煤堆测量工作中三维立体图生成法的运用研究论文
国家统计局公布结果显示：2014 年我国煤炭消费量为 35.1 亿 t,占世界煤炭消费总量的 52%.其中用煤第一大户为电力行业，占 50%左右；钢铁、建材行业煤炭消费量分别为 15.9%和 14.9%.很多企业都设有自己的储煤场，例如：火力发电厂生产环节主要包括进煤、储煤、燃煤等，储煤作为“承上启下”的一环，牵制着发电厂的整个运行活动，准确地将储煤量报告给管理部门，对于保证企业的正常生产至关重要。三维立体技术作为一项简便、准确的煤堆测量技术，优势明显，目前正在被迅速推广和使用。
1 三维立体技术介绍
三维立体技术是利用先进的数码合成技术制作相应的三维立体图像。选择清晰的照片扫描到电脑里，之后利用电脑里的三维制图软件对其进行处理，得出一个和原物成比例的数字模型，其精确度超过 99%.目前在具体工程中，三维立体技术主要有以下 2 方面应用[1].
1.1 数字地形建模 （GIS）
数字地形建模的本质是将地形表面信息进行数字化表达，具有很强的空间位置和地形特征。该技术将地形放置在三维坐标系中，通过一系列的离散点来构建模型，目前在地理信息中应用广泛，和我们的关系也很密切，如 GPS、农业管理等。
1.2 虚拟现实
虚拟现实是利用计算机技术给人以逼真、自然的场景，属于一种大规模的场景建模技术，很多电影娱乐特效都是基于该技术创建的，在以后的工程模拟和灾害预测中必然会得到发展。
2 三维立体图生成法在煤堆测量工作中的应用
2.1 对矩形区域进行三角剖分
三角剖分是计算机图形和几何中的关键问题，其质量直接影响到计算的精确度，其中以 Delaunay三角剖分应用最为广泛。它的一个重要性质就是其外接圆不包括其他数据点，据此技术人员将煤场底面假定为矩形区域，之后进行散落点数据采集，最终建立煤堆三维立体图。
2.1.1 数据结构该算法的具体数据结构如下：①每个数据点都以链表的形式储存，且对应着各自的 x、y 坐标值和高度值；②边界点集由边界上的数据点构成，记录内容相同，不过随着剖分而作实时修改；③内点集由区域内的点坐标构成链表，也要进行实时修改；④三角形集是剖面形成的三角形链表，链上的每个节点都记录着三角形顶点指针，按照逆时针排列[2].三角剖分过程如图 1 所示。
2.1.2 算法的实现数据收集完成后，就要对其进行算法处理，具体步骤如下：
（1） 根据原始数据点的所在区域对其加入一定的矩形边界，之后按照扫描步长生成边界的点集和边集，将其作为原始数据点集的组成部分。
（2） 在边界的边集中选取 x 值最小的点 （即位于区域的最左端） 作为基边，之后在右侧搜索第三点，使 cos （∠P1P3P2）取得最大值。
（3） 检查第三点，对边界的边集进行修改，如图 2 所示，即在内点集不变的情况下删除原边界集中的'边界边，增加新的边界点。
（4） 将三角形的顶点号依次记录下来，并认真更新边界的边数、点数。如果内点数为 0,则说明未完成的部分是一个具有边界点的多边形区域。
此时要以该多边形最小内角两条边和另外的两个顶点连接三角形，并对应地修改边界边数、点数、点集，记录三角形顶点号。如果内点数不为 0,而且边数大于 3,则继续从第二步开始；如果内点数为0,而且边数大于 3,则从第三步开始；如果都不是的话就结束三角剖分运算[3].
