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青岛理工大学工程硕士学位论文
III
目 录
摘要………………………………… … …………………… …………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………………III
第 1 章 绪论……………………………………………………………………………1
1 . 1 研 究 背 景 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1
1 . 2 国 内 外 研 究 现 状 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
1.2.1 空间插值理论研究及应用现状……………………………………………2
1.2.2 MATLAB 空间分析研究及应用现状………………………………………3
1.2.3 三维地质建模研究及应用现状……………………………………………4
1 . 3 当 前 研 究 存 在 的 问 题 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6
1 . 4 本 文 研 究 内 容 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 7
1 . 5 论 文 组 织 结 构 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 7
第 2 章 基础数 据 库 与 三 维建 模 基本 原 理 ………… … …… … …… … …… … … 9
2 . 1 G I S 空 间 数 据 结 构 与 特 征 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 9
2.1.1 空间数据结构……………………………………………………………9
2.1.2 空间数据模型……………………………………………………………10
2 . 2 文 件地 理 数 据库 构 建… …… … … …… … …… … … …… … … … … … …1 2
2.2. 1 GIS 空间数据库概述 …………………………… ………… … ………12
2.2.2 基础地质数据的导入……………………………………………………15
2 . 3 三 维地 质 建 模基 本 原理 与 关 键技 术 … … … … … … …… …… … … … …2 0
2 . 4 本 章小 结 … …… … …… … … …… … … … … … …… … …………………21
第 3 章 空间地层插值计算分析与交叉验证……………………………………22
3. 1 . 地层建 模 数 据 预处 理 … … …… … … …… … …… … … …… … … … … … 22
3.1.1 钻孔数据的 获 取………………… ……………………………… ……22
3.1.2 空间地层划分……………………………………………………………24
3 . 2 空 间插 值 与 交叉 验 证… …… … … …… … …… … … …… … … … … … …27
3.2.1 插值方法介绍……………………………………………………………29
3.2.2 交叉验证以及精度对比…………………………………………………30
3.3 本 章小结……………………………………………………………………34
第 4 章 某矿区三维地质模型构建及应用………………………………………36
4.1 研 究区域概况 ………………………………………………………………36
4.1.1 自然地理条 件 …………………………………………………………36
青岛理工大学工程硕士学位论文
IV
4.1.2 地质条件……………………………………………………………………37
4.2 ArcGIS 平台介绍……………………………………………………………40
4.3 三维地质模型构建与优化……………………………………………………40
4.3.1 地质信息数字化…………………………………………………………41
4.3.2 模型边界面构建…………………………………………………………43
4.3.3 相交地层处理……………………………………………………………44
4.3.4 创建 TIN…………………………………………………………………45
4.3.5 三维地质模 型 构 建……………………………………… ……………48
4.3.6 三维地质剖 面 生 成……………… ……………………… ……………49
4.3.7 基于实测数据的模型优化………………………………………………50
4.4 本章小结………………………………………………………………………55
第 5 章 三维地质建模在 MATLAB 平台的拓展研究…………………………57
5.1 MATLAB 软件介绍及优点…………………………………………………57
5.2 MAT LAB 共享 建 模 基 础数据… ………… … … … … … …… … … … ……58
5.3 地层仿真拟合研究……………………………………………………………59
5.3.1 基于 DACE 建立克里金模型原理………………………………………59
5.3.2 地层优化与建模……………………………………………………………62
5.4 拟 合地层验证及应用……… ……………… …………… … ………………6 5
5.5 本 章小结…………………………………………………………… ………70
总结与展望…………………………………………………………………… ………71
参考文献………… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… … …… … 7 3
