基于MultiGen-Creator的虚拟铀矿山模型建立的相关问题探讨

刘向铜，　曹秋香，　熊助国，　吴华玲

(1.东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌　330013；2.中南大学测绘与国土信息工程系，湖南 长沙　410083；3.东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西 南昌　330013)



基于MultiGen-Creator的虚拟铀矿山模型建立的相关问题探讨

刘向铜1,2，曹秋香3，熊助国1，吴华玲1

(1.东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌330013；2.中南大学测绘与国土信息工程系，湖南 长沙410083；3.东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西 南昌330013)

摘要：随着计算机技术的发展，传统的铀矿山管理模式正在逐步改变。文中探讨了利用虚拟现实技术实现铀矿山管理的可行性，并且结合虚拟现实建模软件MultiGen-Creator对铀矿山模型建立中的相关问题进行分析。论述了模型建立中的细节和过程，总结了建模技术的流程，最后以某铀矿山为例，建立了铀矿山模型，并分析了建模中的技术细节，探讨了建模中的问题。

关键词：铀矿山管理；虚拟现实技术；虚拟铀矿山模型

刘向铜，曹秋香，熊助国，等.2016. 基于MultiGen-Creator的虚拟铀矿山模型建立的相关问题探讨[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(1)：10-14.

Liu Xiang-tong，Cao Qiu-xiang，Xiong Zhu-guo,et al.2016. Discussion of the problems about modeling related on virtual uranium mine based on MultiGen-Creator[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(1):10-14.

1铀矿山管理的现状

铀矿资源是一种重要的战略资源，不论是从能源角度还是从战略储备角度来看，铀矿资源储量的多寡都对国民经济发展构成深远的影响。我国已探明的铀矿资源储量相对比较丰富，保有的铀矿资源储量也十分可观，但是，已经探明经济可采的资源储量不大，因此，合理的铀矿资源开采管理十分重要(汪永平等，2005；张海青，2007)。二十世纪初期，由于中国一直坚持和平发展的道路，重视发展经济，对大多数的储备型铀矿山的资金投入不足，并且铀矿资源是重要的战略资源，其它资本无法进入，导致铀矿山的管理一直停留在比较落后的阶段。在矿山的开采中存在着综合利用水平低、环境污染严重、矿山生产安全性保障不充分等问题(陈淑杰等，2007)。加之矿山“三废”治理等问题，使得铀矿资源的科学管理显得尤为重要(吴林燕等，2008;周永海等，2013)。

随着科学技术的进步，以虚拟现实技术为代表的计算机可视化技术正在广泛的被应用到矿山开采管理上(董春华，2008；鹿浩等，2007；马洪滨等，2008；汪云甲等，2008；吴立新等，2012；韩瑞栋，2007)。本文针对铀矿山的开采管理中存在的问题，探讨了虚拟铀矿山建立的相关问题，并且对虚拟铀矿山的建立过程进行了分析，并建立了虚拟铀矿山模型。

2虚拟现实技术和常用建模软件平台

2.1虚拟现实技术的基本理论和关键技术

虚拟现实技术是指可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机技术生成模拟环境，是多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的计算机仿真系统，使用户沉浸到该环境中去，融合了仿真技术、计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、人工智能、传感器技术、网络技术等科学，是复杂而细致的交叉性学科。虚拟现实系统优点是可以使参与者全身心的投入到虚拟环境中去，并且产生在虚拟世界中最真实的体验，理想的虚拟现实系统能够提供人类所具有的一切感知功能，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉；另外还可以提供丰富的直观的人机交互手段，实现虚拟环境的交互和感知；再者，虚拟环境可以为人类的想象力的发挥提供最大的空间，将显示世界不存在的问题放在虚拟世界进行研究。其关键技术包括：计算机网络技术、人机接口技术、图形学、多媒体技术、人工智能和数据库技术等。在虚拟现实技术建模过程中的方法分为两种，一种是基于几何模型的建模方法，该方法以计算机图形学为基础，建立的模型比较逼真细腻，但是在计算机的显示和处理上较为复杂。另外一种是基于图像的建模方法，该方法简单快速，但是无法进行几何体的空间分析和操作。本文综合两个方面的优点，利用模型和图像相互配合建立了虚拟铀矿山的模型。

