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基于四面体格网的地质体建模方法研究

基于四面体格网的地质体建模方法研究

作者：胡长涛兰州交通大学

学位级别：硕士

自然界的地质特征现象在空间上存在明显的复杂性与不确定性。传统的二维地质图无法全面展示地质对象的地下形态特征,而三维地质模型能快速展现地层的立体关系和几何形态,可为工程建设和资源开发提高决策水平和质量。地质体三维建模已逐... 详细信息

自然界的地质特征现象在空间上存在明显的复杂性与不确定性。传统的二维地质图无法全面展示地质对象的地下形态特征,而三维地质模型能快速展现地层的立体关系和几何形态,可为工程建设和资源开发提高决策水平和质量。地质体三维建模已逐渐成为地学领域的主要研究内容,但如何利用现有的地质资料精准构建可直接指导实际生产的高质量三维地质模型,仍然是地学工程界的研究难点。为准确模拟地下复杂地质块体实体形态,本文充分考虑地下空间对象边界的复杂性,基于钻孔数据利用三角网约束构建封闭地层块体表面模型,并对其进行约束Delaunay剖分,生成了三维可视化效果良好且以四面体为基本体元的地质体模型。本文的具体研究内容如下:(1)为高效完成连续层状无缝地质体模型构建,利用逐点插入Delaunay三角剖分算法构建地层空间曲面,结合边界轮廓线三角网拟合侧面,通过多地层组合完成空间封闭地质体模型构建。本方法可快速生成拓扑关系良好的连续层状地质体三角网空间约束模型,可对其进行剖分生成四面体格网地质体模型。(2)针对非连续层状地质体中存在的地层不连续现象,提出一种基于钻孔数据平面点集建立Voronoi图来确定属性地层分布范围,再利用三角网构建封闭地层,最后分层分块构建地质体模型的建模方法。本方法可较好地模拟地质体内的尖灭及透镜体现象,且构建模型可视化效果较好。由于模型不同地层边界面处几何连续、拓扑相容,因此可对其进行四面体剖分,并实现非连续层状地质体的三维实体表达。(3)考虑到层状地质体模型内部四面体形状质量较差的情况,本文利用半径边长比和最小二面角等特征约束对四面体地质体模型优化重构,并对重构后的模型进行质量分析,最后使用VTK组件库实现模型三维可视化。通过限定特征约束参数可保留地质体模型部分区域的尖锐特征,同时提高模型内四面体质量,从而生成四面体质量较高的三维地质体模型。

关键词：地质体建模四面体格网约束Delaunay四面体剖分泰森多边形

三维地质体建模可视计算及并行化的研究与应用

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三维地质体建模可视计算及并行化的研究与应用

作者：洪振刚成都理工大学

学位级别：硕士

可视计算可概括为以计算机图形形式展现数据的计算过程,涉及到计算机图形学、计算机视觉、人工智能、程序设计以及软件工程等学科。可视计算可以帮助人们从海量数据中解放出来,并发现隐藏在数据背后的规律和本质,以便更好地认识和利用... 详细信息

可视计算可概括为以计算机图形形式展现数据的计算过程,涉及到计算机图形学、计算机视觉、人工智能、程序设计以及软件工程等学科。可视计算可以帮助人们从海量数据中解放出来,并发现隐藏在数据背后的规律和本质,以便更好地认识和利用这些数据。随着城市建设与野外工程的不断发展,地质勘探相关部门已经积累了大量的地质资料信息,采用合适的数据结构产生具有地质特征的数字模型,并运用科学可视化技术对地质体进行三维再现和交互操作,可以帮助地质专业人员对勘探数据做出正确解释和分析,从而提高地质分析的准确率和可靠性。地质体模型的绘制一般采用面绘制技术和体绘制技术。面绘制技术可以产生比较清晰的等值面图像,适用于绘制表面特征明显的地层。但是该技术不能反映整个数据场内部细节。体绘制技术可以很好地弥补这个不足,能产生三维数据场的整体图像。但它涉及的数据量较多且计算量较大,因而绘制时间较长,随着并行处理体系结构的完善与并行处理算法的成熟,再加上图像处理具有内在的并行性,并行处理技术成为提高体绘制速度的主要研究方向。本文首先研究了三维地质体的建模体系与建模方法,从地质应用的需求出发,以地质勘探数据为研究对象,研究地层数据的组织、空间建模与数学表达,在综合分析和比较目前比较流行的建模方法(面模型、体模型和面体结合模型)的基础上,提出了一种适合工程地质的地层数据模型。该模型基于面向对象的设计思想,并综合利用了不规则三角网(TIN)和广义三棱柱(GTP)模型。在研究和总结体绘制的发展历程与关键技术基础之上,本文着重研究了体绘制中的光线投射算法,结合多核处理器机群系统,提出并实现了一种基于多层次并行编程模型的并行光线投射体绘制算法,并成功地将该算法应用于三维城市浅层地质模型,取得了良好的可视化效果。本文在研究过程中,分别对MPI环境和多层次并行编程MPI+OpenMP环境下的光线投射算法进行了不同计算规模的性能比较实验。实验和分析表明,多层次并行光线投射体绘制算法加快了体绘制的速度,同时结果还表明MPI+OpenMP多层次并行编程模型性能高于纯MPI编程模型的性能。此外,本文对VTK并行机制进行了详细的研究,采用实际数据对任务并行模型进程验证并取得了良好的加速效果。基于地质体建模算法与可视化算法,本文设计并实现了一套三维地质体可视化系统(Geological Visualization System),包括数据预处理、数据建模、三维地质体显示等功能。该系统是在开源平台QT与开源可视化工具包VTK的基础上,采用面向对象的设计思路,借助Visual Studio 2005开发环境设计和实现。系统提供了三维显示和常用的用户交互操作,包括模型图像旋转、缩放、剖切、动态演化和等值面提取等。本文应用该系统对理论模型数据、实际钻孔数据和实际地震勘探数据三套资料进行了处理和分析,并取得了良好应用的效果。

