复杂地层建模与三维可视化

提出了一种新的复杂地层建模方法。该方法先将离散的钻孔数据点分类,而后将不同类的离散数据点用径向基函数进行拟合;所生成的拟合曲面相交、裁剪得到地层的空间范围;由离散的数据点以及拟合插值点生成地层交界面格网,再经过计算机图形处理生成地层模型的三维图形。利用该方法对复杂地层建模,自动化程度较高、效果较好。     

三维径向点插值无网格法及其在流固耦合中的应用

径向基函数点插值无网格法(radial point interpolation method,RPIM)是一种新型的无网格法,其形函数具有插值特性,且形式简单,易于施加本质边界条件。文中介绍了径向基函数点插值无网格法的基本原理,推导了三维情况下点插值无网格法的基本公式。从变分原理出发,结合比奥固结理论,建立了流-固耦合的三维点插值无网格法基本方程和数值积分方法,并开发了相应计算程序。通过三维悬臂梁和单向固结问题的数值试验,验证了该方法对三维弹性问题和流-固耦合问题的适用性和有效性     

Stacking集成策略下的径向基函数曲面复杂矿体三维建模方法

建立三维矿体模型是数字矿山、智慧矿山的基础.针对经典径向基函数曲面重建算法在原始数据稀疏时出现曲面边界自拟合及模型不连续现象,提出了一种集成多种机器学习模型的径向基函数曲面复杂矿体三维建模方法.该方法利用Stacking模型学习矿体轮廓线离散化点云数据的分布特征,建立表征矿体模型几何信息的有向点集;在此基础上提取边界点及法向量,通过Hermite型径向基函数建立隐式场,最后基于行进四面体算法建立三维矿体模型.与轮廓线拼接法、经典径向基函数曲面重建算法、简单克里金插值法相比,该方法能够有效减少曲面边界自拟合现象,减少模型多余孔洞,提高模型的连续性;建立的模型所切轮廓线与原始轮廓线相似度达75.14%,与人工干预程度较高的显式模型相当;在体积表征上与显式模型的差距达到最低.     

重大工程地下环境信息系统的设计与实现

地下环境信息系统是运用岩土工程、地理学、计算机图形学、计算数学等多学科理论和方法，以GIS技术为基础，结合数据库处理、C 语言编程、OpenGL编程技术、三维图像处理技术建立的对地下环境信息进行数据综合管理和分析的大型信息管理系统。结合笔者开发的广东省东深供水改造工程地下环境信息系统特点，阐述了重大工程地下环境信息系统的功能特征：探讨了GIS二次开发的主要技术，包括：SQL Server数据库处理技术、OpenGL三维图形编程技术、C Builder面向对象编程技术、MAPGIS二次开发技术等；建立了地层三维模型，并提出了映射变换和插值技术相结合的地层切剖原理，以及在地层三维显示和分析中实用的径向基函数插值、滑动最小二乘插值、分片Lagrange插值等方法；开发了数字制图与分析、地基基础设计计算与稳定性分析、三维空间分析的主要功能；提出了地面结构景观和地下空间一体化分析的研究方向，并初步实现其分析功能。最后，在东深供水改造工程中进行了成功应用。     

基于紧支径向基函数的点插值无网格方法

紧支径向基函数能使支配方程中的刚度矩阵具有稀疏性,很适合应用于无网格方法中,其缺点是在插值计算时精度不高.点插值方法的插值函数具有Delta函数性质,可以很方便的施加本质边界条件,但在计算插值函数时矩阵易出现奇异.为了提高计算精度并避免点插值法的局限性,首先对紧支径向基函数进行完备性修正,然后用完备性修正的紧支径向基函数代替多项式来形成插值函数,建立了紧支径向基函数点插值方法.由于该方法中的形函数满足Delta函数性质,因此本质边界条件可以像传统的有限元方法一样很容易施加.然后将该方法用于二维弹性静力问题的求解,导出了其相应的离散方程.最后将该方法应用于一个悬臂梁的分析中,初步验证了该方法的有效性与合理性.     

基于Open Inventor的三维地层可视化

利用面向对象的三维图形软件开发包 Open Inventor,来进行三维地层的可视化.通过Delaunary三角剖分方法,得到Open Inventor模块可以直接使用的地层数据,实现了地层三维动态显示,断层按Z轴方向等比例缩放,多井插值和剖面插值形成3D地层模型等功能.     

