本文是一篇工程制图类论文，本文围绕工程制图中数字模型、几何算法、要素分类、模板机制及系统框架等方面进行分析和研究。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着当前社会的进步，计算机技术作为标志性的前沿科技，其发展速度与研究力度均处于时代的尖端。在各行各业都因计算机技术发生了巨大变革的今天，计算机技术同样也为古老的采矿业带来了新鲜的血液，矿业作为国民支柱产业之一，其开采效率直接决定了所有工业能否稳定快速发展，在国家发展层面上有着举足轻重的意义。将采矿与现代计算机技术相结合，是提高生产效率、加速矿业经济发展的重要实现手段[1-3]。
二十世纪九十年代，“数字矿山”（Digital Mine，DM）概念在国际数字地球大会上被首次提出，其核心内容为：依托采矿开发过程中的数字化信息，对开采计划、矿石存储、矿石运输等业务流程进行数字化的建模与仿真，并依据矿山技术体系和生产组织方式进行持续性的规划调整[4]。在这之后，数字矿山的实用性被各国家以及专业人员高度重视，并进行了大量的科研与实践研究，有效推进了采矿专业领域知识的发展，并取得了卓越的成果，使矿山的开采效率与经济效益显著提高。
数字矿山软件是“数字矿山”概念的成果应用，在计算机技术的加持下，将采矿的全部流程整合在同一个框架中，并基于该框架控制整个矿区的采矿生产流程。其中，三维可视化技术的发展以及各种建模技术的出现，为采矿设计提供了一个很好的平台，在三维环境下，地质体与人工工程的空间形态与分布一目了然，且三维模型为地质体的属性如品位，岩性等提供了集成化、数据化、可视化的处理方式，在采矿设计过程中能够快速便捷地查询并处理信息。从某种角度来说，数字矿山软件能够代表数字矿山的发展与现状。
1.2工程制图的研究现状
基于要素分类与模板化的出图是目前数字化采矿生产中的关键生产应用。数字化制图与传统制图方式相比，其图件中的内容是基于数据库中的数据以及三维空间模型通过算法与索引来生成的。部分学者与公司提出了依据模板的自动成图概念，用户在三维场景下进行地下采矿相关设计，通过选取不同种类的工程图件模板、进行实体出图属性配置，直接生成对应类型的图件，再对图件进行简单的编辑操作（如拖拽、旋转等），以快速生成能够满足工程需要的图纸。能否做到高效便捷的出图，是数字矿山软件优劣的重要评判标准。而对出图要素的处理、形成模板的机制，是采矿出图的关键研究内容。
目前不少学者在相关领域中对基于要素分类与模板化的制图方式做了较多的研究与应用[6-14]。其中，闫世宏通过ActiveX Automation技术和VBA编程语言集成界面、图纸模板库、数据库[6]；魏严旭通过ArcG IS Engine组件技术开发出快速出图软件，通过输入要素，实现专题图的快速生成及批量输出[7]；郭艳涛利用XML文件记录地质工作程度专题图的查询条件、图层符号画方法以字段、图层要素符号化参数，并使用制图模板记录符合规范的制图布局参数，实现从属性数据到专题图层的自动化生成[8]；孙哲使用基于python语言与Arc Py包的出图技术，实现了基于天地图数据的地震专题图全自动生成[9]；黄婷提出了一种基于Mapbox的矢量切片电子地图制图方案，以分级组织、表达方法、空间冲突关系要素表达设计制图模板[10]。
总的来说，要素分类与模板化的采矿工程出图方式，首先需要对各类工程要素分析其数据类型、在图件中的生成方式，针对要素特点进行分类与处理。之后，再根据不同的数据种类来建立相对应的模板生成方式。
第二章数字采矿三维模型
2.1表面模型的理论基础
用于表达矿体几何特征、空间位置的地质结构模型称为表面模型。表面模型使用点、线、面作为基本图元，通过特定的排列组合围成一个空心的闭合数据集，以此来表达任意的空间形状。在矿山数据中，矿体、巷道、地表等结构一般都使用表面模型来构成其三维数字模型。表面模型常用的基本图元有四面体网格（TEN）、不规则三角网（TIN）等，其中不规则三角网所构成的表面模型又可以称为三角模型、三角网格模型，是目前使用最多的建模方式。
2.1.1 TIN不规则三角网
不规则三角网是由互相连结的三角面片构成的封闭或开放的网格，通过三角面片来逼近实体，其数据完整、冗余度低，且能够根据需求细化三角面片，达到更高的精度要求。对三角网格模型后续的二次开发如投影、剖切，能获得快速且准确的计算结果。
三角剖分是三角网格模型建模的主要步骤，其目的是通过将点集或线段集内的点相互连接，生成三角形，以三角形来逼近实体表面。其中，Delaunay三角剖分法是TIN网格建立过程中最常用的一种网格剖分法，其基本剖分原则为：由该方法剖分的每个三角形的外接圆的内部不能包含其他点，在此基础上，生成最多数量的锐角三角形[15-16]。
2.2块段模型的理论基础
