重磁2.5D/3D互相约束反演技术在三维地质填图中的应用研究

三维地质填图为我国启动的新一轮地质调查项目,为提高重磁资料在三维地质填图中的应用效果,笔者提出重磁资料2.5D/3D相互约束重磁反演技术方案:利用重磁资料2.5D剖面反演结果、3D物性反演结果作为彼此反演约束条件,并通过了理论模型试验。试验结果表明,该技术方案使反演结果中物性参数、空间位置更接近理论模型体。通过对本溪—临江地区思山岭铁矿磁异常及酸性岩体重力异常进行反演实践——估算磁异常铁矿资源量、研究酸性侵入岩深部展布形态的效果良好,可为大面积三维填图提供有效途径。     

On the transition between 2D and 3D dunes

Sediment transport in sand-bedded alluvial channels is strongly conditioned by bedforms, the planimetric morphology of which can be either two- or three-dimensional. Experiments were undertaken to examine the processes that transform the bed configuration from two-dimensional (2D) dunes to three-dimensional (3D) dunes. A narrowly graded, 500 μm size sand was subjected to a 0·15 m deep, non-varying mean flow ranging from 0·30 to 0·55 m sec⁻¹ in a 1 m wide flume. Changes in the planimetric configuration of the bed were monitored using a high-resolution video camera that produced a series of 10 sec time-lapsed digital images. Image analysis was used to define a critical value of the non-dimensional span (sinuosity) of the bedform crestlines that divides 2D forms from 3D forms. Significant variation in the non-dimensional span is observed that cannot be linked to properties of the flow or bedforms and thus appears random. Images also reveal that, once 2D bedforms are established, minor, transient excesses or deficiencies of sand are passed from one bedform to another. The bedform field appears capable of absorbing a small number of such defects but, as the number grows with time, the resulting morphological perturbations produce a transition in bed state to 3D forms that continue to evolve, but are pattern-stable. The 3D pattern is maintained by the constant rearrangement of crestlines through lobe extension and starving downstream bedforms of sediment, which leads to bifurcation. The experiments demonstrate that 2D bedforms are not stable in this calibre sand and call into question the reliability of bedform phase diagrams that use crestline shape as a discriminator.     

二维与三维边坡稳定性分析结果的比较与分析

二维与三维边坡稳定性分析得到的安全系数存在着差异,讨论这种差异与滑体几何尺寸及土体强度参数间的变化规律及其形成机制,可为合理地评价边坡稳定性分析提供理论依据。针对均质三维边坡,利用基于滑面正应力修正模式的极限平衡法分析程序,定性地讨论滑体形态、长高比、坡比、土体强度参数等指标对二维与三维安全系数计算结果差异(以F3/F2表示)的影响,总结F3/F2与影响指标间的变化规律,分析变化规律形成的内在机制。从工程应用的角度,给出需要考虑该差异影响的分界标准。研究表明,F3/F2随着长高比L/H、内摩擦角?及坡比m的增大逐渐减小,随着黏聚力c的增大逐渐增大;对于满足下列条件之一的边坡,宜采用三维安全系数来评价其稳定性,(1) L/H ≤ 5的滑坡体;(2) 5< L/H ≤ 10且 c > 25 kPa(或? < 15°,或m < 1.0) 的滑坡体。研究成果可为合理评价边坡稳定性分析方法提供参考。     

基于多视角二维图像的钙质砂颗粒三维重构方法

以多视角二维图像为基础进行复杂形状颗粒三维重构。以具有复杂形状的钙质砂颗粒为样本,针对块状、条状以及树枝状等典型复杂形状颗粒进行重构,并以凸度、圆形度以及长宽比等形状指标为依托对其最终重构精度进行表征。在重构过程中,以颗粒初始投影面为基础绕轴转动获取一系列颗粒二维投影图像,并提取其边界坐标值,而后利用三维点云与所获取的二维图像轮廓坐标进行定位匹配,并删除位于二维图像轮廓外部点集,最终得到使得所有点均位于所获取的系列二维图像轮廓内。在此基础上,进一步对点云实体化处理并构建得到三维实体。通过对150个不同形状颗粒展开重构,统计发现90%以上颗粒的重构误差在10%以内,其中,误差范围最大的为树枝状颗粒,最大误差为10.84%,最小误差则小于1.00%。该方法原理简单,可有效地构建得到精度较高的复杂形状颗粒三维模型。     