2.2虚拟现实中可视化模型建立的相关软件分析

虚拟现实建模工具很多，按照建模功能和适用情况可以简单的分为通用建模工具(主要是以3DMax为代表)、辅助建模工具(主要是以AutoCAD为代表)、行业建模工具(主要是以GIS为代表)和专业建模工具(主要是以MultiGen-Creator 为代表)。

2.2.13DMax软件

3D Max是通用建模工具3D Studio Max的简称。3D Studio Max是AutoDesk公司推出的一个三维设计软件，该软件广泛用于影视节目包装、制作影视广告、制作影视特技、开发计算机游戏、制作动画片以及制作建筑效果图等方面。其具有强大的三维建模功能，操作简单，容易上手并且能和其它相关软件流畅配合，是时下流行的建模工具，经常作为虚拟现实建模的辅助软件。

2.2.2AutoCAD软件

AutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。.dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。AutoCAD后期版本中逐渐具有三维图形绘制和编辑功能。能进行多种图形格式的转换，一般应用在模型数据预处理的阶段。

2.2.3GIS类软件

行业建模工具主要是指用于空间信息处理的GIS专业软件包括国外的ArcGIS、MapInfo、GeoMedia、MGE、SmallWorld、国内的Supermap、MapGIS、GeoStar、VRMap 等软件。这些软件的特点是具有完整的GIS功能，同时都具有三维模块，可以实现三维模型的建立和查询。

2.2.4MultiGen-Creator软件

MultiGen-Creator是MultiGen公司出品的实时三维仿真建模软件，具有操作简单、系统可靠健壮、性能优越、层次清晰等特点。可用于生产高精度、高优化、高执行效率的实时3D内容。在面向仿真和虚拟情况下，可以生成大面积的场景，并且为多种图像生产软件提供建模系统和工具，他的OpenFlight格式在实时的三维建模领域成为最流行和广泛使用的图形格式，并成为该领域的行业标准。该软件是虚拟现实系统建模的主要工具。

虚拟现实系统建模软件中，3DMax软件在细节表现上比较优秀，AutoCAD软件更擅长二维的数据建模，GIS类软件更重视空间分析和GIS的应用，MultiGen-Creator软件更侧重于模型的建立和优化，重视模型的执行效率，因此，MultiGen-Creator软件在专业的建模中更加通用。

3利用MultiGen-Creator软件进行虚拟铀矿山建模

虚拟铀矿山模型的建立主要包括数据的获取和预处理、地表模型的建立、地物模型的建立、场景模型的集成、场景模型的优化、场景漫游几个过程。

3.1数据的获取和预处理

数据的获取和预处理是整个模型建立的基础。主要包括位置数据的获取、高程数据的获取、属性数据的获取、数据格式的统一和转换。在本文中主要是利用前期规划图、施工图和工程进度图的数据，对地上建筑物、地下构筑物和巷道的属性数据进行获取并分类建库以备用；将真实比例尺的数字线划图进行处理，以获取比如道路、水系、植被、建筑物。构筑物、巷道等的几何信息；利用航空影像或者遥感影像获取近期的地表纹理，利用数码相机获取地面建筑物的纹理，并且利用图像处理软件将原始的数据进行处理和修改，转化成creator可用的纹理格式；将地形高程数据转换为creator支持的DEM格式，如DTED/USGSDEM等。

3.2地表模型的建立

地表模型主要是指地面的起伏，即地貌的建模。地貌的建模有很多的方法，常用的方法如下：

(1)根据已有的数字高程模型文件(DEM或者DED格式)。此方法的优点是生成简单，可以获得高精度的地面形态，但是数据文件比较难以获取。

(2)利用已有的矿区地形图进行数字化。利用数字化软件，将建模区域的地形图数字化，并且利用格式转化工具生成Creator可以识别的文件，此方法可以不受条件约束，快速的获得数据，但是需要理的过程比较复杂。

