地礦三維集成建模與空間分析方法及其應(yīng)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(kāi)采工程中，常涉及自然實(shí)體（如地層、斷層、礦體、圍巖）、人工實(shí)體（露天坑、巷道、地鐵）等多種類(lèi)型的地（質(zhì)）礦（山）三維實(shí)體。目前，國(guó)際上主要采用獨(dú)立、靜態(tài)的方式進(jìn)行三維建模與可視化，模型之間并未建立幾何與語(yǔ)義上的聯(lián)系，難以滿(mǎn)足露采坑集成設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)采掘分析、危巖體預(yù)警等地礦工程設(shè)計(jì)與分析應(yīng)用問(wèn)題。因此，地礦空間實(shí)體三維集成建模的理論方法以及基于實(shí)體模型的空間分析與應(yīng)用技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)地礦三維集成

2、建模與空間分析應(yīng)用）已成為當(dāng)前數(shù)字礦山、數(shù)字城市、數(shù)字巖土等地學(xué)領(lǐng)域的前沿課題，是三維地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與城市、礦山及地質(zhì)應(yīng)用的交叉熱點(diǎn)。本文面向地礦工程的應(yīng)用需求，就地礦實(shí)體的耦合集成方法、動(dòng)態(tài)更新技術(shù)、多尺度柵格轉(zhuǎn)換與表達(dá)、拓?fù)淇臻g關(guān)系分析等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究探索與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。主要研究?jī)?nèi)容和工作進(jìn)展有:
　　(1)基于空間認(rèn)知理論，針對(duì)典型地礦空間環(huán)境，對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行了分類(lèi)與特征分析;針對(duì)地礦空間數(shù)據(jù)的不同來(lái)源與獲取

3、方法進(jìn)行了源數(shù)據(jù)特征分析與分類(lèi);在此基礎(chǔ)上，介紹了城市與礦山空間建模不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)來(lái)源，針對(duì)勘探鉆孔與地質(zhì)剖面兩類(lèi)典型數(shù)據(jù)來(lái)源，分別介紹了其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與預(yù)處理方法。
　　(2)針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)、不同數(shù)據(jù)來(lái)源的地礦空間建模進(jìn)行了分類(lèi)，指出設(shè)計(jì)與重建的區(qū)別，完善了地礦空間實(shí)體建模的概念與內(nèi)涵，歸納總結(jié)了地礦空間設(shè)計(jì)實(shí)體與實(shí)測(cè)實(shí)體的建模方法分類(lèi)體系;分析了地礦空間模型集成的現(xiàn)實(shí)意義與方法現(xiàn)狀，提出采用布爾運(yùn)算實(shí)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(gòu)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(jié)合露天坑集成設(shè)計(jì)、基坑開(kāi)挖模擬、礦體切割分析等應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析。
　　(3)針對(duì)礦山資源量估算、巖土有限元分析中的地礦實(shí)體模型網(wǎng)格單元生成問(wèn)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(fù)雜實(shí)體模型的矢柵轉(zhuǎn)換問(wèn)題;面向多核CPU與計(jì)算集群的新型硬件架構(gòu)，在串行算法基礎(chǔ)上，采用MPI并行技術(shù)

5、設(shè)計(jì)了一種基于八叉樹(shù)的實(shí)體模型多尺度并行剖分算法(P-TAS)，解決了實(shí)體模型表面與內(nèi)部的高性能多尺度柵格剖分;針對(duì)地礦領(lǐng)域中的地下工程開(kāi)挖模擬與動(dòng)態(tài)掘進(jìn)仿真需求，提出一種基于多尺度柵格的實(shí)體模型布爾算法。
　　(4)針對(duì)地學(xué)空間實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系分析問(wèn)題，基于數(shù)字拓?fù)淅碚摵?-I拓?fù)浞治隹蚣?，提出了三維柵格表達(dá)地礦空間實(shí)體的內(nèi)部、邊界和鄰域的特征、定義與表達(dá)方法，將9交拓?fù)潢P(guān)系分析模型由矢量向柵格擴(kuò)展、由2D向3D擴(kuò)展，提出一種適用

6、于三維柵格實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系分析的K6N9-I模型，給出了12種典型、60種可能的細(xì)化拓?fù)潢P(guān)系映射矩陣及語(yǔ)義描述，并開(kāi)發(fā)出拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了柵格實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系的定量計(jì)算和定性分析。
　　(5)基于本文提出的地礦空間實(shí)體模型集成與更新、三維矢柵轉(zhuǎn)換與表達(dá)、拓?fù)淇臻g分析等方法，采用面向?qū)ο蠓治雠c三維可視化軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，在地上下三維集成建模軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，分別針對(duì)城市與礦山應(yīng)用開(kāi)發(fā)了兩款空間集成建模與