地下洞室开挖三维与二维有限元模型的差异分析

地下复杂洞室群的分析与计算是一个三维问题,但受计算机容量、三维网格剖分的复杂性、软件的计算能力等因素制约,实际计算时常常采用平面应变模型代替复杂的三维模型。两种模型计算得到的塑性区范围是不同的。从理论上通过Drucker-Prager屈服准则比较证明了这两种模型的差异,得到平面应变模型塑性区比三维模型塑性区大的结论。     

三维定位原理与三维反射波场模拟

在三维正演模拟定位原理基础上 ,以单程声波方程作为波场外推手段 ,实现三维叠前反射波场模拟 ,完全克服了全波方程模拟的 3个问题。在波场外推中 ,使用波动方程的混合解法 ,即以波动方程解析解 (相位移法 )为主 ,在介质速度横向变化的地方 ,用数值解 (45°有限差分 )作补充 ,使得整个算法精确、快速 ,既能处理复杂构造 ,又能适应速度的任意变化。     

3D mine pillar design information from 2D FEM analysis

This paper described a technique for obtaining three-dimensional mine design information using a two-dimensional finite element program where the mining geometry consists of an extensive array of underground rooms and pillars. The technique is based upon a simple augmentation of forces in a two-dimensional analysis to produce the same average pillar stress that would occur in a full three dimensional analysis. Detailed comparisons between a three-dimensional analysis, a two-dimensional analysis (plane stress and plane strain) and an augmented two-dimensional analysis (also plane stress and plane strain) of stress about a typical coal mine pillar are presented. A local factor of safety is defined and then mapped over the pillar midplane, the immediate roof and immediate floor using the results from the full three-dimensional analysis. Comparisons of roof and pillar safety factor distributions obtained by the three-dimensional, two-dimensional and augmented two-dimensional analyses show that the minimum safety factors in the pillar (at the pillar sides) are predicted quite closely by the augmented two-dimensional techniqe (plane stress). The same is true of the immediate roof, although the three-dimensional safety factor tends to be higher in the roof (over the room) than that calculated by the augmented twodimensional technique. The augmented loading procedure appears to hold considerable promise as a very efficient and cost reducing techniqe for mine pillar design.     

TGP二维与三维地质预报成果对比

以TGP超前地质预报理论和实际工程资料为基础,运用信息化逻辑方法对TGP二维与三维地质预报成果进行分析对比,主要从预报地质构造的位置、规模、围岩级别和产状四个成果比较二者的相同和不同之处。结果表明,对于隧道前方岩性无明显差异的围岩,二维与三维的地质预报结果基本相同;对于与隧道斜交的地质构造,二维与三维地质预报在构造产状预报结果上相近,但二维地质预报在围岩级别预测方面有利,三维地质预报在规模和位置的预报方面有利;对于与隧道激发炮孔连线一侧边墙不相交的地质构造,二维与三维地质预报结果基本不同,且三维比二维的地质预报结果有利。     

Digital measurement of 2D and 3D cracks in sandstones through improved pseudo color image enhancement and 3D reconstruction method

An integrated approach of improved pseudo color image enhancement (IPCE) method and three-dimensional (3D) reconstruction technology is proposed. The evolution characteristics of two-dimensional (2D) and 3D spatial cracks in X-ray computed tomography (CT) images of sandstones subjected to triaxial compression with confining pressure of 10, 20, and 30 MPa are investigated. The equations of crack width, length, and dip angle are established based on the proposed digital damage ratio. Based on the pseudo color images, point cloud maps with roughness and spatial images of cracks are investigated. The numerical results show that this proposed method is effective to study and understand the fracturing properties of rocks.     

