煤堆測(cè)量工作中三維立體圖生成法的運(yùn)用研究論文
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布結(jié)果顯示：2014 年我國(guó)煤炭消費(fèi)量為 35.1 億 t,占世界煤炭消費(fèi)總量的 52%.其中用煤第一大戶為電力行業(yè)，占 50%左右；鋼鐵、建材行業(yè)煤炭消費(fèi)量分別為 15.9%和 14.9%.很多企業(yè)都設(shè)有自己的儲(chǔ)煤場(chǎng)，例如：火力發(fā)電廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括進(jìn)煤、儲(chǔ)煤、燃煤等，儲(chǔ)煤作為“承上啟下”的一環(huán)，牽制著發(fā)電廠的整個(gè)運(yùn)行活動(dòng)，準(zhǔn)確地將儲(chǔ)煤量報(bào)告給管理部門，對(duì)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(xiàng)簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的煤堆測(cè)量技術(shù)，優(yōu)勢(shì)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(shù)碼合成技術(shù)制作相應(yīng)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(duì)其進(jìn)行處理，得出一個(gè)和原物成比例的數(shù)字模型，其精確度超過 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(yīng)用[1].
1.1 數(shù)字地形建模 （GIS）
數(shù)字地形建模的本質(zhì)是將地形表面信息進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，具有很強(qiáng)的空間位置和地形特征。該技術(shù)將地形放置在三維坐標(biāo)系中，通過一系列的離散點(diǎn)來構(gòu)建模型，目前在地理信息中應(yīng)用廣泛，和我們的關(guān)系也很密切，如 GPS、農(nóng)業(yè)管理等。
1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)
虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)給人以逼真、自然的場(chǎng)景，屬于一種大規(guī)模的場(chǎng)景建模技術(shù)，很多電影娛樂特效都是基于該技術(shù)創(chuàng)建的，在以后的工程模擬和災(zāi)害預(yù)測(cè)中必然會(huì)得到發(fā)展。
2 三維立體圖生成法在煤堆測(cè)量工作中的應(yīng)用
2.1 對(duì)矩形區(qū)域進(jìn)行三角剖分
三角剖分是計(jì)算機(jī)圖形和幾何中的關(guān)鍵問題，其質(zhì)量直接影響到計(jì)算的精確度，其中以 Delaunay三角剖分應(yīng)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(shù)據(jù)點(diǎn)，據(jù)此技術(shù)人員將煤場(chǎng)底面假定為矩形區(qū)域，之后進(jìn)行散落點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，最終建立煤堆三維立體圖。
2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)該算法的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：①每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都以鏈表的形式儲(chǔ)存，且對(duì)應(yīng)著各自的 x、y 坐標(biāo)值和高度值；②邊界點(diǎn)集由邊界上的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成，記錄內(nèi)容相同，不過隨著剖分而作實(shí)時(shí)修改；③內(nèi)點(diǎn)集由區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)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(jié)點(diǎn)都記錄著三角形頂點(diǎn)指針，按照逆時(shí)針排列[2].三角剖分過程如圖 1 所示。
2.1.2 算法的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集完成后，就要對(duì)其進(jìn)行算法處理，具體步驟如下：
（1） 根據(jù)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的所在區(qū)域?qū)ζ浼尤胍欢ǖ木匦芜吔纾蟀凑諕呙璨介L(zhǎng)生成邊界的點(diǎn)集和邊集，將其作為原始數(shù)據(jù)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(qū)域的最左端） 作為基邊，之后在右側(cè)搜索第三點(diǎn)，使 cos （∠P1P3P2）取得最大值。
（3） 檢查第三點(diǎn)，對(duì)邊界的邊集進(jìn)行修改，如圖 2 所示，即在內(nèi)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(hào)依次記錄下來，并認(rèn)真更新邊界的邊數(shù)、點(diǎn)數(shù)。如果內(nèi)點(diǎn)數(shù)為 0,則說明未完成的部分是一個(gè)具有邊界點(diǎn)的多邊形區(qū)域。
此時(shí)要以該多邊形最小內(nèi)角兩條邊和另外的兩個(gè)頂點(diǎn)連接三角形，并對(duì)應(yīng)地修改邊界邊數(shù)、點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)集，記錄三角形頂點(diǎn)號(hào)。如果內(nèi)點(diǎn)數(shù)不為 0,而且邊數(shù)大于 3,則繼續(xù)從第二步開始；如果內(nèi)點(diǎn)數(shù)為0,而且邊數(shù)大于 3,則從第三步開始；如果都不是的話就結(jié)束三角剖分運(yùn)算[3].
