BIM 技术在煤矿三维建模中的探索

刘土生 杨宁 陈宏雷

(1.江西省水利规划设计研究院 江西南昌 332029；2.湖南省地质测绘院 湖南衡阳 421001）

1 引言

以白源煤矿为例。使用无人机、摄影系统、三维建模软件、专用车辆系统等技术对煤矿地表和地下进行三维模型建立。地表模型建立方式采用无人机航拍建模，地表模型面积4 km2；地下模型建立方式采用AutoCAD+SketchUp 建模，地下模型面积4 km2；岩巷模型11 km；钻孔模型57 个。

2 技术方法

本次模型建立为地表模型与地形模型两部分，地表部分采用无人机航拍+photoscan 自动建模，地下部分采用AutoCAD +SketchUp 建模， 利用ARCSCAN 对地表模型与地下模型进行套合，得到煤矿的三维模型，技术流程如图1 所示。

3 地表三维模型建设

图1 白源煤矿建模流程图

地表外业数据利用无人机航空摄影测量进行采集，内业空三处理软件采用Agisoft Photoscan。该软件是AGISOFT 公司出品的3D 扫描系统，导入照片后可自动识别相机的参数，在进行空中三角测量前，软件会自动计算且记录相机的内方位元素[1]，其过程无需人为干预。利用软件全自动提取航带内和航带间连接点，进而完成影像相对定向与模型连接。从而生成白源煤矿的DEM 和DOM 图。

坐标系统2000 国家大地坐标系，中央子午线114°，高程基准采用1985 国家高程基准。采用Agisoft Photoscan 制作的地表三维模型如图2 所示。

图2 地表三维模型

4 地层、钻孔三维模型建设

4.1 剖面图预处理

从煤矿收集的数据中，整理出可用于地下模型建设的图件：勘探线剖面图、煤矿82 煤层储量估算图。在AutoCAD 中，以勘探线剖面图的±0 位置为基准，按照勘探线首尾坐标将剖面图投影至正确坐标位置。沿±0 位置基准线立体转动-90°获得勘探线剖面三维动态图，剖面三维动态图效果如图3 所示。

图3 剖面三维动态图

4.2 导入SketchUp 建模

将CAD 中预处理完成的每相邻4 条勘探线剖面图导入SketchUp 中进行建模工作。获得的三维地层模型如图4 所示。

图4 由4 条相邻勘探线建立三维地层模型

4.3 数据格式转换

将所有的地层模型进行拼接，并对每个地层、钻孔设置相应的图层。利用ARCGIS 的将SketchUp 的skp 数据格式转换成arcgis 的shape 数据格式。

4.4 坐标投影改正

在数据预处理阶段中平面与高程的坐标位置为正确的，在导入SketchUp 建模时，平面坐标则会自动改为任意坐标，但模型的坐标方位角与相对长度和高度均不会发生任何改变，利用这一特点，只需计算出模型的任意坐标与真实坐标之间的x、y、h 的差值，在按照该值进行平移即可将模型投影至真实坐标。坐标投影改正后的地层模型如图5 所示。

图5 地层(透明显示)与钻孔模型

5 岩巷三维模型建设

利用AutoCAD 对巷道平面图进行预处理，保留巷道的岩巷图层及高程点图层。再将预处理的巷道图导入SketchUp 中进行建模。对岩巷三维模型数据进行格式转换与坐标投影改正，改正后的岩巷三维模型如图6 所示。

图6 改正后的岩巷三维模型

6 煤矿模型套合与入库

在ARCSCENE 中，将地表模型、地层模型、钻孔模型与岩巷模型进行加载并检查无误后，即可创建建立文件地理数据库，将最终的模型导入数据库中，并对各个模型进行设色处理，地层可按50%透明显示。套合后的煤矿三维模型如图7、图8 所示。

图7 煤矿三维模型（1）

图8 煤矿三维模型（2）

7 结束语

BIM 三维技术的应用对于煤矿建设质量提升具有重大影响。实践过程中，煤矿建设与管理者只有充分认识到BIM 三维技术应用的必要性，实现高质量的精细化煤炭工程设计，进行地质空间信息模型的系统构建，从而更好地服务于矿井安全生产和智慧矿山建设。