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.     

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。     

一种基于反距离加权方法的层状三维地质界面拟合算法

三维空间中地质曲面模拟是矿产勘查、大比例尺成矿预测等地学领域的重要研究内容之一.与地球化学、地球物理数据的曲面拟合相比,地质界面拟合更加复杂且具有一般性.从功能需求角度出发,地质界面拟合需要处理层状地层、不整合地层以及存在构造的地层等多种情况;从算法实现角度讲,该拟合过程不同于物化探数据通过某一属性值进行曲面拟合的情况,因为在地质界面模拟过程中,不存在这样的特征值进行曲面拟合,因此不能直接使用物化探数据等值面提取的思想模拟地质接触界面.针对上述问题,提出了一种基于反距离加权法移动立方格算法的层状地层曲面拟合算法.该方法模型适合绝大多数层状地学三维曲面模拟.     

基于乘积型目标函数的电阻率法三维反演

为了减小地球物理反演的多解性,通常采用累加型目标函数,即数据拟合差项加上正则化项。基于累加型目标函数的反演存在如何优选正则化因子的问题,这个过程通常需要做大量的反演计算。本研究系统分析和实现了基于乘积型目标函数(数据拟合差项和正则化项相乘)的电阻率法三维反演,乘积型目标函数的反演不存在优选正则化因子的问题。三维正演采用非结构化有限单元法,三维反演采用有限内存拟牛顿方法。使用理论模型合成数据进行了三维反演,检验了基于乘积型目标函数的电阻率法三维反演的可行性与有效性。反演算例结果表明：基于乘积型目标函数的反演方法能够可靠恢复异常体的电阻率值、形态和位置。     

基于水平集的复杂三维地层模型建模及在地下工程中的应用研究

由于地质体存在断层、尖灭、出露等复杂地质现象,在三维地层建模时,为了表达这些现象,无论是面模型还是体模型或混合模型,都存在空间分割或曲面求交线的问题。由于地质体拓扑关系的复杂性、数据误差以及计算机精度问题,使得这些模型在实际建模过程中常常失效。运用水平集理论可以有效解决这一问题,水平集用隐函数表达曲面（或超曲面）,可以实现复杂地质体的表达及并、交、差等拓扑运算。在三维地层建模中,插值生成各种地质界面后,用水平集表达这些地质界面,利用水平理论完成各种复杂的拓扑操作,建立以水平集表达的三维地层模型。在此基础上,插入水平集表达的各种工程活动界面,利用水平集理论进行拓扑操作,可构建各种工程活动后的地层模型。再利用Marching cube算法抽取各种地质界面或工程活动界面,构建可用于实时可视化或用于工程评估（如有限元计算）等的NMTINF-BR地层模型或工程活动后的NMTINF-BR地层模型。     

多尺度数字高程模型

以岩土工程边坡数值模拟仿真可视化为研究对象,分析、研究了数字高程模型(DEM)和样条函数。将非均匀B样条曲面拟合和准均匀B样条小波多尺度分解结合起来,实现多尺度DEM地形建模方法,设计了相应的算法。实验结果表明,其建模造型效果逼真,多尺度分辨率明显,是一种高效实用的建模方法。     

大定源瞬变电磁一维自适应正则化反演

自适应正则化反演对初始模型要求较低,直接对瞬变电磁响应数据进行反演。正则化因子通过计算每次迭代的数据目标函数和模型目标函数自适应的得到,从而快速获得地下的地电结构。本文采用自适应正则化反演算法对大定源回线瞬变电磁一维层状模型进行反演,使用均匀半空间作为初始模型,首次采用模型对深度的二阶导数极小的模型约束,通过典型理论模型的反演计算,证明了TEM自适应正则化一维反演算法拟合效果好、精度高,由于不用反复搜索正则化因子,并且收敛速度快,体现了良好的稳定性和可靠性。     

基于钻孔数据任意边域地层分界面B-Rep建模研究

对相邻钻孔数据的类型进行了分析,对不同连续性和规则性的地层分界面进行了建模.考虑地层分界面的光滑性和整体控制性,运用边界表示法(B-Rep)和B样条曲面重构地层分界面,为地层建模提供了一种新的方法.建模研究表明:在钻孔数据前处理算法的基础上,B-Rep能够建立连续型、非连续型、空洞型等任意边域的地层分界面.     

