煤堆測量工作中三維立體圖生成法的運用研究論文
國家統計局公布結果顯示：2014 年我國煤炭消費量為 35.1 億 t,占世界煤炭消費總量的 52%.其中用煤第一大戶為電力行業，占 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運行活動，準確地將儲煤量報告給管理部門，對于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制作相應的三維立體圖像。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信息進行數字化表達，具有很強的空間位置和地形特征。該技術將地形放置在三維坐標系中，通過一系列的離散點來構建模型，目前在地理信息中應用廣泛，和我們的關系也很密切，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，屬于一種大規模的場景建模技術，很多電影娛樂特效都是基于該技術創建的，在以后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數據點，據此技術人員將煤場底面假定為矩形區域，之后進行散落點數據采集，最終建立煤堆三維立體圖。
2.1.1 數據結構該算法的具體數據結構如下：①每個數據點都以鏈表的形式儲存，且對應著各自的 x、y 坐標值和高度值；②邊界點集由邊界上的數據點構成，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坐標構成鏈表，也要進行實時修改；④三角形集是剖面形成的三角形鏈表，鏈上的每個節點都記錄著三角形頂點指針，按照逆時針排列[2].三角剖分過程如圖 1 所示。
2.1.2 算法的實現數據收集完成后，就要對其進行算法處理，具體步驟如下：
（1） 根據原始數據點的所在區域對其加入一定的矩形邊界，之后按照掃描步長生成邊界的點集和邊集，將其作為原始數據點集的組成部分。
（2） 在邊界的邊集中選取 x 值最小的點 （即位于區域的最左端） 作為基邊，之后在右側搜索第三點，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，并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接三角形，并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,而且邊數大于 3,則繼續從第二步開始；如果內點數為0,而且邊數大于 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
對三維數據點進行三角剖分后，再經過圖形變換，就可以將三維數據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制，一般也采用這種方法。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 個坐標面的形狀，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于軸測圖上的實長和實形。
軸測圖的主要畫法如下：
2.2.1 坐標法根據物體的特點建立合適的坐標系，在坐標中畫出各頂點的軸測投影，之后將各點連接組成其軸測圖。具體步驟如下：①確定坐標的原點和坐標軸；②作軸測點，按照坐標次序將頂面各點的軸測投影連接；③過頂面各點做 OZ 軸的平行線，量取相應的高度，再連接起來即得到軸測圖。
2.2.2 疊加法對于一些圖形可以用疊加法來畫出其各部分的軸測圖，然后再進行整合。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，之后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，之后按照物體形成的過程對其進行切割，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，主要應用坐標法和相應的矩陣變換方法，最終形成數據點集的三維圖形。
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，消除隱藏線對于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，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 個方向的單位向量；A、B、C 均為系數。
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。
首先利用激光掃描儀將煤堆的三維非規則數據場以圖形形式展示出來，提高其可視性；然后將采集到的數據放入到三維圖形中，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。從布置儀器到得出結果，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后五位（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，于希寧，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。 大型三維非規則數據場的顯示及應用[ 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制[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.
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