地矿三维集成建模与空间分析方法及其应用

论文摘要

在城市地下空间工程、地质勘察与岩土工程、矿山勘探与开采工程中,常涉及自然实体（如地层、断层、矿体、围岩）、人工实体（露天坑、巷道、地铁）等多种类型的地（质）矿（山）三维实体。目前,国际上主要采用独立、静态的方式进行三维建模与可视化,模型之间并未建立几何与语义上的联系,难以满足露采坑集成设计、动态采掘分析、危岩体预警等地矿工程设计与分析应用问题。因此,地矿空间实体三维集成建模的理论方法以及基于实体模型的空间分析与应用技术（简称地矿三维集成建模与空间分析应用）已成为当前数字矿山、数字城市、数字岩土等地学领域的前沿课题,是三维地理信息技术、虚拟现实技术与城市、矿山及地质应用的交叉热点。本文面向地矿工程的应用需求,就地矿实体的耦合集成方法、动态更新技术、多尺度栅格转换与表达、拓扑空间关系分析等关键技术问题进行了研究探索与应用实验。主要研究内容和工作进展有：（1）基于空间认知理论,针对典型地矿空间环境,对空间实体进行了分类与特征分析；针对地矿空间数据的不同来源与获取方法进行了源数据特征分析与分类;在此基础上,介绍了城市与矿山空间建模不同类型的数据来源,针对勘探钻孔与地质剖面两类典型数据来源,分别介绍了其数据结构设计与预处理方法。（2）针对不同应用目标、不同数据来源的地矿空间建模进行了分类,指出设计与重建的区别,完善了地矿空间实体建模的概念与内涵,归纳总结了地矿空间设计实体与实测实体的建模方法分类体系；分析了地矿空间模型集成的现实意义与方法现状,提出采用布尔运算实现模型集成与更新的思想,从更普适的层面提出一套以三角形为基本构模单元、适用于多种3D矢量空间数据模型的体与体、面与面、面与体模型之间的布尔算法,并结合露天坑集成设计、基坑开挖模拟、矿体切割分析等应用进行了实例分析。（3）针对矿山资源量估算、岩土有限元分析中的地矿实体模型网格单元生成问题,提出一种基于三轴向扫描的栅格剖分算法（TAS）,解决了含孔洞复杂实体模型的矢栅转换问题；面向多核CPU与计算集群的新型硬件架构,在串行算法基础上,采用MPI并行技术设计了一种基于八叉树的实体模型多尺度并行剖分算法（P-TAS）,解决了实体模型表面与内部的高性能多尺度栅格剖分；针对地矿领域中的地下工程开挖模拟与动态掘进仿真需求,提出一种基于多尺度栅格的实体模型布尔算法。（4）针对地学空间实体的拓扑关系分析问题,基于数字拓扑理论和9-I拓扑分析框架,提出了三维栅格表达地矿空间实体的内部、边界和邻域的特征、定义与表达方法,将9交拓扑关系分析模型由矢量向栅格扩展、由2D向3D扩展,提出一种适用于三维栅格实体拓扑关系分析的K6N9-I模型,给出了12种典型、60种可能的细化拓扑关系映射矩阵及语义描述,并开发出拓扑关系计算分析实验系统,基于SQL数据库查询语言实现并验证了栅格实体拓扑关系的定量计算和定性分析。（5）基于本文提出的地矿空间实体模型集成与更新、三维矢栅转换与表达、拓扑空间分析等方法,采用面向对象分析与三维可视化软件设计技术,在地上下三维集成建模软件平台基础上,分别针对城市与矿山应用开发了两款空间集成建模与分析平台软件,介绍了软件的架构设计、用户界面与特色功能,结合实际数据给出了金属矿山、煤矿山、岩土工程的集成建模与分析应用案例,并详细介绍了巷道顶板危岩体的三维建模与稳定性分析、地下开挖工程的动态掘进模拟与仿真及岩土工程基坑设计与开挖土方计算三个应用典型。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景与目的意义
• 1.1.1 地矿空间三维集成建模的研究对象
• 1.1.2 地矿空间三维集成建模目的与意义
• 1.1.3 地矿空间三维建模的多层次目标
• 1.2 地矿三维集成建模研究现状与分析
• 1.2.1 地矿空间数据模型研究现状
• 1.2.2 地矿空间集成建模方法研究现状及存在问题
