基于BIM與GIS的礦山巷道參數化三維建模技術研究

李 梅，康濟童，劉 暉，李兆陽，劉 曦，朱 青，肖彬虎

(1.北京大學 遙感與地理信息系統研究所，北京 100871；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710000；3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190；4. 中煤陜西榆林能源化工有限公司 大海則煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引 言

地下巷道是井工礦山生產的主要作業場所，巷道三維建模技術是礦山專業軟件的基本功能，如Surpac、3DMine、LongruanGIS等都有相關建模功能[1-3]。傳統的巷道GIS三維建模是依據采掘工程平面圖的導線測量成果數據進行中線-斷面構建，或者根據巷道兩幫數據構造頂面、底面和側面，形成三角網輪廓模型[4-6]。這些模型數據形態簡單，缺少各專業屬性，集成度低。以“數字孿生”為理念的智能化礦山建設將空間信息與礦山生產業務進行了有機融合，在透明礦井、智能工作面、機器人SLAM、數字孿生與智能診斷等方面具有巨大的應用潛力[7-8]。巷道三維建模技術逐漸轉向了基于BIM參數化建模[9-10]、激光點云巷道重建[11-14]、全景建模[15-17]等新技術。常見的BIM平臺有Revit、MicroStation、CATIA等，廣泛應用于建筑工程、交通、水利和城市建設等領域。國產廣聯達AECORE開發平臺也有廣泛應用[18-19]。BIM建模在煤礦領域應用還剛剛起步。BIM和GIS的集成還剛開展研究[20]。在BIM參數化建模方面，一些煤礦設計單位通過對Revit平臺的二次開發，建立采礦工程井巷設計模塊，實現了煤礦井下巷道BIM設計[21-22]。何利輝[23]提出了巷道參數化BIM建模的思路，并在張家峁開展了應用。李雯靜[24]提出了基于Dynamo的礦井巷道參數化建模方法。甘懷營[25]采用MicroStation進行了巷道參數化建模。陳鎮等[26]采用Dynamo技術進行巷道軸網布置、族庫構建、BIM地質模型建立，驗證了BIM技術在煤礦數字化礦山建模工程中的可行性。

綜上所述，當前煤礦領域的巷道建模還存在如下問題：①BIM巷道三維建模主要用于井巷工程三維協同設計，數據結構復雜、細節信息量大，缺少巷道拓撲關系，在幾何和語義上與GIS模型相差很大，難以實現數據集成和后續應用；②GIS巷道三維建模盡管構建了巷道拓撲關系，但是對于復雜巷道的處理較為簡單，通常舍去硐室等巷道細節信息，拐點和交岔點需要單獨處理，所建三維模型多用于宏觀展示基本形態，可視化能力弱，屬性參數少，也無法滿足智能礦山各個專業的信息化需求。因此急需開展GIS和BIM模型數據集成技術研究。

提出了基于GIS和BIM的巷道參數化建模方法，整理了與巷道建模相關的各種資料和圖表，主要包括地質勘探報告、生產地質報告、支護設計報告、通風設計報告、應急預案等文檔，并獲取了采掘工程平面圖、地質素描剖面圖、采礦設計斷面圖、通風系統圖、避災路線圖等系列基礎圖形數據，對礦圖進行巷道GIS拓撲數據預處理，形成了礦井巷道中線網絡數據集，從圖形和文檔中提取地質素描、巷道設計、通風網絡、避災線路等專業參數，采用布爾運算建模算法根據中心線和屬性參數生成了具有支護、噴漿厚度等細節的巷道模型，并確保硐室、拐彎、交岔點等模型形態。與傳統方法相比，該方法既保留了GIS空間關系，又具有了BIM三維模型細節，能夠方便地與其他信息系統集成，大幅提高了數據的復用性。