2.2 煤堆三維立體圖的生成
對(duì)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三角剖分后，再經(jīng)過圖形變換，就可以將三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集用三維圖形表示出來，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和平面域內(nèi)的一樣。在三維立體圖中，軸測(cè)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(cè)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(biāo)面的形狀，接近人們的視覺習(xí)慣，一般在設(shè)計(jì)中用軸測(cè)圖來幫助構(gòu)思和想象物體，以此來補(bǔ)充正投影的不足。
軸測(cè)圖具有平行投影的所有特性：①物體上互相平行的線段在軸測(cè)圖上仍然是平行的；②物體上兩平行線段或同一直線上的兩線段長(zhǎng)度之比在軸測(cè)圖上不變；③物體上平行軸測(cè)投影面的直線和平面等于軸測(cè)圖上的實(shí)長(zhǎng)和實(shí)形。
軸測(cè)圖的主要畫法如下：
2.2.1 坐標(biāo)法根據(jù)物體的特點(diǎn)建立合適的坐標(biāo)系，在坐標(biāo)中畫出各頂點(diǎn)的軸測(cè)投影，之后將各點(diǎn)連接組成其軸測(cè)圖。具體步驟如下：①確定坐標(biāo)的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸；②作軸測(cè)點(diǎn)，按照坐標(biāo)次序?qū)㈨斆娓鼽c(diǎn)的軸測(cè)投影連接；③過頂面各點(diǎn)做 OZ 軸的平行線，量取相應(yīng)的高度，再連接起來即得到軸測(cè)圖。
2.2.2 疊加法對(duì)于一些圖形可以用疊加法來畫出其各部分的軸測(cè)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，畫出第一部分的軸測(cè)圖，之后畫出第二部分的軸測(cè)圖；③分別將第一部分和第二部分開槽和整理，最終得到該物體的軸測(cè)圖。
2.2.3 切割法切割法首先將物體看作一定形狀，畫出其軸測(cè)圖，之后按照物體形成的過程對(duì)其進(jìn)行切割，依次畫出被切割后的形狀[4].在煤堆三維立體圖生成過程中，主要應(yīng)用坐標(biāo)法和相應(yīng)的矩陣變換方法，最終形成數(shù)據(jù)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(duì)其不可見部分進(jìn)行消隱處理。煤堆三維立體圖一般由三角面片線框勾勒，消除隱藏線對(duì)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，外法線和 y 軸夾角是判斷該外法線所在平面可見性的重要標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)該夾角 90°≤U≤180°且 cosU≤0 時(shí)，該外法線所在平面不可見；當(dāng) 0°≤U≤90°且 cosU>0 時(shí)，該外法線所在平面可見。cosU 正負(fù)號(hào)的判斷方法按式（1）進(jìn)行，由公式可以看出 cosU 的符號(hào)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(shù)。
3 三維立體圖生成法在煤堆測(cè)量工作中的效果分析
選取 1 個(gè) 200 m×80 m 區(qū)域的煤堆進(jìn)行測(cè)量。
首先利用激光掃描儀將煤堆的三維非規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)以圖形形式展示出來，提高其可視性；然后將采集到的數(shù)據(jù)放入到三維圖形中，整個(gè)計(jì)算過程不超過 3s,即可得到三維網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)圖，如圖 3 所示。從布置儀器到得出結(jié)果，整個(gè)過程比傳統(tǒng)方法用時(shí)少50%左右，而且其精度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后五位（單位為 m3），比傳統(tǒng)手段提高了 15%,完全滿足了實(shí)際使用要求。
4 結(jié) 語(yǔ)
煤堆測(cè)量作為用煤大戶的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，在指導(dǎo)生產(chǎn)、安排企業(yè)資金等環(huán)節(jié)中起著非常重要的作用，積極運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)提高煤堆測(cè)量工作的方便性和準(zhǔn)確性是目前煤堆測(cè)量工作的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹的三維立體圖生成法正是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，與傳統(tǒng)煤堆測(cè)量方法相比，優(yōu)勢(shì)明顯，為類似煤堆測(cè)量工作提供了參考。
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