三维地层建模钻孔数据预处理研究

钻孔数据是三维地层建模的主要数据来源之一,在三维地层建模中,地层界面一般基于钻孔数据插值而成,正确处理钻孔数据是构建理想三维地层模型的前提和基础。三维地层拓扑关系极其复杂,地层界面插值数据在数学上选择也不是惟一的,因此,常导致构建地层模型出现与事实相悖的情形。针对这一点,根据地层地质演变历史,建立地层层序序列,此序列记录地层地质年代顺序及其拓扑关系。根据地层地质特征,可将地层拓扑关系概化为两类：“覆盖”和“侵蚀”。据此地层层序序列可惟一确定地层界面插值数据,从而构建正确地层模型。采用python语言实现了该钻孔数据预处理算法,实例表明,该预处理方案能正确地预测实际地层。     

地层三维建模及面模型插值方法对比研究

通过面模型进行实体建模是构建三维地层模型的有效方法之一,为了更好的选取面模型插值方法,本文对距离幂次反比方法、克里格插值方法以及离散光滑插值方法进行了对比研究。实例结果显示,离散光滑插值方法既可以保持插值区面的光滑,又能与原始数据最大程度的拟合,较其他两种插值方法对于表现局部的非连续空间特征具有更大优势。同时本文通过将离散光滑插值方法与地质剖面信息相结合,通过面模型与三维实体模型之间的空间运算来获得倾入、尖灭等地层之间的空间关系,并结合地层的年代信息,建立了一套可以减少人为干预,提高建模精度和合理性的三维地层建模流程。实践证明,该流程能较好应用于安徽省钟姑矿田白象山矿区的地层三维建模工作。     

基于地质体的地下厂房开挖变形插值方法

为了快速地获取施工过程中地下厂房区域的变形分布,在利用建立的三维地质模型的基础上,根据设计资料在地质模型中加入地下厂房模型和监测仪器模型,并根据设计资料的特征,设计了一套三维监测仪器图例,提出了基于设计资料快速加入仪器模型的方法。根据建立好的地质体地下厂房监测模型,进一步结合了基于监测仪器、三维地层、结构面的三维空间位置分布情况,充分利用监测仪器监测到的变形数据,进行了地下厂房变形分布的方法研究。根据监测仪器、地层和结构面的空间信息,改进了Shepard（谢别德）插值方法,使得变形分布插值更加趋近于真实。针对糯扎渡地下厂房工程实例,检验了方法的可行性。     

基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究

地质体三维建模是地学信息系统核心课题之一,对现有建模方法进行分析,结合地层特点,提出首先引入虚拟钻孔,利用Kriging插值方法建立地层三维模型;其次把虚拟钻孔参数的调试结果及专家知识等资料在建模流程中予以充分体现,从而建立相对精确的三维地层模型;最后基于本文建模方法开发了一个三维地层模型,并用实际资料进行了验证,能有效满足工程需求。     

基于地层信息的三维洞室可视化仿真技术研究

在大规模的岩土工程建设中隧洞和洞室群是最为常见的地下结构。由于受岩土工程所处复杂地质条件的影响,针对地层和洞室的三维GIS综合建模及可视化分析是信息岩土工程面临的难题。讨论了基于栅格模型的地层三维建模技术,提出了由多层数字等高模型（DEM）生成三维地层的自适应控制算法。在此基础上,系统研究了地层中的三维洞室可视化仿真技术,提出了地层信息和洞室的三维综合建模技术,通过地下洞室的三维实体模型生成、洞室和地裙相减、洞室和地层相交等运算,实现了基于地层模型的洞室开挖与漫游,最终生成了赋含地层信息的三维洞室,并给出了一个典型的工程应用实例。     

基于机器学习的地层序列模拟

地层结构及其分布的模拟是地质信息化研究与工程规划设计建造的迫切需求。现有的研究方法主要以钻孔数据为基础,选择插值方法进行二维剖面绘制和三维地层建模。插值方法是决定模拟结果准确程度的重要因素,但插值方法的选取受主观因素影响,缺乏科学合理性,难以推广应用。针对这一问题,本文提出一种基于钻孔数据进行机器学习的地层序列模拟方法,即将钻孔地层数据处理为地层类型序列与地层层厚序列,利用循环神经网络与序列-序列架构建立地层序列模拟模型。通过将模拟结果与实际钻孔数据对比分析,发现地层序列模型可以较准确地模拟地表到基岩面之间的地层类型与厚度范围。研究可为地层模拟提供新方法。     

基于RBF神经网络的软基短期沉降预测研究

RBF(radial basis function)神经网络是一类比较优越的前向式多层神经网络,比传统的BP网络有较快的收敛速度.以深圳湾西部通道填海软基沉降的预测分析为例,探讨采用RBF神经网络解决这一问题的方法.采用插值方法构建时间间隔统一的时间序列数据并进行归一化处理,在此基础上建立了沉降变形时间序列的RBF神经网络模型,通过训练网络模型来预测沉降量.计算实例表明,模型具有运算速度快、预测精度高的特点,是一种具有应用前景的软基预测新方法.     