1 基于BIM和GIS的巷道三維數據模型

巷道空間是井下作業場所，人員、設備、傳感器等分布于巷道三維空間中。礦井巷道網絡結構復雜，包含數百條甚至上千條分支。與路網、管網、電網等類似，巷道也構成了一個特殊的三維網絡，在這個網絡模型中，每條巷道被抽象為節點、弧段等對象，并且弧段和節點之間有連通關系。利用GIS礦圖的巷道中心線數據，建立基于三角面表示的巷道三維BIM模型。

原始巷道和巷道中線示意如圖1所示。巷道中線上的控制點數據主要來源于2個方面，礦圖上測量導線點坐標和巷道掘進過程中的素描圖實測點。常見的礦圖坐標系有北京54、西安80或2000國家大地坐標，根據具體情況進行坐標轉換預處理。根據這些數據可以生成礦圖1a的巷道平面圖，根據原始巷道控制點數據生成的巷道中線如圖1b所示。

圖1 巷道中線網絡拓撲示意Fig.1 Topology of roadway centerline network

基于GIS和BIM的巷道三維數據模型如圖2所示，包括結點、中間點、巷道弧段、巷道中線等GIS常見的基本數據類型。而BIM基本數據類型為三角形，在三角形上構建了三角網以及巷道參數化模型。兩者通過巷道中線ID進行關聯。

圖2 基于GIS和BIM的巷道三維數據模型Fig.2 3D data model of roadway based on GIS and BIM

1)結點：巷道弧段的端點，也可以是巷道的交岔點。

2)中間點：巷道弧段上除結點以外的其他點。中間點與結點都處于巷道弧段上。

3)巷道弧段：每逢巷道相交時必定斷開，形成結點和弧段，當相鄰兩點間沒有分支的巷道，形成巷道弧段，是構成巷道的基本單位。

4)巷道中線：由巷道弧段組成的、具有一定功能的巷道，由巷道弧段順序連接。通過導線點和素描數據獲得空間坐標信息，形成一條完整的巷道。

結點、中間點、巷道弧段、巷道中線能夠簡單描述巷道的空間形態，構成了巷道三維模型的網絡骨架。即通過搜索弧段首位結點，建立結點和弧段、弧段和弧段之間的鄰接關系，記錄網絡拓撲關系表，從而形成了巷道網絡模型[6]。該模型是通風解算、災害模擬、避災逃生、人員定位的基礎數據。利用網絡拓撲，可以有效減少巷道網絡模型的數據存儲量，便于進行空間特征的查詢和分析，協助空間和屬性數據組織。

5) 三角形：構成三維模型的基本單元。每個三角形都對應了頂點信息、法向信息、材質信息等，便于三維可視化渲染。

6)巷道參數化BIM模型：通過建模算法生成的巷道表面三角網模型，可以直觀反映巷道真實形態，展示支護情況等細節信息。

7)專業屬性：采礦設計、通風解算、災害模擬、避災逃生基礎數據。便于巷道模型在專業應用領域的規范使用。

在數據模型中，本系統結合礦山實際專業應用領域，根據各類設計報告和實測資料，存儲了巷道的專業屬性信息，包括巷道名稱、巷道類別、巷道斷面參數。其中，巷道名稱一般包含著巷道的功能和屬性，能夠基本反映巷道的基本信息。為更好地定義巷道三維模型，結合巷道類型和巷道性質，將井下巷道基本類型定義為4類，其中將聯絡巷、硐室和煤倉等特殊構造物單獨列為一類，見表1。

表1 巷道基本類型

1)井巷設計工程參數主要是服務于巷道工程，基于專業計算給出巷道設計施工圖和支護方案。巷道支護參數包括支護類別、錨桿/錨索長度、排距、間距、鋼材規格、鉆孔直徑應力強度等信息，可以用于建立巷道支護三維模型[27]。

2)地質素描參數主要是將井巷掘進和回采過程中遇到的地質現象和測量結果進行描述，包括煤巖層揭露點的巷道高度、巖層厚度、標志層厚度，斷層、沖刷帶、積水區等地質構造位置及編號等。

