特征约束的四面体生成方法与案例分析

 在虚拟地理环境(VGE)建模过程中,由于地学领域分析对象普遍具有边界复杂、空间特征约束较多(包括点、线、面、内洞)等特点,并且地学分析和计算对网格质量要求较高,故而难以构建能够准确顾及地学对象复杂的特征约束且满足地学分析的高质量三维网格。针对这一问题,本文提出了一种约束型Delaunay四面体网格离散算法,即首先将复杂地学对象及其各种特征约束表示为分段连续线性组合物(Piecewise Linear Complexes,PLC)中的一系列约束点、约束线段和约束面,然后利用PLC中的点集进行Delaunay四面体初始剖分,在网格离散过程中通过添加额外的节点,逐一恢复丢失的约束线段和约束面,利用限定网格单元最大半径边长比(或体积)来控制网格质量。利用该算法可以产生既满足各种特征约束条件又具有高质量的四面体网格。     

全六面体有限元网格数据结构及其API技术

针对全六面体有限元网格的特点 ,提出了其数据结构的基本要求。在此基础上 ,采用双向链表的数据结构 ,分析了网格要素总的逻辑关系和引用关系 ,形成了清晰的网格要素关系图。运用C ++,以DLL的形式 ,开发了一套相容的、一致的API系统。实例表明 :该网格数据结构及其API技术的研究与应用为实现实体全六面体有限元网格生成算法起到事半功倍的效果。     

全六面体有限元网格数据结构及其API技术

针对全六面体有限元网格的特点，提出了其数据结构的基本要求。在此基础上，采用双向链表的数据结构，分析了网格要素总的逻辑关系和引用关系，形成了清晰的网格要素关系图。运用C ，以DLL的形式，开发了一套相容的、一致的API系统。实例表明：该网格数据结构及其API技术的研究与应用为实现实体全六面体有限元网格生成算法起到事半功倍的效果。     

不同网格加密方法在河流回补地下水模拟中的对比

河流回补地下水是线状回补过程,河道附近地下水位高精度模拟是回补效果准确评估的关键。基于非结构化网格加密方法,设定4种不同的网格剖分方案(两种结构化网格和两种局部加密的非结构化网格),在不同边界条件下对河流回补地下水过程进行模拟。通过对末流场、距离河道不同范围回补前后水位变差、地下水均衡和模型运行效率的对比分析,阐明线状回补模拟中不同网格加密方法的优劣。结果表明:与粗结构网格模型相比,两种局部加密的非结构化网格模型以及细结构网格模型的模拟精度高,能更准确刻画因河道回补导致的地下水位变化;两种局部加密的非结构化网格模型比细结构网格模型运行时间短,在没有大幅降低模拟精度的条件下,运行效率更高;四叉树网格模型相对于嵌套网格模型具有长期模拟的优势,在河流回补期末,模拟精度要稍高于嵌套网格模型;同时,四叉树网格模型具有多级加密的优势,加密级次越多,剖分的网格数量相对越少,运行时间相对更短。综上所述,四叉树网格加密方法既保证了模拟精度,又一定程度上提高了模型运行效率,是值得推广的一种局部网格加密方法。     

一种面向栅格的空间-属性双重约束聚类方法

针对栅格数据,传统聚类方法大都基于专题属性进行聚类,分裂了栅格对象的空间特性与专题属性,而兼顾空间与专题属性的现有空间聚类方法又存在算法复杂、参数设置多等问题,因此本文提出了一种面向栅格的空间-属性双重约束聚类算法（A Raster-oriented Clustering Method with Space-Attribute Constraints, RoCMSAC）。RoCMSAC利用栅格数据空间邻域和空间连通特性,重新定义栅格簇的相似性度量准则,通过属性均质簇生成,空间相邻栅格簇合并和空间邻近栅格簇合并3个步骤对栅格数据进行空间-属性双重约束聚类。利用太平洋海域海表温度栅格数据对算法的可行性以及有效性进行验证,并与现有算法进行对比分析。通过实例验证与对比发现：① RoCMSAC方法能够保证栅格簇空间域的邻近性和属性域的均质性;② RoCMSAC方法可发现复杂形状的栅格簇,且算法时间复杂度低,需输入参数较少。     