水平层状各向异性地层多分量感应测井数据的快速参数化反演算法

利用传输线理论、Sommerfeld积分快速计算以及最小平方拟合技术研究建立多分量感应测井数据的一种新的快速参数化迭代反演算法,同时重构水平层状横向同性地层的纵、横向电阻率以及水平层界面深度。首先,通过Fourier变换与传输线理论给出频率波数域中电磁场并矢Green函数在各个地层中的解析解,并利用三次样条插值和贝塞尔函数递推公式建立Sommerfeld积分的半解析算法,快速计算多分量感应的测井响应。然后在此基础上,利用摄动理论建立磁场并矢Green函数与模型向量间变化关系的摄动方程,并将摄动方程中各个积分转化为Sommerfeld积分,实现正演模拟的同时用半解析算法快速确定多分量感应测井响应的Fréchet导数。最后,利用归一化处理和奇异值分解技术,同时反演所有地层的纵、横向电阻率和层界面深度,实现输入数据和反演模型的模拟数据优化拟合。理论模型的数值结果验证了该反演算法的有效性及抗噪性。     

沉积地层系统三维实体模型构建方法

全面系统地研究了沉积地层系统三维实体构模的原理、方法及实施过程。针对沉积地层系统的几何结构特征,提出了一种基于钻孔数据的三维实体模型生成方法“钻孔-层面-实体法”。该方法首先使用二分拓扑结构将钻孔数据离散化为一系列散点,基于这些散点插值拟合出各个地层顶、底界面的初始高程,自动推算出缺失地层的地质成因;然后按照不同的地质成因,自动对缺失地层及其控制界面进行交切处理、高程调整与一致性处理;最后生成用三维块体或三棱柱体元充填的三维实体模型。通过上海城建工程中的一个应用实例验证了“钻孔-层面-实体法”的有效性。     

基于等效塑性应变的三维边坡滑面搜索

边坡三维临界滑面的定位问题是边坡稳定性分析中尚未得以很好解决的一个重要问题。注意到临界滑面是由沿深部方向上的等效塑性应变的极大点所组成这一现象,在利用强度折减法将边坡带入临界平衡状态后,通过在水平面上设置一系列的垂直直线,并找出每条直线上的等效塑性应变最大值的位置,就得到了三维边坡滑面上离散点的分布。最后,采用被称为薄板光顺样条（thin-plate smoothing spline）函数的插值方法对滑面上的离散点进行了插值光顺处理,在不指定边坡滑动模式和滑面形状的前提下就可以得到三维边坡的临界滑面。通过在三维凸型边坡中的应用,体现了该方法在确定三维边坡临界滑面上的优越性。     

Response Surface Method of Reliability Analysis and its Application in Slope Stability Analysis

The response surface method (RSM) is a powerful approach for carrying out reliability analysis for complicate engineering with implicit limit state functions. The quality of a response surface mainly depends on the choice of response surface function and the selection of sample points. To investigate the influence of the types of response surface functions and to reduce the computation efforts, two new sampling methods and a hybrid RSM are proposed. In the hybrid RSM, four types of response surface functions and three sampling methods are involved, and each Response surface function can be connected to each sampling method. The four response surface functions are quadratic polynomial without cross terms (PN1), quadratic polynomial with cross terms, radial basic function network (RBFN) and support vector machine (SVM). The three RSMs using the traditional sampling method, the new iterative sampling method and the new experiment design method are RSM1, RSM2 and RSM3, respectively. The accuracy and efficiency of different RSMs are illustrated through three examples. When an iterative method is used for locating sample points, the PN1-based RSM2 is proposed for its accuracy and efficiency. And when an experiment design method is used for locating sample points, the RBFN- or SVM-based RSM3 is suggested because the RBFN or SVM is suitable for global fitting.     

地层数字制图中纵、横分界线控制搜索新算法

针对目前地层数字连线中处理地层缺失和倒转困难的问题,考虑6种地层缺失和倒转情形,提出了纵、横向结合地层分界线控制点搜索算法。将剖面图绘制视为一个多层地层区域组合叠加的过程,在保持地层连续性的前提下兼顾各地层相互之间的影响,有效处理了地层倒转、缺失问题,在此基础上提出一种增加虚拟点、微调已有点的新算法。结合3次样条插值函数,对绘制出的剖面图进行修正,实现了地层光滑连线,达到了地层无缝、无重叠组合的效果。将提出的复杂地层连线新方法应用于广东梅河高速公路工程数字制图中,构造出的地层分布图像准确性好,比较符合实际,可以为工程的勘察、设计和施工提供参考。     