3)巷道通風參數包括風壓、局部通風機數據、局部通風機狀態、風流方向、風流是否反風、風量、風阻、斷面積等信息以及風門位置、調節風窗位置、密閉位置、風障位置、導風板位置、反風裝置位置等通風構筑物附加屬性，用于通風網絡解算和通風系統模擬。

4)巷道避災路線參數對巷道避災參數進行描述，能夠計算出事故發生地點到安全地點的路線，獲得最合理的建議撤退路線。避災線路基于巷道網絡圖生成，避災參數包括坡度、障礙物系數、地形起伏系數等[28]。

2 參數化巷道建模流程

主流三維建模技術標準是一組以XML為規范的交換數據格式，在數字城市領域常見的三維標準有OGC的CityML，Web3D 的X3D等，而在礦山領域尚未出現類似標準。本論文參照上述三維標準，以 XML 對巷道中線網絡進行編碼表示，后綴為xml， 以文件方式存儲。還以XML schema定義了數據類型、命名空間等，記錄XML的結構定義信息，文件后綴為.xsd。

參數化建模是指根據設計公式或參數形成建筑設計的結構和外形，實現多樣化設計和可視化的目標。巷道參數化BIM建模，是根據巷道XML文件中的幾何和屬性數據，采用BIM軟件生成具有設計細節的三維模型，同時保存巷道的地理位置以及拓撲關系。主要使用Revit中的Dynamo插件實現巷道BIM參數化建模。Dynamo是一種基于Revit的可視化編程平臺，能夠針對礦山巷道結構復雜、數據量龐大的特點進行參數化自動化建模。

參數化巷道建模流程如圖3所示，主要步驟如下：

圖3 三維巷道參數化建模流程

1)巷道GIS數據預處理。逐條巷道開展巷道GIS拓撲數據預處理，分析巷道之間空間關系，去除冗余點、懸掛點和偽節點等，生成具有拓撲關系的巷道中線、斷面參數和屬性數據的文件。

2)讀取巷道模型數據，其中包括巷道斷面參數、巷道中線參數、巷道硐室參數和其他屬性參數等。

3)巷道斷面參數處理。根據斷面的底板輪廓線位置、左右幫輪廓線的高度、噴漿厚度和底板厚度、支護參數，形成不同類型斷面族。將不同類型的斷面族垂直放置于巷道中線上的每一個控制點處。

4)巷道中線處理。遍歷提取到的巷道中線，判斷是否存在巷道拐彎、相交，或巷道之間起點與終點重合的情況。如果存在，就對交點和拐彎點的斷面進行處理，生成新的斷面。同時將巷道中線中記錄的硐室位置單獨標記出來。

5)生成巷道模型。利用處理好的巷道中線和巷道斷面進行放樣生成巷道實體，采用布爾運算的方法對巷道特殊情況進行并集、差集、交集和干涉計算，生成具有厚度的巷道三維模型。

6)巷道硐室處理。利用巷道硐室參數，生成不同類型的硐室模型。根據硐室參數，采用布爾并集計算方法，將硐室和巷道連接一起。

7)屬性參數處理。將巷道數據中的屬性分類并輸入BIM模型屬性列表中。

3 利用GIS提取巷道中心線

巷道中線的網絡拓撲編輯是通過判斷多條巷道中線的空間關系，形成具有拓撲關系的巷道網絡數據集，為巷道BIM建模做好準備。主要的處理流程如圖4所示。使用LongruanGIS平臺的巷道編輯功能，主要的預處理工作如下：

1) 提取巷道中線數據。在LongruanGIS中，將測量導線點、剖面圖中的地質素描實測點、硐室、巷道拐點等整理到平面圖上，手動連接控制點形成中線，并輸入頂板和底板高程值。