关键词：可视计算地质体建模体绘制并行算法 VTK

基于Kriging插值算法的地质体BIM建模技术

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人民长江 2021年第S02期52卷 99-104页

作者：曾鹏秦扬陈洪黄解放张天龙成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 成都理工大学环境与土木工程学院四川成都610059 中交一公局集团有限公司北京100024

随着BIM技术在建筑学、结构工程中的应用越来越多,它发挥的作用也越来越大,但该技术目前在岩土工程领域中的应用还处于探索阶段。提出了利用Autodesk Revit建模软件中自带的可视化编程插件Dynamo,结合Kriging插值算法的优势,采用"由点成... 详细信息

随着BIM技术在建筑学、结构工程中的应用越来越多,它发挥的作用也越来越大,但该技术目前在岩土工程领域中的应用还处于探索阶段。提出了利用Autodesk Revit建模软件中自带的可视化编程插件Dynamo,结合Kriging插值算法的优势,采用"由点成面,由面成体"的三维地质模型构建思路,通过收集的地形和地勘钻探资料,利用留一法检验模型精度,进行合理的空间插值和三维地质模型的构建。结果表明:经Kriging插值算法处理过的地质层曲面较为光滑,提高了模型的精确度和可靠度,完成的地质模型可通过Autodesk Revit内置图形引擎进行三维可视化展示,实现BIM属性信息加载、BIM应用扩展。研究成果对于岩土工程勘察单位进一步提高信息化水平具有一定的应用价值。

关键词：岩土工程 BIM Kriging插值算法 Revit 地质体建模

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基于知识图谱的地质体三维建模技术

基于知识图谱的地质体三维建模技术

作者：郭翔宇电子科技大学

学位级别：硕士

通过地质体三维建模可以清晰地展现出地球表面的地形、地貌、地层岩性以及地质构造等元素之间的空间分布和关联。其中尤其是构造地质模型,它是了解地下空间、探测油气资源以及进行开采的重要模型。不过,现有的建模方法仅从计算机图形学... 详细信息