(3)利用测量工具测绘地貌。此方法可以快速准确的获得建模数据，但是工作量太大，成本太高。

考虑到区域已有的资料和矿区的基本情况，本文中采用的是已有地形图的数字化的方法获得地貌信息数据并且进行建模，建模后根据矿区的情况添加纹理信息，增加模型的真实感。

3.3地物模型的建立

MultiGen-Creator在模型的建立方面有许多独到之处。包括三维模型的实时生成、动态仪表生成器、动态三维声音的设置、LOD和Morphing层次细节技术、DOF自由度技术、Switch不同状态切换技术、纹理映射技术以及丰富的第三方插件等。建模过程中应注意以下几个方面：

(1)建立地物模型时要对地物模型的细节程度和显示需要作出预算。在系统的运行和计算中，细节模型的显示要耗费更多的计算机资源，势必影响计算机的响应和处理数据的速度，特别是对非工作站的普通计算机，矛盾更为明显。为解决这个问题，就需要对地物模型的细节部分作出预估，尽量减少不必要的模型细节，如建筑物上过于精细且对实际并无影响的装饰部分，巷道拐角处复杂且对总体需要并无影响的细节成分，以加快计算机的运算。另外一个方法是用纹理来代替细节，即为满足视觉的需求和符合实际情况，在细节部分用带有真实纹理的贴图代替细节，以增强虚拟环境的真实感，从而是模型简明实用。

(2)对纹理的处理要求尽量使数据量小。纹理的获取主要是对地物的实地拍摄获取，要求在数据处理的时候把格式转换成Creator接受的INT, INTA, RGB, RGBA格式，同时，为了提高Creator的运算效率，Creator中所有的纹理尺寸应该是2的n次方。这个过程可以在一些通用的数字图像处理软件中完成。

(3)模型层次的处理和管理。在模型的组织上，Creator是按照层的概念进行组织的，每个层节点下面都有相应的子层，以方便数据的调取。因此在模型数据的组织上应该注意节点的选取和建立，明确每一个节点下面包含哪些模型。

3.4场景模型的集成

地物模型是同地表模型融合在一起的，因此必须实现地物模型和地表模型的无缝集成，两者才能成为有机的整体，通常按照地物模型位置的分布，对场景区域进行分块和分层，综合每个地物模型的空间位置关系、地物模型间的结构关系和地物模型内部的结构关系来确定场景中所有实体模型的层次结构，通过场景模型的层次结构和分块，提高模型的视觉效果和显示效率。场景模型的集成中主要的问题是：

(1)地物模型和地表模型在集成的时候会产生悬浮或者切割现象。原因是地物模型一般是底面水平的，而地表模型这是有着不规则的弧度，两者集成必须考虑地物和地表的连接问题。

(2)地物模型和地表模型在集成的时候要考虑到两者之间的坐标系和比例尺的问题。由于地物模型和地表模型往往是分开单独建模，因此在比例尺的选择和坐标系统的选择上要注意统一标准。

(3)地下巷道和地表模型的集成要考虑相互的位置关系。由于前期资料准备的其他误差影响，地下巷道和地表模型的集成上容易出现错位，因此要注意两者之间位置的关系和实际的位置情况。

3.5场景模型的优化

快速流畅的场景体验和稳定高效的场景交互是评价虚拟现实系统的重要指标。如何在满足应用的前提下减少数据量和增加真实感，成为场景模型优化的主要目的，在整个虚拟现实系统模型建立的过程中，主要通过以下几个方法：

(1)精简原始数据源的数据量。主要是在地物的建模过程中对真实场景有目的有计划的取舍，对不影响场景应用效果和目的的地位进行精简，如山上过于狭小的道路、地物本体上不重要的台阶、可忽略的地形细节等。

(2)建模数据的数据量优化。主要是在建模过程中尽量不使用复杂的集合形状，减少几何体显示的计算开销、不影响效果的前提下用纹理代替细节、对微型景观地物如树木和路灯采用纹理贴图代替几何模型来减少数据量。