EGM2008重力场模型在兴城物探测量中的应用

以吉林大学兴城物探教学实习测网为例,基于EGM2008重力场模型,采用二次曲面、移动曲线、最小二乘配置、三次样条和反距离加权改正插值法,计算了不同GPS水准点密度情况下的水准面模型,并利用二等水准测量方法验证了计算精度,分析了该模型的适定性。结果表明,三次样条插值法的精度和稳定性最高,其次是移动曲线法和最小二乘配置法;二次曲面拟合的精度最低,反距离加权改正法稳定性最差。所有算法都表明,在研究区,当GPS水准点间隔20 km时,基于EGM2008模型确定的大地水准面精度在0.1 m以内;而采用单独GPS水准点的区域大地水准面模型能达到14cm,完全满足各种比例尺情况下的石油物探测量要求。     

有效厚度拟合定量恢复原始地层超覆点位置

地层超覆点的迁移是层序地层分析和海平面变化曲线编制的重要依据。受构造抬升、海平面下降或二者共同作用影响,地层超覆点在沉积后常被剥蚀。如何恢复其原始沉积时的位置,至今尚无定量方法提出。基于地层厚度自盆地边缘向盆地中心依次增大,或先增大、后减小的分布特点,采用指数与线性相结合的分段函数模型,利用未剥蚀区地层厚度数据拟合外推恢复原始地层超覆点位置。该方法适用于被动大陆边缘、大型三角洲沉积区及坳陷型盆地,应用于巽他陆架晚新生代地层分析,取得满意效果.     

螺旋面的拟合应用研究

提出了一种螺旋面的拟合算法。利用参数方程建立独立参数与直角坐标的代数关系,构建出误差方程组,再利用非线性方程的多维数值寻根方法求解出螺旋面的各项参数。用模拟数据进行了算法的验证,并给出了误差的评定方法。此法可拓展到对其它参数曲面的拟合。     

基于激光测量和FKM聚类算法的隧洞岩体结构面的模糊群聚分析

岩体隧洞结构面的数量、产状和发育情况是评价隧洞透水性和稳定性的重要指标。采用三维激光测量技术可以快速获取隧洞周围岩体激光点云数据和结构面的几何信息。提出了基于柱面投影和Delaunay生长算法的激光点云的三角网重构技术,利用构建的三角网平面方程的法向向量计算出单个三角网平面的产状,并应用FKM聚类算法进行隧洞岩体结构面产状的模糊群聚分类。该方法可以快速得到不同组的优势产状,且分类结果可用不同颜色进行空间显示。最后运用自主研发的FSS软件对某隧洞的岩体结构面优势产状进行了研究,研究结果表明：1）基于柱面投影和Delaunay生长法的点云构网方法特别适合于隧洞工程,构网速度快、效率高,重构得到的三角网表面与被采样的岩体表面拓扑差别最小;2）FKM模糊群聚方法对隧洞岩体结构面的群聚分类结果可靠、合理,具有较强的通用性和推广性。     

矿山条带开采相似材料模型变形测量

针对传统模型观测方法中存在的观测装置或传感器安装麻烦、工作量大、采样点有限等缺点,引入计算机视觉和数字近景摄影测量技术量测模型变形。用高分辨率数字相机获取不同模型,模拟开挖状态下的多组数字影像,选取二值化阈值对图像进行分割,根据标记区域的形状参数自动检测和识别标志点,通过边缘跟踪和椭圆拟合算法确定标志点中心坐标;推导了用二维直接线性变换关系式和共线方程分解出影像外方位元素初值的实用算法,利用光束法平差对标志点空间坐标进行精确定位。试验结果表明,空间坐标的测定精度高于±1mm,所测位移场与实际变形情况较为一致,可以满足矿山岩层和地表移动相似材料模型观测要求。     

Moving Surface Spline Interpolation Based on Green’s Function

Some commonly used interpolation algorithms are analyzed briefly in this paper. Among all of the methods, biharmonic spline interpolation, which is based on Green’s function and proposed by Sandwell, has become the mainstream method for its high precision, simplicity and flexibility. However, the minimum curvature method has two flaws. First, it suffers from undesirable oscillations between data points, which is solved by interpolation with splines in tension. Second, the computation time is approximately proportional to the cube of the number of data constraints, making the method slow for situations with dense data coverage. Focusing on the second problem, this paper introduces the moving surface spline interpolation method based on Green’s function, and the interpolation error equations are deduced. Because the proposed method only chooses the nearest data points by using the merge sort algorithm for interpolating, the computation time is greatly decreased. The optimal number of the nearest points can be determined by using the interpolation error estimation equation. No matter how many data points there are, this method can be implemented without difficulty. Examples show that the proposed method can obtain high interpolation precision and high computation speed at the same time.