基于HASM算法的DEM建模与应用试验

以曲面论为理论基础建立的高精度曲面模型(High Accuracy Surface Modelling,HASM)其插值精度较传统方法提高了多倍,为CAD和GIS系统提供了更有效的曲面模拟工具。但由于HASM需要对研究区域用相同的网格分辨率模拟,且对研究区域内每个网格点建立偏微分方程,因此,计算量和存储量问题严重制约其推广使用。适应法网格精化技术,可以根据模拟区域的地形复杂度或者精度要求调整网格分辨率,即在地形平坦区域用粗网格模拟,在复杂区域用细网格模拟。基于此理论,我们建立了适应算法的HASM。对甘肃省董志塬进行的DEM模拟表明,HASM适应算法能在保证模拟精度的同时,极大地减少了计算时间和降低存储量,从而有效解决了HASM推广使用的计算量和存储量瓶颈问题。     

基于数字高程模型的水系自动生成

为从数字高程模型(DEM)中自动提取区域水流特征,分析了DEM中地形的形态特征,并进行洼地填充和平地抬升的预处理,应用坡面流模拟方法进行了水流方向的确定及水流方向数字阵列的生成,最后根据水流方向阵列和河流栅格网络图生成需要的水系,其结果与手工数字化的水系基本一致,证明该方法是有效的。     

地学现象三维空间模拟-以点源烟气扩散为例

探讨地学现象三维空间模拟的方法。将地学现象所在的三维空间以规则六面体格网形式离散为一个个相互连接的格网单元,运用相应地学模型计算规则六面体各顶点的属性值,再用MC方法追踪形成等值面,以此来表示地学现象的三维空间状态。以点源烟气扩散中烟气的三维浓度模拟为例,验证了这一空间模拟方法的有效性和直观性。     

复杂地质体离散化三维网格模型建模方法探讨——以面向FLAC~(3D)软件的建模为例

在地学相关的数值模拟工作中,因地质体的复杂和数值模拟软件的功能制约,使建立地质体的离散化网格模型成为一个难点。文章介绍了综合应用AutoCAD和ANSYS软件建立复杂地质体网格模型的方法,该网格模型用于在FLAC~(3D)软件中进行数值模拟计算。通过建模对比实验和分析认为,多段线具有较好的数据交互能力,面域对不同的线型兼容性好,以造面域的方法闭合岩性单元报错少,基于多段线面域的网格模型能很好地满足复杂地质体的建模需求,基于样条曲线面域的网格模型适用于形态简单的地质体建模。建模软件的综合运用,可建立复杂地质体网格模型,为成矿及工程地质领域的数值模拟提供有力的支持。     

矢量数据属性信息无损栅格化的实现方法——以全国1:25万土地覆被数据为例

矢量和栅格是GIS应用中两种基本的地学数据格式。与矢量数据相比,栅格数据利于空间建模和空间分析,且是空间尺度分析应用中常用的数据格式。一般来讲,较大尺度的矢量数据,涉及到保密性和知识产权的问题,若将这类矢量数据栅格化后,所得栅格数据由于其空间坐标精度相对降低而更易于实现数据共享。随着地学信息收集技术的不断发展,栅格数据正逐渐成为地学应用主要的数据格式。然而,传统的栅格化是一个伴随有属性信息损失的过程,主要原因在于一个栅格单元区域内存在混合类型。针对现阶段栅格化过程中的这个问题,本文以2005年全国1:25万土地覆被矢量数据为例,提出了一种在ArcGIS软件环境下,依据"在一个单元格网中,一种土地覆被类型表达为一个GRID图层"的原则,结合POLYGRID命令及其{LOOKUP_TABLE} INFO文件进行土地覆被矢量数据无属性信息损失栅格化的方法。该方法可为相关研究人员在今后处理和分析地理空间数据的工作提供新的思路,以及为空间尺度的应用研究提供有价值的参考。     