(3)场景显示的数据优化。提高场景的显示速度对整个场景的应用至关重要，包括可见性剔除、LOD技术和碰撞检测等。通过可见性剔除可以减少输入到图形绘制管道的图元数目，加快绘制速度，提高绘制效率；LOD技术通过对模型的组织和调度，减少模型数据的实时数据绘制量。同时通过碰撞检测增加场景的真实感。

3.6场景漫游

漫游是指在场景模型建立后，操作者可以按照自己的意图和目的对模型场景进行观察，场景模型建立后对场景的漫游控制主要有两种方法，一种是利用模块式的开发语言如OpenGL对模型进行处理；一种是利用成熟的模型驱动工具如Vega进行后期的驱动。本场景模型选取后一种方法。

3.7虚拟铀矿山模型建模流程和建模结果

综上所述，在综合分析的基础上，虚拟铀矿山场景建模流程框架如图1所示。

图1　虚拟铀矿山模型建模流程图Fig.1　Flowchart of modeling virtual uranium mine

图2为虚拟铀矿山总体场景建模，包括地上矿区设施建模和地下巷道建模。图3是地上矿区生活区建模的局部图。

图2　虚拟铀矿山场景Fig.2　Scene of virtual uranium mine

图3　矿区生活区局部图Fig.3　Local map of living quarters in mine

4结论及进一步的研究方向

本文主要就虚拟铀矿山建模的相关问题进行了探讨，主要结论如下：

(1)分析对比了常用的建模软件，认为MultiGen-Creator软件更适合虚拟铀矿山的建模。

(2)探讨了建模的过程，分析了建模的流程顺序。

(3)利用某个矿区的数据，完成了虚拟铀矿山场景建模。

虚拟铀矿山场景建模是一个复杂而细致的工作，涉及到许多方面的问题需要解决，比如原始数据的获取和数据格式统一的问题；建模细节的把握问题；对铀矿山中的一些专有的地物进行建模的问题。

参考文献

陈淑杰,花明. 2007.关于我国铀矿山人与自然和谐发展的探讨[J].中国矿业, 16(6):43-45.

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鹿浩,罗周全,杨彪,等.2007.虚拟现实技术及其在矿业中的应用[J].中国钨业,22(4):22-25.

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张海青.2007.世界铀资源概况[J].世界核地质科学,24(4):212-215.

周永海,杨亚新,张叶. 2013.某铀矿山退役治理后辐射环境状况调查与分析[J]. 东华理工大学学报：自然科学版,36(4):84-87.

Discussion of the Problems about Modeling related on Virtual Uranium Mine Based on MultiGen-Creator

LIU Xiang-tong1,2,3，CAO Qiu-xiang4，XIONG Zhu-guo1，WU Hua-ling1

(1. Faculty of Geomatics，East China University of Technology，Nanchang，JX 330013，China；2. Department of Geomatics， Central South University，Changsha，HN 410083，China；3. State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment，East China University of Technology，Nanchang，JX 330013，China)

Abstract：With the development of computer technology, the traditional management mode of uranium mine is changing gradually. This paper discuss about the feasibility of using virtual reality technology to improve the uranium mine management，and analysis the Problems related on establishing uranium mine model combined with virtual reality modeling software “MultiGen-Creator”．Then model details and process are discussed, and summarizes the modeling technology of process. Finally, in a uranium mine for example established uranium mine model, analysis the technical details of modeling, and discusses the modeling problem.

Key Words：uranium mine management；virtual reality technology；virtual uranium mine model

中图分类号：TP 3

文献标识码：A

文章编号：1674-3504(2016)01-0010-05

doi:10.3969/j.issn.1674-3504.2016.01.002

作者简介：刘向铜 (1981—)，男，讲师，博士生，主要从事虚拟现实及空间多维数据的显示，SAR数据处理研究，E-mail:xtliu@ecit.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(41404026)；东华理工大学省部共建核资源与环境国家重点实验室培育基地(NRE1508)研究。

收稿日期：2014-11-10