通过地质体三维建模可以清晰地展现出地球表面的地形、地貌、地层岩性以及地质构造等元素之间的空间分布和关联。其中尤其是构造地质模型,它是了解地下空间、探测油气资源以及进行开采的重要模型。不过,现有的建模方法仅从计算机图形学的角度考虑,没有对复杂且异构的地震解释数据中的信息进行充分提取,导致重建的模型存在构造不合理的问题。因此,目前需要一套新的可以有效获取地震解释数据中的信息、并充分表征构造地质学知识的建模方法和流程,来解决这个难题。针对之前提到的现有构造建模存在的问题,本文研究了通过构建知识图谱来表征地质模型中的构造知识,以此实现基于知识的建模,而非传统方法的仅仅基于数据的建模。通过参照传统领域知识图谱的构建,以及结合了地震解释数据和构造地质学领域的相关知识,本文提出了以丘滩体为例的面向地质体及构造地质学领域的知识图谱构建方法,以及提出了知识驱动的知识图谱约束-插值技术用于地质体三维建模,取得了如下研究成果:首先,本文采用了一种基于面实体的鱼尾式表征模型,结合基于剖面的层位线解释数据特征,以自下而上的方式构建知识图谱,解决了从空间上对模型的构造语义进行表达的问题。知识图谱和鱼尾式表征模型具有拓扑一致性,使用三元组作为数据结构,通过拓扑关系将节点连接起来,以此表征实体之间的拓扑关系。本文成功地构建了一个初始的数据层知识图谱,并从中提取出了本体和模式层的信息。其次,本文研究了一种基于深度学习的以丘滩体为例的面向地质体及构造地质学领域的知识抽取方法,以自上向下的方式构建知识图谱。考虑到目前在以丘滩体为例的地质体及构造地质学领域存在语料库不完善、处理多源异构数据能力差和知识共享困难等问题,本文首先构建了基于规则的数据集;考虑到当下在该领域实体识别存在文本量大、文本语句过长等问题,本文在传统BERT的基础上引入了Bi LSTM和CRF两种结构。通过实验对比,本文的方法在Precision、Recall和F1 score评价指标上均优于对比模型,验证了模型的有效性;考虑到在该领域关系抽取存在文本中各实体的重要性不同以及实体与关系之间存在距离过远等问题,本文在Bi LSTM的基础上引入了self Att结构。通过实验对比,本文的方法在Marco-P、Marco-R和Marco-F1值评价指标上明显胜于对比模型,取得了非常好的结果,由此实现了对以丘滩体为例的地质体及构造地质学领域的知识抽取,得到了该领域的模式层知识图谱。最后,本文提出了知识图谱约束-插值技术。本文利用知识融合、知识推理等手段将构建得到的自下而上的知识图谱与自上向下的知识图谱进行了模式层的完善,并基于完善后的模式层对数据层进行了更新,从而得到了一个完备的以丘滩体为例的地质体及构造地质学领域知识图谱。本文基于构建好的完备的以丘滩体为例的地质体及构造地质学领域知识图谱,结合实际工区数据,通过知识图谱获得节点约束等关系,在此基础上进行克里金插值获得构造体细节信息,最后成功地在知识图谱的引导和约束下构建了一个平滑、合理且符合地质规律的模型。

关键词：知识图谱 BERT 地质体建模

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面向服务的网络数字矿山系统

东北大学学报(自然科学版) 2010年第5期31卷 725-727+732页

作者：王彦彬吴立新东北大学资源与土木工程学院北京师范大学民政部/教育部减灾与应急管理研究院

数字矿山是一个复杂的系统工程,为了解决数字矿山建设中数据共享与互操作的问题,消除信息孤岛的存在,提出了用面向服务的体系结构构建网络数字矿山系统.并分析了面向服务的系统结构以及系统的主要实现方法网络服务,最后结合矿山地质体... 详细信息

数字矿山是一个复杂的系统工程,为了解决数字矿山建设中数据共享与互操作的问题,消除信息孤岛的存在,提出了用面向服务的体系结构构建网络数字矿山系统.并分析了面向服务的系统结构以及系统的主要实现方法网络服务,最后结合矿山地质体模型的建立与可视化以及属性查询进行了实践.结果表明,采用面向服务的体系结构构建网络数字矿山系统能有效地整合矿山中各个子系统,消除部门之间的信息屏障,使系统具有良好的可扩展性和可维护性.

关键词：数字矿山 SOA 网络服务信息孤岛地质体建模

基于Micromine-FLAC^(3D)耦合技术的金属矿采矿扰动影响分析

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采矿与安全工程学报 2012年第6期29卷 870-875页

作者：房智恒王李管熊张友中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 中冶长天国际工程有限责任公司矿山分院湖南长沙410007

为了较为合理、定量地分析地下金属矿山采矿扰动影响范围及采矿扰动对地面构筑物的影响程度,结合花岭沟铁矿工程实例,提出了运用Micromine创建地质体真三维模型,采用六面体离散技术对地质体模型进行网格划分,通过耦合技术采用C语言编制... 详细信息

为了较为合理、定量地分析地下金属矿山采矿扰动影响范围及采矿扰动对地面构筑物的影响程度,结合花岭沟铁矿工程实例,提出了运用Micromine创建地质体真三维模型,采用六面体离散技术对地质体模型进行网格划分,通过耦合技术采用C语言编制转换程序,在FLAC3D中实现了地质体数值模型的重建,在此基础上分析了地下采矿扰动影响范围及对地表尾矿坝安全稳定性影响。研究结果表明:1)采用耦合技术能够创建出较为复杂的地质体三维力学计算模型;2)采用数值计算方法能够较为准确地圈定采矿影响范围;3)采用此项技术能够从定量的角度分析地下采矿扰动对地表构筑物的安全性影响。