2) 開展數據編輯。構建還未進行拓撲關系處理的結點、中間點數據結構和弧段數據結構，進行重復性檢驗和處理，消除冗余點和冗余弧段，并逐個檢查懸掛點和偽節點，數據實際情況進行保留、刪除或修改處理。懸掛點是指結點未連接至其他弧段要素的點；偽節點是指連續弧段上的結點，把該弧段不必要地分為數段，需要合并。

3)確認巷道中線的相交關系。巷道通常交錯縱橫，而且會有上下分層的情況，盡管平面上相交，但是其實高程不同，因此需要進一步確定巷道中線是否相交。如圖5所示，紅色和黃色為2條相交的巷道中線，由于巷道設計圖在交岔點處沒有標注控制點，2條中線在該點處的高程值為系統自動插值生成。2條中線在該點就有可能是相交或是相離。如果2條巷道沒有相交，存在上下分層的關系，需要自動修改該點在2條中線上的高程值，使2條巷道相離。如果2條巷道是相交的，而該點由于插值算法導致高程值不一致，需要自動修改該點的高程值，使2條巷道完全相交。

圖5 巷道中線拓撲關系Fig.5 Topological relationship of roadway centerline

4)生成巷道網絡拓撲關系。

5)在巷道中線上附加巷道各類參數屬性。根據圖中標注和實際勘探情況，將巷道基本屬性參數、斷面參數、支護參數、通風參數、避災參數、地質素描參數等信息添加進每條巷道屬性中，見表2。

表2 巷道屬性數據結構

續表

4 巷道BIM建模技術

4.1 基本巷道BIM建模方法

基本巷道BIM建模是基于Dynamo插件，通過指定參數和命令集以實現巷道模型設計，在Revit中生成對應的BIM實體模型。

根據構成中線的線段將整個巷道分解成一段或者多段筆直的巷道段。讀取巷道中線的斷面參數。巷道矩形斷面CAD設計如圖6a所示，通過計算斷面參數后，在Revit軟件中形成的含支護的簡化斷面族如圖6b所示。其中，斷面寬度為巷道凈寬度，加上噴漿厚度后為巷道的實際寬度，底板厚度為底面混凝土硬化后的厚度。巷道外部是根據巷道錨桿(索)布置、鋼網片敷設設計和錨桿基礎結構等關鍵參數建立的支護模型。利用Dynamo斷面放樣的功能，分別生成巷道的基礎單元，根據斷面參數和巷道中線位置，將獨立的巷道錨桿族定位到巷道模型上，基本巷道三維模型渲染圖如圖6c所示，巷道模型如圖6d所示。

圖6 巷道BIM基本模型Fig.6 Roadway BIM basic model

4.2 硐室BIM建模方法

硐室在巷道中的作用十分突出，主要包括配電硐室、供電硐室、材料硐室、休息硐室和避難硐室。部分硐室在傳統的三維建模算法中較難表示，因此在傳統建模中容易被忽略。實際生產和施工過程中，硐室的空間位置能夠采用相關巷道的相對距離來描述，如某避難硐室位置為距離大巷口500 m?；诖?，可以計算硐室在整個巷道中的絕對位置，然后利用布爾并集運算的方法建立硐室模型。主要過程如下：

1)Dynamo讀取帶有硐室的巷道中線，通過測量每個硐室距巷道起點的相對距離，利用Dynamo中沿曲線獲取特定弧長處點信息，準確定位出硐室所在空間位置。

2)建立硐室實體模型。硐室的形狀、規格和結構差別很大，不同功能和不同施工方法形成的硐室也各不相同，根據具體的設計圖，在Revit中輸入輪廓線參數和內部結構參數，建立每種類型對應的族。

3)將建立好的硐室實體模型定位到巷道中線的絕對位置上，利用Revit中“連接”功能，實現硐室實體模型與巷道實體模型的布爾并集運算。如圖7a—圖7f所示，分別為帶有不規則形狀、矩形和三角形硐室的巷道三維模型的渲染圖和線框圖。