面向GTP的三维地质模型空间剖切方法与应用

广义三棱柱（GTP）是近年来提出并被广泛应用于三维地质建模领域的一种较为成熟的空间数据模型,可满足大多数地质钻孔数据的三维地质建模的要求。然而,现有针对GTP模型的三维空间剖切分析方法,仍无法适用于偏斜钻孔数据所建三维地质模型高效多次任意剖切、不能支持较为复杂的地质模型空间分析的问题。本文通过对GTP剖切算法改进研究,提出了采用动态四面体剖分法减小数据冗余;鉴于GTP形态较为复杂,可对剖切后保留多面体进行拓扑关系的重组,解决任意多次剖切问题;将多次“面-体”形式的单剖切运算组合为一次“体-体”形式的复合剖切运算的方法,可高效实现对三维地质模型空间分析。本文着重面向GTP体元的多重任意切剖平面的剖切问题,在分析了GTP体元特征的基础上,弥补了三维地质建模领域中对GTP体元任意、多重剖切方法研究的不足。应用实例表明,上述改进算法可以提高GTP剖切计算速度,并能够快速实现巷道掘进模拟,以及空间开挖模拟等复杂的空间分析功能。     

博览群图提升地质制图的科学技术水平

地质图件是地质工作成果的主要载体之一,是地质工作服务于经济社会发展的主要工具,又是体现一个国家地质研究程度、地质科学技术水平和社会文明程度的主要标志之一,历来受到各国政府和国际地学组织的高度重视.随着社会经济的发展和科学技术的进步,以及地质工作服务领域的扩大,近年来地质制图工作,包括制图数量、种类和技术方法,都获得了突...     

地质调查信息网格GIS平台山东结点建设探讨

地质调查信息网格平台是基于网格GIS技术,空间数据库具有开放性、集成性,可以对地质调查信息化成果进行多样式、海量数据的组织集成与分布、网络共享服务。结点是平台系统中实现数据资源无缝集成与共享的中间件,是其核心部分。该文叙述地质调查信息网格平台山东结点建设中应用的技术方法。     

GIS-based numerical modelling of debris flow motion across three-dimensional terrain

The objective of this study is to incorporate a numerical model with GIS to simulate the movement, erosion and deposition of debris flow across the three dimensional complex terrain. In light of the importance of erosion and deposition processes during debris flow movement, no entrainment assumption is unreasonable. The numerical model considering these processes is used for simulating debris flow. Raster grid networks of a digital elevation model in GIS provide a uniform grid system to describe complex topography. As the raster grid can be used as the finite difference mesh, the numerical model is solved numerically using the Leap-frog finite difference method. Finally, the simulation results can be displayed by GIS easily and used to debris flow evaluation. To illustrate this approach, the proposed methodology is applied to the Yohutagawa debris flow that occurred on 20th October 2010, in Amami- Oshima area, Japan. The simulation results that reproduced the movement, erosion and deposition are in good agreement with the field investigation. The effectiveness of the dam in this real-case is also verified by this approach. Comparison with the results were simulated by other models, shows that the present coupled model is more rational and effective.     