关键词：地质体建模六面体离散采矿扰动耦合技术数值模拟地表构筑物安全稳定

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地质大数据可视化关键技术探讨

地质科技通报 2020年第4期39卷 29-36页

作者：田宜平吴冲龙翁正平刘刚张志庭陈麒玉中国地质大学(武汉)计算机学院武汉430078 中国地质大学(武汉)智能地学信息处理湖北省重点实验室武汉430078 中国地质大学(武汉)智慧地质资源环境技术湖北省工程研究中心武汉430078 自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心贵阳550081

详述了地质大数据可视化的研究内容,从应用角度可将其分为:表达三维可视化、分析三维可视化、过程三维可视化、设计三维可视化和决策三维可视化5类。针对地质大数据这5类可视化中涉及到的几方面关键技术进行了深入探讨,包括:地质体三维... 详细信息

详述了地质大数据可视化的研究内容,从应用角度可将其分为:表达三维可视化、分析三维可视化、过程三维可视化、设计三维可视化和决策三维可视化5类。针对地质大数据这5类可视化中涉及到的几方面关键技术进行了深入探讨,包括:地质体三维可视化动态精细建模技术;基于CUDA+GPU集群的地质体属性场数据并行可视化技术;针对地质大数据的可视化分析技术;基于地质大数据的虚拟现实和增强现实技术等。对这几方面关键技术的现状、技术路线以及实现效果进行了论述和展示。

关键词：地质大数据可视化 CUDA GPU 地质体建模虚拟现实增强现实

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平行轮廓线自适应插值的三维表面重构算法

测绘科学 2016年第5期41卷 121-126页

作者：孟耀伟孙毅中南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京210046 许昌学院信息工程学院河南许昌461000

针对稀疏点轮廓线在三维表面重构中存在的不够光滑、匹配易出错和难以交互等问题,提出了基于轮廓线插值的三维表面重构方法,并通过实验进行验证。文章分析了三维表面重构的形式化表达方法和准则,提出了基于虚跨距解决稀疏点轮廓线三维... 详细信息

针对稀疏点轮廓线在三维表面重构中存在的不够光滑、匹配易出错和难以交互等问题,提出了基于轮廓线插值的三维表面重构方法,并通过实验进行验证。文章分析了三维表面重构的形式化表达方法和准则,提出了基于虚跨距解决稀疏点轮廓线三维重构的基本思想;基于同步前进算法和虚跨距,设计了自适应等比例插值的同步前进三角面镶嵌算法;针对轮廓线插值违背三角表面重构拓扑准则的规律进行了分析,提出了相应的修正算法,保证了三角网的拓扑一致性。试验结果表明:本算法所构建的三角网表面更为光滑,各个三角面的大小更为均匀,具有更好的鲁棒性和交互性,对稀疏和稠密坐标点的轮廓线均能构建出更为理想的三维表面模型。

关键词：三维表面重建轮廓线插值地质体建模

基于多层DEM与QTPV的混合数据模型及其在地质建模中的应用

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吉林大学学报（地球科学版） 2005年第6期35卷 806-811页

作者：程朋根王承瑞甘卫军肖根如东华理工学院测量系江西抚州344000 江西省煤田地质局江西南昌330000 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室地壳形变研究中心北京100029

提出一种基于多层DEM与似三棱柱体元(QTPV)的混合三维数据模型。模型包含顶点、线段(棱边、三角形边)、三角形、侧面四边形、似三棱柱体元和DEM 6个基本元素,同时包含点对象、线对象、面对象、体对象、复杂对象、空间对象等6个对象。设... 详细信息

提出一种基于多层DEM与似三棱柱体元(QTPV)的混合三维数据模型。模型包含顶点、线段(棱边、三角形边)、三角形、侧面四边形、似三棱柱体元和DEM 6个基本元素,同时包含点对象、线对象、面对象、体对象、复杂对象、空间对象等6个对象。设计了6个基本元素和2种地质对象的数据结构和它们之间的拓扑关系。研究了基于原始采样点和基于内插点的两种建模方法。以模拟数据和地质钻探数据对开发的原型系统进行验证。研究表明,基于多层DEM与似三棱柱体元的混合三维数据模型具有同时表达空间对象的表面和内部结构的能力,适合地质勘探领域的三维建模。

关键词：多层DEM 似三棱柱体混合数据模型地质体建模