• 1.2.3 三维地学模拟与可视化分析软件现状与分析
• 1.3 研究内容与章节安排
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文章节安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 地矿空间实体认知与建模数据组织
• 2.1 地矿空间实体认知与分类
• 2.2 地矿空间数据来源与特点
• 2.3 城市地质建模源数据预处理方法
• 2.3.1 钻孔数据模型与预处理
• 2.3.2 地质剖面自动生成算法
• 2.4 矿山实体建模数据源及其结构
• 2.4.1 数据来源
• 2.4.2 钻孔数据组织与数据库设计
• 2.4.3 剖面数据组织与数据库设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 地矿空间实体三维矢量重建与模型集成
• 3.1 地矿空间实体三维建模与模型集成
• 3.1.1 地矿空间实体的三维设计与重建
• 3.1.2 地矿空间实体的模型集成与更新
• 3.2 地矿空间三维建模方法的分类体系
• 3.2.1 典型地矿设计实体的三维建模方法
• 3.2.2 典型地矿实测实体的三维重建方法
• 3.3 基于面、面布尔运算的地矿表面模型集成方法
• 3.3.1 表面模型布尔算法
• 3.3.2 实例分析：基于数字地面模型的矿山露天坑设计
• 3.4 基于体、体布尔运算的地矿三维实体模型集成方法
• 3.4.1 相交三角形的自分解算法
• 3.4.2 实例分析：基坑与地质体模型集成
• 3.5 基于面、体布尔运算的三维实体模型分割与重构方法
• 3.5.1 新矿体模型的侧面重建
• 3.5.2 矿体分割底面封口
• 3.6 本章小结
• 第4章 地矿实体多尺度栅格表达与高效转换
• 4.1 地学实体的三维栅格表达需求
• 4.2 地学实体的三维栅格剖分算法
• 4.2.1 栅格剖分的TAS算法
• 4.2.2 TAS算法的单机多核并行化
• 4.3 多尺度三维栅格的并行化构建
• 4.3.1 基于八叉树的多尺度栅格数据组织
• 4.3.2 计算集群环境下串行算法并行化
• 4.3.3 栅格剖分算法的效率测试与分析
• 4.3.4 块段剖分算法与主流地矿软件的对比分析
• 4.4 基于多尺度栅格的实体模型布尔算法
• 4.5 本章小结
• 第5章 地矿实体的拓扑空间关系计算与分析
• 5.1 拓扑空间关系分析研究现状
• 5.1.1 拓扑空间关系的概念与热点需求
• 5.1.2 拓扑关系的国内外研究现状
• 5.1.3 三维实体拓扑关系的研究思路
• 5.2 三维实体的空间联系和栅格邻域表达
• 5.2.1 三维地学实体的空间联系
• 5.2.2 栅格空间实体的邻域表达
• 5.3 三维栅格实体的拓扑关系分析框架与模型
• 5.3.1 K阶6邻9-I拓扑分析模型
• 5.3.2 三维栅格实体拓扑关系的定量计算与定性描述
• 5.4 三维实体拓扑关系计算分析与描述实验系统
• 5.4.1 基于空间场存储的三维地学实体数据结构
• 5.4.2 拓扑分析矩阵计算方法
• 5.4.3 拓扑关系分析实验系统
• 5.5 本章小结
• 第6章 地矿三维集成建模分析软件研发与应用
• 6.1 地矿空间集成建模与分析基础平台与应用软件研发
• 6.1.1 基础软件平台—Geos3D
• 6.1.2 岩土工程应用—3DUGGE
• 6.2 地矿空间集成建模与分析应用典型案例
• 6.2.1 矿山巷道顶板节理危岩体稳定性分析
• 6.2.2 地下开挖工程动态掘进模拟与仿真
• 6.2.3 岩土工程基坑设计与建筑物基底分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间科研成果
• 学习和科研经历