圖7 各類硐室模型效果Fig.7 Chamber models

4.3 拐彎巷道BIM建模方法

在處理拐彎巷道BIM建模時，由于斷面放樣需要按照連續且光滑的弧線進行，為保證建模精度，若簡單將巷道中線在拐彎處斷開，分別生成巷道模型，就會出現如圖8所示的破裂和重疊情況。提出計算巷道拐彎處的角度，并對拐彎處斷面進行自動化的處理。主要過程為：

圖8 巷道拐彎處處理過程原理Fig.8 Principal of process at roadway corner

1)將一條連續巷道斷開成2條巷道模型，2條巷道會在拐彎處點P分別生成垂直于巷道中線的斷面S1、S2，如圖9所示。

2)計算S1、S2兩斷面之間的夾角γ，并將其中一個斷面S1，以點P為軸心，以2條巷道中線所在平面的法線為軸，旋轉γ/2角度，生成新的斷面S3，如圖9所示。

3)以新的斷面S3作為2條巷道相交時的拐彎處斷面，利用斷面放樣功能，分別生成2條巷道，然后通過布爾并集運算，將2條巷道連接在一起，完成對巷道拐彎處的處理。

經過處理后，拐彎處的巷道三維模型會更加準確，并能夠解決所有拐彎巷道的異常情況。圖9為圖8異常情況處理后的效果。

圖9 拐彎巷道處理后效果Fig.9 Effect of turning roadway after treatment

4.4 交岔點BIM建模方法

井下巷道錯綜復雜，存在較多巷道交岔。交岔點是指至少有3條分支的巷道。如果不特殊處理巷道交岔點的數據，三維模型表面不能平滑過渡，巷道內部難以無縫連通，常常會出現穿模、漏面等情況。在實際巷道三維建模中，交岔點模型通常需要耗費大量的人工編輯。

巷道交岔點自動建模算法可分線框、曲面、實體3種建模方法。線框建模缺乏巷道細節的刻畫。在線框算法上，朱青等[29]提出了通過擴展巷道中心線交叉點的坐標，計算巷道交叉段側面“洞”的控制點，生成交叉點模型。張志華等[30]將巷道剖分成弧段以及弧段組成的半巷道體體元，最后對這些半巷道體體元進行建模。線框算法在處理巷道相交的一些復雜情況，例如巷道傾角大時還不夠完善。在曲面建模算法上，譚正華等[31]根據實測腰線巷道數據，生成巷道邊界輪廓線，以斷面輪廓線和巷道輪廓線為控制線，采用約束三角網法生成連通巷道模型。該方法效果較好，但是曲面求交算法比較復雜。

針對上述問題，采用布爾運算來處理交岔點。布爾運算是三維建模的常見方法，主要采用“連接”和“剪切”2種命令實現布爾運算，“連接”可以得到模型的并集，“剪切”則得到模型的差集。直接采用布爾運算進行交岔部分BIM建模的主要過程如下：

1)提取巷道斷面的外輪廓線和內輪廓線，分別成一個巷道內輪廓線實體和外輪廓實體。

2)利用Dynamo中布爾差集運算功能，用外輪廓線生成的巷道實體減去內輪廓線生成的巷道實體，就可以得到一個內部連通，且有厚度的巷道三維實體模型。

3)對巷道實體進行離散化，生成三角網模型。

采用朱青[29]提出的線框建模算法與布爾運算算法開展細節比對，觀察矩形巷道與拱形巷道求交的具體情況。圖11a、圖11b是通過連接斷面的控制點進行三角面片建模的線框方法生成的模型，圖11c、圖11d為利用BIM實體建模方法生成的巷道。通過對比紅圈部分，可以發現在處理交岔點時模型沒有產生凸起，交叉點輪廓形狀更平滑，形成的巷道三角網更加密集，形狀更加光滑。

圖10 線框建模與布爾建模三維模型對比Fig.10 Comparation of roadway 3D models of wireframe and Boolean method

