煤层3D动态建模技术及应用研究

论文摘要

煤层动态建模技术是一项涉及煤层建模方法、模型自动处理算法和模型数据组织管理的综合性技术。本文在分析煤层地质建模特点及众多3D空间构模方法的基础上,首次提出了广义直三棱柱（Generalized Straight Triangular Prism,GSTP）的概念,并对广义直三棱柱的定义、几何形态、空间拓扑关系及数据结构作了深入讨论。研究表明不规则三角网（Triangulated Irregular Network,TIN）和广义直三棱柱网（Generalizedstraight Triangular Prism Network,GSTPN）分别适合煤层动态建模的表面模型和体模型。在分析煤矿生产技术信息特点及数据处理流程的基础上,规划了两条基于平面、剖面对应的煤层动态建模路线,为煤层动态建模的数据组织提供了理论基础。通过对煤层和断层（包括正断层和逆断层）的交面线做恢复处理,将褶皱、正断层和逆断层的约束边界归结为折线的约束问题,提出了“移动恢复”自动处理平面和剖面断层的新算法,解决了复杂约束条件下煤层3D自动建模的技术难题,提高了煤层动态建模的自动化程度与处理效率。最后,以地质模型为基础,以OpenGL为工具,采用Vc++6.0语言编写了3D图形显示控件及地质模型管理控件,开发了一套煤层3D模型可视化实验系统。论文的部分研究成果已经应用于煤矿地质测量空间信息系统MSGIS3.0中,主要表现为通过煤层底板表面的约束三角剖分,实现了煤层底板等高线的断层处理、等高线的局部加密、三角形优化、空间插值、任意切割煤层剖面等方面。通过实例,还展示了煤层3D动态建模技术在煤矿生产、安全管理、科学调度与职业培训等方面的应用前景,为煤矿三维地理信息平台的开发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 3D地质建模技术的研究现状
• 1.2.1 数字矿山、虚拟矿山系统与三维地学模拟
• 1.2.2 3D空间构模方法
• 1.2.3 3D地学模拟软件的开发现状与应用
• 1.2.4 问题与立论依据
• 1.3 研究内容与方法路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法和技术路线
• 2 煤层3D地质模型与建模路线
• 2.1 煤层的地质模型
• 2.1.1 煤层的形态特征
• 2.1.2 煤层在井田（煤矿）内的图形学表达及其建模特点
• 2.1.3 煤层建模的约束条件
• 2.1.4 煤层在地质构造约束边界条件下的图形学特征
• 2.1.5 煤层3D模型的选择
• 2.2 煤层的体模型
• 2.2.1 广义的直三棱柱模型
• 2.2.2 煤层群的广义直三棱柱体模型
• 2.2.3 煤层广义直三棱柱体模型的数据结构
• 2.3 基于平面、剖面对应的煤层地质建模路线
• 2.3.1 平面、剖面对应关系及其实现原理
• 2.3.2 煤层3D地质建模路线
• 2.4 煤层3D地质模型建立的工作流程与基本应用
• 2.4.1 煤层3D建模流程
• 2.4.2 ODBC技术及其应用
• 2.4.3 煤层3D模型的地质应用
• 3 煤层动态建模的实用算法
• 3.1 地质剖面图的生成
• 3.1.1 地层和断层要素在地质剖面图上的数学表达
• 3.1.2 地质剖面图中断层的处理
• 3.1.3 地质剖面图中地层的扩展
• 3.2 煤层层面面TIN模型的构建
• 3.2.1 标准Delaunay三角网
• 3.2.2 带约束条件的Delaunay三角网
• 3.2.3 地质构造边界的移动恢复约束剖分
• 3.2.4 复杂约束条件下煤层层面TIN的约束剖分
• 3.2.5 基于煤层底板等高线的构TIN算法
• 3.3 曲线拟合与煤层空间插值技术
• 3.3.1 曲线拟合
• 3.3.2 煤层空间插值技术
• 4 煤层3D模型的可视化
• 4.1 三维图形开发标准与OpenGL
• 4.1.1 OpenGL的体系结构
• 4.1.2 OpenGL的图形处理流程
• 4.2 坐标系与坐标变换
• 4.3 几何变换
• 4.3.1 平移变换
• 4.3.2 旋转变换
• 4.3.3 缩放变换
• 4.4 煤层3D模型可视化实验系统
• 4.4.1 系统结构
• 4.4.2 程序框架及代码说明
• 4.4.3 煤层3D模型可视化效果
• 5 煤层3D动态建模技术的应用
• 5.1 煤矿地质测量空间信息网络管理系统
• 5.1.1 系统的总体设计目标
• 5.1.2 体系结构
• 5.1.3 系统的功能特点
• 5.2 煤矿地质建模基础数据的组织
• 5.2.1 数据库结构与E-R关系图
• 5.2.2 从MSGIS编制的煤层底板等高线图上获取数据
• 5.3 煤矿地质测量基础数据网络管理子系统
• 5.3.1 系统管理
• 5.3.2 模型数据的录入与编辑
• 5.3.3 模型数据的查询
• 5.3.4 模型基础数据的处理
• 5.4 煤层地质模型的建立
• 5.4.1 煤层正向建模过程
• 5.4.2 煤层逆向建模过程
• 5.5 地质模型的三维可视化应用
• 5.5.1 资料来源
• 5.5.2 应用成果
• 6 结论
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 攻读博士学位期间的科研和技术服务项目