2.2 煤堆三维立体图的生成
对三维数据点进行三角剖分后，再经过图形变换，就可以将三维数据点集用三维图形表示出来，其拓扑结构和平面域内的一样。在三维立体图中，轴测图可以比较简单地进行绘制，一般也采用这种方法。轴测图是一种单面投影图，其在 1 个投影面上可以同时反映出 3 个坐标面的形状，接近人们的视觉习惯，一般在设计中用轴测图来帮助构思和想象物体，以此来补充正投影的不足。
轴测图具有平行投影的所有特性：①物体上互相平行的线段在轴测图上仍然是平行的；②物体上两平行线段或同一直线上的两线段长度之比在轴测图上不变；③物体上平行轴测投影面的直线和平面等于轴测图上的实长和实形。
轴测图的主要画法如下：
2.2.1 坐标法根据物体的特点建立合适的坐标系，在坐标中画出各顶点的轴测投影，之后将各点连接组成其轴测图。具体步骤如下：①确定坐标的原点和坐标轴；②作轴测点，按照坐标次序将顶面各点的轴测投影连接；③过顶面各点做 OZ 轴的平行线，量取相应的高度，再连接起来即得到轴测图。
2.2.2 叠加法对于一些图形可以用叠加法来画出其各部分的轴测图，然后再进行整合。具体步骤如下：①将物体分为可叠加的几个部分；②定出原点位置，画出第一部分的轴测图，之后画出第二部分的轴测图；③分别将第一部分和第二部分开槽和整理，最终得到该物体的轴测图。
2.2.3 切割法切割法首先将物体看作一定形状，画出其轴测图，之后按照物体形成的过程对其进行切割，依次画出被切割后的形状[4].在煤堆三维立体图生成过程中，主要应用坐标法和相应的矩阵变换方法，最终形成数据点集的三维图形。
2.3 消隐处理
三维图形要有明确的意义和真实感，因此要对其不可见部分进行消隐处理。煤堆三维立体图一般由三角面片线框勾勒，消除隐藏线对于增加其真实感是很有必要的。在煤堆立体图中，每个三角面片都有其外法线，外法线和 y 轴夹角是判断该外法线所在平面可见性的重要标准。当该夹角 90°≤U≤180°且 cosU≤0 时，该外法线所在平面不可见；当 0°≤U≤90°且 cosU>0 时，该外法线所在平面可见。cosU 正负号的判断方法按式（1）进行，由公式可以看出 cosU 的符号由 B 决定[5].cosU=UN（1）N=Ai+Bj+Ck （2）式中：|N|为法向量 N 的模，恒为正值；U 为外法线与 y轴夹角；i、j、k 分别为 x、y、z 轴 3 个方向的单位向量；A、B、C 均为系数。
3 三维立体图生成法在煤堆测量工作中的效果分析
选取 1 个 200 m×80 m 区域的煤堆进行测量。
首先利用激光扫描仪将煤堆的三维非规则数据场以图形形式展示出来，提高其可视性；然后将采集到的数据放入到三维图形中，整个计算过程不超过 3s,即可得到三维网格状结构图，如图 3 所示。从布置仪器到得出结果，整个过程比传统方法用时少50%左右，而且其精度能达到小数点后五位（单位为 m3），比传统手段提高了 15%,完全满足了实际使用要求。
4 结 语
煤堆测量作为用煤大户的一项基础性工作，在指导生产、安排企业资金等环节中起着非常重要的作用，积极运用先进技术提高煤堆测量工作的方便性和准确性是目前煤堆测量工作的发展趋势。本文介绍的三维立体图生成法正是在计算机技术的基础上发展而来的，与传统煤堆测量方法相比，优势明显，为类似煤堆测量工作提供了参考。
参考文献：
[ 1 ] 马爱莉。 三维重建技术在数字化煤场中的应用研究[ D ]. 西安：西安工业大学，2011.
[ 2 ] 杨耀权，于希宁，施 仁。 煤场存煤量测量中煤堆三维立体图生成方法研究[J ]. 动力工程，1999,19 （2）：76 - 78.
[ 3 ] 文 伟。 大型三维非规则数据场的显示及应用[ D ]. 保定：华北电力大学，2001.
[ 4 ] 仇林庆，赵 君，卢中山，等。 煤堆体积自动测量装置的研制[J ]. 东北电力学院学报，2000 （4）：71 - 73.
[ 5 ] 张健雄，蒋金豹，张建霞。 数字测量在煤堆储量测定中的应用[J ].中州煤炭，2003 （6）：30 - 31.
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