3D GIS支持下的城市三维地质信息系统研究

介绍了3D GIS的发展现状与应用前景，详细地讨论了基于3D GIS构建的城市三维地质信息系统的设计思路和结构功能。在分析城市三维地质数据多种建模方法的基础上，采用一种基于TIN和TEN的混合数据结构来构建城市三维地质数据建模系统。另外，针对城市三维地质数据的特点，探讨了城市三维地质海量数据的采集与管理、城市三维地质数据信息的Web发布等重要问题，为系统功能的最终实现提供了完整的解决方案。     

地震采集观测系统设计及图形绘制软件的研制和使用

这里主要研究地震采集观测系统设计和图形绘制的计算机软件实现问题。到目前为止,许多的地震数据处理软件包以及专门的观测系统设计软件等都能够实现观测系统图形的显示与输出。但这些观测系统图形基本上是极为简单的显示,对图形不能进行一些个性化的设置,而能够真正用于野外队绘制观测系统成果图的软件却没有,观测系统图形仍然处于手工绘制的阶段。鉴于这种情况,利用VISUAL C 6.0研制了一个观测系统设计和图形绘制软件。该软件绘制的图形不但能基本满足目前观测系统的成图规范,还能根据需要进行合理化的设置。从而可以将观测系统图形的手工绘制转为计算机绘制,并方便地利用打印机或用绘图仪输出,大大提高了绘制观测系统的效率和准确性。经实际应用效果较好。     

Comparison of two-dimensional flood propagation models: SRH-2D and Hydro_AS-2D

This article presents a comparison between two two-dimensional finite volume flood propagation models: SRH-2D and Hydro_AS-2D. The models are compared using an experimental dam-break test case provided by Soares-Frazão (J Hydraul Res, 2007. doi: 10.1080/00221686.2007.9521829). Four progressively refined meshes are used, and both models react adequately to mesh and time step refinement. Hydro_AS-2D shows some unphysical oscillations with the finest mesh and a certain loss of accuracy. For that test case, Hydro_AS-2D is more accurate for all meshes and generally faster than SRH-2D. Hydro_AS-2D reacts well to automatic calibration with PEST, whereas SRH-2D has some difficulties in retrieving the suggested Manning’s roughness coefficient.     

黄土边坡二维和三维变形破坏模型的对比分析

边坡变形特征在稳定性预测中尤为重要,已有文献往往只局限于二维或三维分析,没有对两者加以比较,导致模型选择与分析的问题不一致,浪费了时间和金钱。针对这个问题,课题组以某黄土边坡加固为例,运用ADINA软件建立二维和三维模型进行模拟,并与现场实际对照。结果表明：两种模型对边坡变形趋势的分析结果一致;三维模型变形预测值大于二维模型的30％～100％,分别得出定性和定量的结果,三维模型更符合实际变形;两种模型预测出的最薄弱部位和现场实际一致,具有实用性。这些结论为黄土边坡的变形预测和加固分析模型的选择提供了参考依据。     

基于3D MAX的矿体三维立体形态研究

以小西南岔铜金矿北山矿段Ⅰ-Ⅱ号脉系金、铜矿体为例,提出按品位分级的研究方法,探讨其形态特征和空间赋存规律,进而将矿体细分为矿饼微元,由此建立北山矿段金、铜矿体的三维立体形态模型。从而得出如下结论：（1）使用3D MAX软件将矿体形态可视化,方法简单易行,便于指导矿山管理、设计和生产;（2）提出品位分级形态的概念,有利于人们更好地认识矿体在空间的展布形态和分布规律,为解决矿体随时间等因素变化提出了一种新的研究思路;（3）对分段富集规律有了新的认识,将其应用范围从平面域扩展到空间领域,进而更好地预测隐伏矿体。     