济南华山省级地质公园地质遗迹分类及地学意义

济南华山地质公园是集地质剖面、地质构造、地貌景观、水体景观、环境地质景观等众多地质遗迹类型于一体的综合性地质公园,园区内地质遗迹尤以岩浆岩侵入接触剖面、构造形迹、奇石而闻名。区内地质遗迹可分为五大类、八类、九个亚类,具有较高的科普和游览价值。本文在前人研究的基础上,从岩石学、火山地质学、构造地质学、地貌学、采矿学等方面对区内地质遗迹的地学意义进行了论述。结果表明,地质公园内地质遗迹种类多,且具有较高的科研和地学研究价值,尤其是区内岩浆岩侵入剖面、构造形迹对于研究中国东部的中生代以来的地壳运行、岩浆活动具有重要的意义。     

动网格在非饱和饱和界面数值模拟中的应用研究进展

为了探讨结构和非结构动网格技术在地下水非饱和-饱和数值模拟领域未来的发展趋势, 总结了非饱和-饱和耦合数值模拟研究现状, 介绍了动网格技术原理及运动边界结构和非结构网格的变形方法, 综述了动网格技术在非饱和-饱和分界面的应用现状及存在的不足, 探讨了相关研究的未来发展趋势。综合分析表明: 结构动网格和非结构动网格均存在其固有优缺点, 结构、非结构混合网格以及多种动边界处理方法的结合使用在非饱和-饱和耦合数值模拟研究中具有重要的应用价值。在模拟潜水面的变动时, 可将多种网格变形方法结合使用, 当潜水面位置和形状变动较小时, 采用弹簧法更新网格; 当潜水面位置变化较大但形状变化较小时, 采用重叠结构动网格技术或铺层法更新网格; 当潜水面形状变动较大时, 则采用网格重构法更新网格, 从而更精确地模拟非饱和-饱和分界面的变化和移动。相关研究为场地非饱和带土壤与饱和带地下水协同防治工作提供了科学指导。      

面状地质要素智能综合算法与应用研究

地质图智能综合具有可重复、效率高等优点。面状地质要素是地质图中的主要要素,通过算法研究实现面状地质要素的智能综合,在地质图缩编过程中是十分必要的。本文根据地质图缩编技术的行业经验、计算机软件开发规范,以及年代—地质体关系、地质体接触关系和面状地质要素拓扑规则等面状地质要素综合的理论基础,设计智能综合算法的逻辑流程,并基于ArcEngine和C#开发环境,设计实现地质图综合过程中面状地质要素智能化综合算法。首先根据由新到老的顺序依次对面状地质要素边界点集进行抽稀,然后对抽稀后的边界点集进行边界圆滑,并对综合面状地质要素的结果进行自动拓扑检查,最后得到最终的综合结果。以郑州、洛阳及周边区域的4幅1:25万地质图缩编至1:50万地质图为例进行面状地质要素综合,缩编后地质图（1:50万）中面状地质要素综合效果经过地质专家评估并得到认可。综合结果符合地质要素的压盖关系和拓扑规则,同时可以高效、批量、准确地实现地质要素智能综合,综合效率大大提高,可节省80%以上的工作量。地质图缩编过程中面状地质要素智能综合算法具有实际应用价值,实现了理论与技术的生产转化,改善传统编图综合的工作模式,促进了缩编制图效率的提高,推动了行业技术的进步,可以投入到大规模的地质图缩编工作中。     

地质科学大数据背景下的矿体动态建模方法探讨

三维地学建模的理论与方法在大数据时代该如何发展,是当下这一领域研究人员非常关注的问题。从现代三维地学建模的重要方法——隐式建模的角度,对三维地学建模方法与地质大数据系统的有机集成、以及如何利用大数据技术提高地学建模的效率和质量等问题进行了探讨。初步提出了一套基于地质科学大数据的三维地学建模方法和流程,包括:地质大数据的搜集、主题大数据系统的搭建、地质特征要素的深度挖掘和三维地学模型的动态构建。同时,也指出了大数据背景下高质效三维地学建模的关键在于:研究实现充分顾及地质对象和地质科学大数据特点的地学人工智能、机器学习、数据挖掘及空间推断方法。通过一个典型矿体建模的应用实例对所提方法的可行性进行了验证。