要代码结构如图10所示。
图10 扫描线三维实体模型dxf文件图元段代码结构
Fig. 10 Codes composition of ENTITIES in dxf file about cavity’s 3D entity model based on scanning strips
采空区激光探测系统得到的扫描轨迹线经三维建模可视化集成系统处理后以txt格式文件的方式输出所有扫描轨迹线上点的三维坐标信息。扫描线三维实体模型的CAD接口程序运用Visual C++编程语言设计程序接口，读取扫描线上各个扫描点坐标及它们的顺序，然后，按图10中扫描线三维实体模型数据存储规律将数据写入自动生成的空白dxf文件，通过扫描线三维实体模型CAD接口输出的扫描轨迹线和扫描线三维实体模型dxf文件在AutoCAD中的显示效果如图11所示。
图11 采空区扫描线三维实体模型显示效果
Fig. 11 Displays of cavity’s 3D entity model based on scanning strips
4 结论
1) 根据采空区激光探测三维建模可视化集成系统的功能需求，解析了CAD接口文件存储特征，提出了集成系统的CAD接口开发方法。
2) 开发了集成系统的CAD接口程序，实现了由系统输出的采空区三维点云模型、空区剖面、三角网格实体模型和扫描线三维实体模型的dxf文件自动生成，实现了集成系统与AutoCAD 之间的对接。
参考文献：
[1] 李夕兵, 李地元, 赵国彦, 等. 金属矿地下采空区探测、处理与安全评判[J]. 采矿与安全工程学报, 2006, 23(1): 24-29.
LI Xibing, LI Diyuan, ZHAO Guoyan, et al. Detecting, disposal and safety evaluation of the underground goaf in metal mines[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2006, 23(1): 24-29.
[2] 宫凤强, 李夕兵, 董陇军, 等. 基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(2): 323-330.
GONG Fengqiang, LI Xibing, DONG Longjun, et al. Underground goaf risk evaluation based on uncertainty measurement theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(2): 323-330.
[3] 罗周全, 刘晓明, 张木毅, 等. 大规模采场三维探测及回采指标可视化计算[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(6): 1732-1736.
LUO Zhouquan, LIU Xiaoming, ZHANG Muyi, et al. Stope 3D monitoring and its mining index visible calculation[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(6): 1732-1736.
[4] 过江, 古德生, 罗周全. 金属矿山采空区3D激光探测新技术[J]. 矿冶工程, 2006, 26(5): 16-19.
GUO Jiang, GU Desheng, LUO Zhouquan. A new technique of 3D laser survey of finished stopes in metal mines[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2006, 26(5): 16-19.
[5] 罗周全, 鹿浩, 袁节平, 等. 金属矿采空区精密探测与三维建模技术[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2008, 23(3): 83-86.
LUO Zhouquan, LU Hao, YUAN Jieping, et al. Metal mine’s mined-area precise survey and 3D modeling technology[J]. Journal of Hunan University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2008, 23(3): 83-86.
[6] 张耀平, 彭林, 刘圆. 基于C-ALS 实测的采空区三维建模技术及工程应用研究[J]. 矿业研究与开发, 2012, 32(1): 91-94.
ZHANG Yaoping, PENG Lin, LIU Yuan. 3D Modeling technology of cavity based on C-ALS detection and its engineering application[J]. Mining Research and Development, 2012, 32(1): 91-94.
[7] Yamaguchi T, Kawase Y, Nishimura T, et al. 2D finite element analysis data creating system with CAD data[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 161(1): 311-314.
[8] 陈永锋. AutoCAD及其在矿业工程中的应用[J]. 黄金科学技术, 2000, 8(3): 43-46.
CHEN Yongfeng. AutoCAD and its applications in mining engineering[J]. Gold Science and Technology, 2000, 8(3): 43-46.
[9] ZHAO Hao, BAI Runcai, LIU Guangwei. 3D Modeling of open pit based on AutoCAD and application[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2011, 3: 258-265.
[10] 罗贞焱. 基于CMS探测的采空区三维可视化系统研究[D]. 长沙: 中南大学资源与安全工程学院, 2010: 75-76.
LUO Zhenyan. The research of goaf’s 3D visual system based on MS detection[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2010: 75-76.
[11] 刘天立. 基于DXF实现C语言与AutoCAD接口[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2001, 6(4): 60-62.
LIU Tianli. Realizing interface of C language and AutoCAD by DXF file[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2001, 6(4): 60-62.
[12] 汪同庆, 华晋, 鲁军, 等. 基于矢量图形的特征识别方法[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2005, 28(1): 24-27.
WANG Tongqing, HUA Jin, LU Jun, et al. Feature recognition based on vector picture[J]. Journal of Chongqing University (Natural Science Edition), 2005, 28(1): 24-27.
[13] 沈新普, 冯金龙. 基于AutoCAD有限元数值结果图形显示软件开发[J]. 沈阳工业大学学报, 2009, 31(4): 428-431.
SHEN Xinpu, FENG Jinlong. AutoCAD-based software development for numerical result visualization of finite element analysis[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(4): 428-431.
[14] LI Pengfei, GAO Tao, WANG Jianping, et al. Open architecture of CNC system research based on CAD graph-driven technology[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(6): 720-724
[15] YE Jianhua, XIE Minghong. Research on the method of realizing automatically programming tool of NC code and optimization ordering based on DXF file[J]. Journal of Shanghai University (English Edition), 2004, 8(S1): 172-176.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-07-12；修回日期：2014-09-25
基金项目(Foundation item)：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK09B02-05)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(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)
通信作者：罗周全，教授，从事金属矿深井开采及灾害辨析监控理论与技术研究；E-mail: lzq505@csu.edu.cn