基于FLAC~(3D)的复杂地貌三维地质建模

针对复杂地貌和地质构造条件下数值模拟的建模问题,基于FLAC3D平台提出了从局部到整体的建模思想,采用Brick单元和Tetrahedron单元通过编程生成复杂地貌条件下的三维地质体模型。利用趋势面分析法拟合出层状连续地质体,将其定义为不同的"群",建立了多层状三维地质体结构模型。采用interface界面模拟出了断层面,并与趋势面相结合,构建了断层上下盘中的地层。认为通过数学分析结合计算机编程,可以实现直接在FLAC3D中进行复杂地貌和地质构造条件下的地质体建模。     

勘探剖面二维坐标系向三维坐标系转换的新方法

勘探剖面是矿山设计、生产过程中的基础性成果图件,在矿山三维建模中发挥着重要作用,其中勘探剖面从二维坐标系向三维坐标系的转换及其误差分析、校正是矿山三维建模的一个重要环节。针对当前人工或交互式勘探剖面坐标系转换过程存在费时费力、易出错等问题,在基于基准点的勘探剖面坐标系转换原理的基础上,首先探讨了基于地质体断面面积标准差的转换误差评价方法;然后,提出了基于转换域的勘探剖面坐标系转换的新方法,详细叙述了算法的计算步骤,并分析了算法的复杂度;最后,以湖南省某金属矿山为例,对比分析了勘探剖面坐标系转换的质量,并验证了所提方法的可行性。     

面向三维地质建模的三维GIS软件中曲面表达与拓扑关系

讨论了面向地质勘探的地下真三维GIS软件研发中的曲面表达与三维拓扑关系。指出采用光顺拼接的高次三角曲面拟合技术对地质曲面进行精细表达在地质建模中具有重要意义,给出了自研软件"地质工程师三维助手"的曲面精细表达实现方法以及自适应曲面精细表达的思路;提出在曲面表达的3种方式(DEM、TIN、等高线)中,最受欢迎的是等高线方式的观点;对地下三维建模的拓扑关系与CAGD的拓扑关系进行了比较,并从地理信息空间模式的边界、余边界概念对三维拓扑关系进行了重新审视。     

大地电磁面积性资料和稀疏测线资料的三维反演解释

对理论模型合成的稀疏测线数据和面积性数据以及实测单一测线数据进行了三维反演。通过对比分析合成稀疏测线数据和面积性数据的三维反演结果发现,使用4个张量阻抗元素作为反演数据的稀疏测线数据的三维反演结果可以较好地反映三维目标体,虽然效果可能不如面积性数据的三维反演结果。实测单一测线数据的三维反演结果也较好地揭示测线周围地下基岩界面的三维起伏情况。合成数据和实测资料的三维反演结果表明:可以采用三维反演解释的方法对大地电磁稀疏测线资料进行反演解释。同时,从合成数据的三维反演结果分析可以看出,对大地电磁稀疏测线资料进行三维反演,应尽可能反演所有张量数据;对大地电磁面积性资料进行三维反演,可以只使用两个非对角元素数据,但使用所有张量数据的效果更好。     

三维直流电场积分方程中奇异性的近似处理

直流电场积分方程的核函数是磁并矢格林函数,其数学表达式与电并矢格林函数的数学表达式完全不同。因此,在处理直流电场积分方程的奇异性时不能直接利用文献中针对电并矢格林函数所提出的奇异性消除公式。为了寻求处理磁并矢格林函数奇异性的有效途径,参考文献中针对电并矢格林函数的奇异性消除方法,提出了针对磁并矢格林函数的拟源并矢概念,并求出了当包围奇异点的小邻域为球体、立方体等不同形状时的拟源并矢。如果将这些拟源并矢代入到电场的积分方程中,可以得到只含有正常非奇异积分的数值计算方案。将这个计算方案用于实现关于直流电场的拟解析近似理论,则可以使三维直流电场的快速数值模拟成为可能。