煤堆測量工作中三維立體圖生成法的運用研究論文
煤堆測量工作中三維立體圖生成法的運用研究論文
國家統計局公佈結果顯示：2014 年我國煤炭消費量為 35.1 億 t,佔世界煤炭消費總量的 52%.其中用煤第一大戶為電力行業，佔 50%左右；鋼鐵、建材行業煤炭消費量分別為 15.9%和 14.9%.很多企業都設有自己的儲煤場，例如：火力發電廠生產環節主要包括進煤、儲煤、燃煤等，儲煤作為“承上啟下”的一環，牽制著發電廠的整個執行活動，準確地將儲煤量報告給管理部門，對於保證企業的正常生產至關重要。三維立體技術作為一項簡便、準確的煤堆測量技術，優勢明顯，目前正在被迅速推廣和使用。
1 三維立體技術介紹
三維立體技術是利用先進的數碼合成技術製作相應的三維立體影象。選擇清晰的照片掃描到電腦裡，之後利用電腦裡的三維製圖軟體對其進行處理，得出一個和原物成比例的數字模型，其精確度超過 99%.目前在具體工程中，三維立體技術主要有以下 2 方面應用[1].
1.1 數字地形建模 （GIS）
數字地形建模的本質是將地形表面資訊進行數字化表達，具有很強的空間位置和地形特徵。該技術將地形放置在三維座標系中，透過一系列的離散點來構建模型，目前在地理資訊中應用廣泛，和我們的關係也很密切，如 GPS、農業管理等。
1.2 虛擬現實
虛擬現實是利用計算機技術給人以逼真、自然的場景，屬於一種大規模的場景建模技術，很多電影娛樂特效都是基於該技術建立的，在以後的工程模擬和災害預測中必然會得到發展。
2 三維立體圖生成法在煤堆測量工作中的應用
2.1 對矩形區域進行三角剖分
三角剖分是計算機圖形和幾何中的關鍵問題，其質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。它的一個重要性質就是其外接圓不包括其他資料點，據此技術人員將煤場底面假定為矩形區域，之後進行散落點資料採集，最終建立煤堆三維立體圖。
2.1.1 資料結構該演算法的具體資料結構如下：①每個資料點都以連結串列的形式儲存，且對應著各自的 x、y 座標值和高度值；②邊界點集由邊界上的資料點構成，記錄內容相同，不過隨著剖分而作實時修改；③內點集由區域內的點座標構成連結串列，也要進行實時修改；④三角形集是剖面形成的三角形連結串列，鏈上的每個節點都記錄著三角形頂點指標，按照逆時針排列[2].三角剖分過程如圖 1 所示。
2.1.2 演算法的實現資料收集完成後，就要對其進行演算法處理，具體步驟如下：
（1） 根據原始資料點的所在區域對其加入一定的矩形邊界，之後按照掃描步長生成邊界的點集和邊集，將其作為原始資料點集的組成部分。
（2） 在邊界的邊集中選取 x 值最小的點 （即位於區域的最左端） 作為基邊，之後在右側搜尋第三點，使 cos （∠P1P3P2）取得最大值。
（3） 檢查第三點，對邊界的邊集進行修改，如圖 2 所示，即在內點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。
（4） 將三角形的頂點號依次記錄下來，並認真更新邊界的邊數、點數。如果內點數為 0,則說明未完成的部分是一個具有邊界點的多邊形區域。
此時要以該多邊形最小內角兩條邊和另外的兩個頂點連線三角形，並對應地修改邊界邊數、點數、點集，記錄三角形頂點號。如果內點數不為 0,而且邊數大於 3,則繼續從第二步開始；如果內點數為0,而且邊數大於 3,則從第三步開始；如果都不是的話就結束三角剖分運算[3].
2.2 煤堆三維立體圖的生成
對三維資料點進行三角剖分後，再經過圖形變換，就可以將三維資料點集用三維圖形表示出來，其拓撲結構和平面域內的一樣。在三維立體圖中，軸測圖可以比較簡單地進行繪製，一般也採用這種方法。軸測圖是一種單面投影圖，其在 1 個投影面上可以同時反映出 3 個座標面的形狀，接近人們的視覺習慣，一般在設計中用軸測圖來幫助構思和想象物體，以此來補充正投影的不足。
軸測圖具有平行投影的所有特性：①物體上互相平行的線段在軸測圖上仍然是平行的；②物體上兩平行線段或同一直線上的兩線段長度之比在軸測圖上不變；③物體上平行軸測投影面的直線和平面等於軸測圖上的實長和實形。
軸測圖的主要畫法如下：
2.2.1 座標法根據物體的特點建立合適的座標系，在座標中畫出各頂點的軸測投影，之後將各點連線組成其軸測圖。具體步驟如下：①確定座標的原點和座標軸；②作軸測點，按照座標次序將頂面各點的軸測投影連線；③過頂面各點做 OZ 軸的平行線，量取相應的高度，再連線起來即得到軸測圖。
2.2.2 疊加法對於一些圖形可以用疊加法來畫出其各部分的軸測圖，然後再進行整合。具體步驟如下：①將物體分為可疊加的幾個部分；②定出原點位置，畫出第一部分的軸測圖，之後畫出第二部分的軸測圖；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，畫出其軸測圖，之後按照物體形成的過程對其進行切割，依次畫出被切割後的形狀[4].在煤堆三維立體圖生成過程中，主要應用座標法和相應的矩陣變換方法，最終形成資料點集的三維圖形。
2.3 消隱處理
三維圖形要有明確的意義和真實感，因此要對其不可見部分進行消隱處理。煤堆三維立體圖一般由三角面片線框勾勒，消除隱藏線對於增加其真實感是很有必要的。在煤堆立體圖中，每個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準。當該夾角 90°≤U≤180°且 cosU≤0 時，該外法線所在平面不可見；當 0°≤U≤90°且 cosU>0 時，該外法線所在平面可見。cosU 正負號的判斷方法按式（1）進行，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，恆為正值；U 為外法線與 y軸夾角；i、j、k 分別為 x、y、z 軸 3 個方向的單位向量；A、B、C 均為係數。
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 200 m×80 m 區域的煤堆進行測量。
首先利用鐳射掃描器將煤堆的三維非規則資料場以圖形形式展示出來，提高其可視性；然後將採集到的資料放入到三維圖形中，整個計算過程不超過 3s,即可得到三維網格狀結構圖，如圖 3 所示。從佈置儀器到得出結果，整個過程比傳統方法用時少50%左右，而且其精度能達到小數點後五位（單位為 m3），比傳統手段提高了 15%,完全滿足了實際使用要求。
4 結 語
煤堆測量作為用煤大戶的一項基礎性工作，在指導生產、安排企業資金等環節中起著非常重要的作用，積極運用先進技術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展趨勢。本文介紹的三維立體圖生成法正是在計算機技術的基礎上發展而來的，與傳統煤堆測量方法相比，優勢明顯，為類似煤堆測量工作提供了參考。
參考文獻：
[ 1 ] 馬愛莉。 三維重建技術在數字化煤場中的應用研究[ D ]. 西安：西安工業大學，2011.
[ 2 ] 楊耀權，於希寧，施 仁。 煤場存煤量測量中煤堆三維立體圖生成方法研究[J ]. 動力工程，1999,19 （2）：76 - 78.
[ 3 ] 文 偉。 大型三維非規則資料場的顯示及應用[ D ]. 保定：華北電力大學，2001.
[ 4 ] 仇林慶，趙 君，盧中山，等。 煤堆體積自動測量裝置的研製[J ]. 東北電力學院學報，2000 （4）：71 - 73.
[ 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.