面向透明工作面的地质建模插值误差分析

工作面建模一般通过三维地震、井巷和钻孔测量等探测手段获取工作面的实际展布情况,然后利用插值算法建立相应模型。其中,采样数据是工作面建模的基础,插值算法是工作面模型实现的必经途径。插值算法和采样数据量的大小在不同程度上影响工作面模型的精确性,定量研究工作面模型精确度影响因素将对插值算法优选和采样数据获取量提供重要的参考价值。在工作面探测资料的基础上,通过交叉验证的方法,分别计算对比函数插值、光滑离散插值(DSI插值)和克里金插值的插值误差。为了解决透明工作面建模采样量大的问题,提出相对间距误差,并计算得到13组不同采样比例时模型的相对间距误差。结果表明:(1)透明工作面模型构建过程中,DSI插值、克里金插值和函数插值的平均绝对误差分别为0.015 5、0.022 5、0.231 2,因此,DSI插值算法构建的模型精确度最高,克里金插值算法次之,函数插值算法最差。(2)随着采样数据量的增加,模型的误差逐渐减小,当采样数据量小于10%时,插值误差下降幅度很大;但当采样数据量大于10%时,其下降幅度趋于平缓,建议在构建工作面模型时采样数据量大于10%。(3)在透明工作面模型实际构建过程中,建议采用DSI插值算法;同时根据最低采样数据量分析得到的最佳更新距离和最佳采样间距进行采样,提高工作面局部数据量。      

隧道支护结构荷载作用的随机反演

提出荷载－结构模式进行随机反分析方法，从隧道支护结构变形反算对应的荷载作用，可反推围岩抗力系数和覆土荷载的分布情况，以及作用于支护结构上各部位的外荷载。提出了以实测位移为基础的样条函数插值．以插值位移补充大量的实测值，满足了反分析所需众多的已知位移数。通过一施工实例对该方法的可行性进行了检验。     

地质三维信息模型研究及其应用

地质三维模型研究与应用在地质构造研究、资源勘探与开发等领域具有十分重要的意义。针对地质勘探等原始离散数据采用UML建立数据静态结构模型,利于GIS空间数据库集中存储管理;根据原始数据的特征,采用矢量层面构模技术建立了三维层面模型,生成地层表面和地层层间实体的连续数据;三维可视化模型采用流行的OpenGL图形技术,实现了原始数据、特征层表面和地质体三维显示与交互式剖切操作等。基于组件开发技术建立了地质三维信息模型系统,成功应用于城市地质勘察三维建模与可视化分析,并指出可在三个层次对此模型进行重用与扩展,具有较高的推广应用价值。     

基于两种插值算法的三维地质建模对比

三维地质建模过程中,插值算法对模型准确性具有显著影响。为评价不同插值算法对三维建模准确性的影响,本文选取反距离权重插值法和自然邻域插值法开展对比研究。通过理论分析和案例研究,从统计学原理、插值误差和可视化效果等三方面进行了对比分析。结果表明：反距离权重插值法在建模中精度较高,适应面更广。与自然邻域插值法相比,反距离权重插值法更加适用于地层缺失严重的层位,能够更好地保留地层缺失的特征;同时,反距离权重插值法能够更好地处理断层构造,对于地层的错断起伏情况表现效果更好;反距离权重插值法在沉积地层中误差更小,与实际情况更接近。     

基于地质雷达和钻孔数据的三维地层建模

为了结合地质雷达探测图像和钻孔数据共同用于地层的三维建模,根据反射波组的同相性和反射波形的相似性,通过与钻孔采样数据的对比,从处理后的地质雷达数据中提取出虚拟钻孔数据用于建模;基于该类数据的一般分布特点,根据曲面光顺的条件构建了网格的插值算法。采用该方法对某区域进行了三维地层建模。     

一种基于距离场的三维地质空间属性插值方法

针对根据一系列属性等值线剖面/断面数据进行三维空间插值问题,笔者提出一种基于距离场的三维空间属性插值方法。首先,根据对应属性等值线轮廓生成三维等值面;然后,构建属性等值面的三维距离场;最后,对于空间内任意点属性,根据其两侧等值面的距离场数据进行线性插值求取,从而生成整个三维空间内的属性场模型。将该方法应用于某铜矿区的可控源音频大地电磁法(CSAMT)剖面数据,在已知视电阻率等值线剖面的基础上,插值得到三维空间的视电阻率场,可用于揭示地下空间物性分布和预测隐伏矿体等。