地礦三維集成建模與空間分析方法及其應用.pdf

1、在城市地下空間工程、地質(zhì)勘察與巖土工程、礦山勘探與開采工程中，常涉及自然實體（如地層、斷層、礦體、圍巖）、人工實體（露天坑、巷道、地鐵）等多種類型的地（質(zhì)）礦（山）三維實體。目前，國際上主要采用獨立、靜態(tài)的方式進行三維建模與可視化，模型之間并未建立幾何與語義上的聯(lián)系，難以滿足露采坑集成設計、動態(tài)采掘分析、危巖體預警等地礦工程設計與分析應用問題。因此，地礦空間實體三維集成建模的理論方法以及基于實體模型的空間分析與應用技術（簡稱地礦三維集成

2、建模與空間分析應用）已成為當前數(shù)字礦山、數(shù)字城市、數(shù)字巖土等地學領域的前沿課題，是三維地理信息技術、虛擬現(xiàn)實技術與城市、礦山及地質(zhì)應用的交叉熱點。本文面向地礦工程的應用需求，就地礦實體的耦合集成方法、動態(tài)更新技術、多尺度柵格轉換與表達、拓撲空間關系分析等關鍵技術問題進行了研究探索與應用實驗。主要研究內(nèi)容和工作進展有:
　　(1)基于空間認知理論，針對典型地礦空間環(huán)境，對空間實體進行了分類與特征分析;針對地礦空間數(shù)據(jù)的不同來源與獲取

3、方法進行了源數(shù)據(jù)特征分析與分類;在此基礎上，介紹了城市與礦山空間建模不同類型的數(shù)據(jù)來源，針對勘探鉆孔與地質(zhì)剖面兩類典型數(shù)據(jù)來源，分別介紹了其數(shù)據(jù)結構設計與預處理方法。
　　(2)針對不同應用目標、不同數(shù)據(jù)來源的地礦空間建模進行了分類，指出設計與重建的區(qū)別，完善了地礦空間實體建模的概念與內(nèi)涵，歸納總結了地礦空間設計實體與實測實體的建模方法分類體系;分析了地礦空間模型集成的現(xiàn)實意義與方法現(xiàn)狀，提出采用布爾運算實現(xiàn)模型集成與更新的思想，

4、從更普適的層面提出一套以三角形為基本構模單元、適用于多種3D矢量空間數(shù)據(jù)模型的體與體、面與面、面與體模型之間的布爾算法，并結合露天坑集成設計、基坑開挖模擬、礦體切割分析等應用進行了實例分析。
　　(3)針對礦山資源量估算、巖土有限元分析中的地礦實體模型網(wǎng)格單元生成問題，提出一種基于三軸向掃描的柵格剖分算法(TAS)，解決了含孔洞復雜實體模型的矢柵轉換問題;面向多核CPU與計算集群的新型硬件架構，在串行算法基礎上，采用MPI并行技術

5、設計了一種基于八叉樹的實體模型多尺度并行剖分算法(P-TAS)，解決了實體模型表面與內(nèi)部的高性能多尺度柵格剖分;針對地礦領域中的地下工程開挖模擬與動態(tài)掘進仿真需求，提出一種基于多尺度柵格的實體模型布爾算法。
　　(4)針對地學空間實體的拓撲關系分析問題，基于數(shù)字拓撲理論和9-I拓撲分析框架，提出了三維柵格表達地礦空間實體的內(nèi)部、邊界和鄰域的特征、定義與表達方法，將9交拓撲關系分析模型由矢量向柵格擴展、由2D向3D擴展，提出一種適用

6、于三維柵格實體拓撲關系分析的K6N9-I模型，給出了12種典型、60種可能的細化拓撲關系映射矩陣及語義描述，并開發(fā)出拓撲關系計算分析實驗系統(tǒng)，基于SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言實現(xiàn)并驗證了柵格實體拓撲關系的定量計算和定性分析。
　　(5)基于本文提出的地礦空間實體模型集成與更新、三維矢柵轉換與表達、拓撲空間分析等方法，采用面向?qū)ο蠓治雠c三維可視化軟件設計技術，在地上下三維集成建模軟件平臺基礎上，分別針對城市與礦山應用開發(fā)了兩款空間集成建模與