三维复杂地质体的建模主要可以分成三维地质结构建模以及三维属性结构建模两个部分。其中，地质结构在目前主要以表面模型的方式来进行表达，而属性建模将地质空间体通过空间体（一般为六面体）离散为若干体元，对地质体内部的任意一点的属性如品味、岩性进行承载表达，后者也称为块段模型，如图2-4所示。一般来说，块段模型会将矿体的表面模型作为初始地质空间体，并在此基础上进行建模。因此，数字矿山中的矿体在通常情况下能够同时拥有表面模型与块段模型两种数据模型。
数字矿山中的块段模型主要是以八叉树为存储架构来建立的[19]，八叉树是由四叉树从二维空间向三维空间的拓展，是对数据进行分割的一个高维度衍生。首先建立块段模型的空间包围盒作为八叉树的根结点，将包围盒八等分并生成八个子结点，共代表八个相等的小立方体。若某个子结点中不含任何数据，则将其状态标记为“空结点”，如果某个子结点被数据填满，则将其状态标记为“满结点”，空结点不再分割，对满结点一般而言不再分割，也可根据块段内矿体的属性等特殊情形选择性的分割，如该结点品味分布差异较大，则可继续划分。如果一个结点含有矿体，但是不满，则根据结点中的数据与边界之间的关系，主要判断空白区域是否足够小，以及根据树的深度决定是否继续划分。将需要继续分割的其余结点再次递归分成八等份，生成八个子结点，重复以上过程直到满足特定的需求为止。八叉树的划分如图2-5所示，其中，黑色表示为“满”结点，阴影表示为“半满”，白色表示为“空”。假设第二层中的所有满结点均已满足内部属性划分，则只对其中的半满结点继续分割，生成树的第三层，第三层中仍含有一个半满结点，则继续分割，直到所有的叶子结点都被判定为满结点。生成的八叉树中的每一个非空叶子结点都代表着一个用以组成块段模型的六面体，因此也有仅存储八叉树的叶子结点，以节约空间的存储方法。判断结点中数据与结点边界关系的方法有很多种，如射线法、AABB树与OBB树的相交测试[20]等，这些方法一般都能够得到准确的结果。
第三章数字模型空间几何运算...............................14
3.1三维模型的空间布尔运算.......................................14
3.1.1二维布尔运算...............................14
3.1.2三维布尔运算...................................15
第四章基于要素分类和模板机制的工程制图.....................26
4.1要素分类与模板的基本概念............................26
4.2基于XML的模板机制......................................27
4.2.1模板化工程制图的需求.........................27
第五章系统的设计与实现...............................30
5.1工程制图需求分析.......................................30
5.2系统框架设计与实现..................................32
5.3出图流程及应用案例.......................................33
第五章系统的设计与实现
5.1工程制图需求分析
以用户角度来看，工程制图的需要实现以下流程：用户在三维场景下，选择出图的基础数据，配置布局，启动工程制图软件，添加图项，打印输出；之后，将本次出图保存为模板，下次制作同类型图件时，可选择对应模板，可自动生成图项，直接打印输出、简单编辑后打印输出。
矿山输出的任何图件都具有非常明确的业务目标。地下矿输出的图件类型可分为三大类，十小类。三大类以业务类型进行分类，包括地质图、测量图、采矿图。十小类则从工程角度对三大类进行进一步分析，具体分类如下图所示。
第六章总结与展望
6.1总结
工程图件是地下矿现场指导施工和技术交流的重要数据，自始至终贯穿整个工程的生命周期。采矿工程图件种类繁多，样式复杂，为了提供模板化、自动化的出图方式，本文围绕工程制图中数字模型、几何算法、要素分类、模板机制及系统框架等方面进行分析和研究。具体工作及创新点如下：
1、块段模型与表面模型是地下矿数据的主要建模方式，同时也是工程制图的主要数据来源。采用块段模型用于矿体的属性建模，表面模型用于构建三维模型的空间形态。模型的数据索引结构是存储与检索的核心，在不同场景下使用不同的格式索引，能起到较好的数据规划效果。
2、分析了三维模型空间几何算法，提出了一种基于布尔运算的投影轮廓线生成方法，该方法使用多级网格分割平面数据，并通过均匀点列来判断单元格的填充状态，减少计算的数据量，提高了三维模型空间投影的精度和效率。
3、提出了要素分类和模板机