通過參數化的巷道實體模型之間的布爾運算，解決不同斷面形態的三通、四通等各類交叉情況。圖11a—圖11d分別為矩形巷道相交、拱形巷道相交時處理后的渲染圖和線框圖，圖11e、圖11f為3條巷道在非同一平面的立體空間內相交時處理后的效果圖。通過研究發現：布爾算法較好生成了任意形態和任意角度的巷道交岔點模型。

圖11 各類巷道交岔點效果Fig.11 Various intersection model of roadway

5 應用實例

大海則煤礦位于陜北榆橫礦區的西北部，面積約280.03 km2，井田含煤巖系為侏羅系延安組含煤地層，礦井設計生產規模為1 500 萬t/a。采用主斜井+副立井的開拓方式。結合巷道建模相關的各類設計報告和圖形基礎數據，提取巷道中線，利用LongruanGIS開展網絡拓撲關系編輯，生成標準化xml文件。利用Revit軟件的Dynamo插件讀取XML文件，進行巷道BIM模型構建，生成54條巷道，并處理100個硐室、44個拐角、160個巷道交岔點。巷道BIM數據支持導出虛幻引擎Unreal4支持的udatasmith格式數據，同時保留了巷道的空間屬性信息和其他參數信息；同時也支持導出廣泛使用的三維數據共享fbx格式、obj數據，提高BIM模型和其他3D模型之間的數據交換能力。最后導入透明地質系統中，賦予材質、光照及其他素材，呈現出細節豐富的可視化三維模型。利用巷道BIM模型建立的大海則三維巷道宏觀效果如圖12所示。

圖12 大海則煤礦巷道參數化建模宏觀效果Fig.12 Parametric modeling of 3D roadway of Dahaize Coal Mine

5.1 巷道三維模型成果

圖13a、圖13b給出了20101工作面運輸巷與大巷交叉的內部效果和外部效果圖。

圖13 工作面巷道交岔點三維效果Fig.13 Rendering of intersection in roadway

5.2 巷道三維模型的應用

在大海則透明地質系統中，巷道三維模型用于地質剖面輸出、巷道內部漫游、巷道屬性查詢等基本功能，以及三維避災線路規劃、巷道漫游、人員定位軌跡回放、通風線路模擬、避災線路模擬等專業應用。巷道地質素描信息查詢功能界面如圖14所示，根據巷道地質參數調取巷道關聯的地質素描。帶巷道斷面的地質剖面自動生成功能如圖15所示，具體算法見文獻[32]。

圖14 巷道地質素描信息查詢Fig.14 Query of geological information of roadway

圖15 巷道與地質模型剖面疊加Fig.15 Geological sectional drawing of roadway with roadway

巷道避災路線的自動生成功能如圖16所示，具體算法見文獻[27]。

圖16 基于巷道拓撲的巷道避災路線Fig.16 Evacuation rout of roadway based on topological relationship

6 結 論

1)提出的GIS+BIM的巷道三維數據模型保留了GIS巷道網絡拓撲關系，充分展現巷道形態、支護等細節，融合了安全生產中與巷道分析相關的支護、通風、地質、避災等各類參數，實現了巷道信息查詢、帶巷道斷面的地質剖面生成、避災路線分析等專業應用。

2)采用布爾運算技術，較好地解決了硐室、巷道拐彎和巷道交岔點等巷道建模問題。與線框和曲面建模方法相比，布爾運算方法能夠自動化處理任意形態和任意角度的巷道交岔點，模型結構更合理，沒有產生模型漏面和不連通等現象。

3)未來應繼續拓展巷道三維模型的數據標準化研究，為智能礦山的各類專業應用提供基于Web的三維可視化集成、數據更新、路徑導航、避災路徑分析、通風網絡解算等專業服務，標準化巷道三維模型能夠大幅度減少礦山信息系統中的重復性數據采集、消除信息孤島，并提高智能礦山的管理水平及工作效率。