攻读 硕 士学 位 期间 发 表的 学 术论 文 及科 研 工作 ………… … … … … …… ……… 8 1
致谢………………………………………………………………………………82
青岛理工大学工程硕士学位论文
I
摘 要
伴随着“数字地球”和“智慧城市”等概念的提出,地下空间三维模型构建
与信息化系统的建设工作正在全面展开。传统的地下工程设计,往往受限于各种
不确定因素而选择保守设计,导致资源浪费严重。三维可视化技术的应用,在一
定程度上提高了地下空间的利用率,同时为地下工程的智能化、信息化施工管理,
提供了技术支持。本文充分考虑了地下空间不确定性、隐蔽性、复杂性的特点,
针对多源地质信息的耦合分析、三维可视化系统的设计与实现、数值模拟的拓展
应用等关键问题,借助建模理论与 ArcGIS、MATLAB 等软件平台,开展了系统
深入的研究分析,主要研究内容如下:
(1)基础数据库的构建与管理
本文结合三维地质建模的需求,总结分析了空间数据结构和数字化模型的分
类及特点,以及构建三维地质模型需考虑的关键性因素。依托获取到的海量钻孔
地质信息,通过抽取、筛选、编辑、处理等手段,将建模所需的信息存储到文件
地理数据库中,借助该数据库,能够对多源工程数据进行统一管理。
(2)钻孔数字化与空间插值法比选
依据钻孔信息,探究地层赋存规律,借助 ArcGIS 平台,导入基础数据库中
的钻孔数据信息,实现地质钻孔的数字化与可视化,确立地层层间分界线,使离
散、有限的钻孔数据建立联系,为空间插值计算分析做准备。空间插值法的基本
原理是根据已知数据拟合其他区域的未知数据,本文通过地层插值计算和交叉验
证,分析普通克里金法、反距离权重法、张力样条函数法在不同地层的适用性。
通过分层抽样法分批次抽取验证点并计算其对应的拟合值,利用实测值和拟合值
计算平均相对误差、标准误差、RSQ 指标、SLOPE 指标,分别得出不同地层的
最优插值方法。
(3)基于 GIS 的三维地质模型构建及应用
本文在构建三维地质模型时,遵循钻孔地层地质体的建模顺序。首先,
结合地质数据库,对已获取的数据在 ArcGIS 平台下进行地质信息数字化、矢量
化;其次,通过建立三维边界面和处理相交地层,约束栅格数据的生成范围,并
使地层模型符合“先沉积地层在下,后沉积地层在上”的基本原理;此外,探讨
两种创建 TIN 的方法,构建不同的数字化地层,通过三维地层模型在基准面的
青岛理工大学工程硕士学位论文
II
拉伸,生成完整的三维地质体。在此基础上,对三维模型任意切割,创建地质剖
面与钻孔的耦合模型,并与原始地质剖面图对比验证,存在偏差区域通过添加控
制点的约束方式进行重构,进一步提升三维模型的精确性。
(4)三维地质建模在 MATLAB 平台的拓展研究与应用
本文在 MATLAB 软件环境的支持下,探索了一种该平台下三维地质建模的
新方法,通过编写代码,借助钻孔地质数据,实现了地层的拟合仿真,并通过不
断缩小拟合误差,对地层数据进行优化和评价。基于 MATLAB 平台,深入研究
测试验证点的拟合数据,能够更加便捷地完成拟合值和实测值的验证分析和精度
对比,并进一步验证前期的研究成果。相较于 GIS 平台,在 MATLAB 平台根据
数值计算与误差优化的建模思路,能够进行三维地质模型的拓展研究与分析,实
现空间计算分析。
关键词 地下空间;GIS;三维地质建模;MATLAB;可视化
青岛理工大学工程硕士学位论文
III
Abstract
With the creation of concepts like ―digital earth‖ and ―smart city‖, etc, the
construction of underground-space 3D models and information system is being
carried out in an all-around way. Limited by various uncertain factors, traditional
engineering design is generally conservative, making a lot of resources wasted. The
application of 3D visualization technology can considerably enhance the utilization of
underground space and provide technical support for the intelligentization of
underground engineering and information-based construction management. In this
paper, with a full consideration of the uncertainty, concealment and complexity of
underground space, by using modeling theories and soft-wares like ArcGIS,
MATLAB, etc, the author systematically studies some key issues, namely: coupling
analysis of multi-source geological information, design and implementation of 3D
visualization system, expanded application of numerical simulation, etc. The main
research content and conclusions are as follows:
(1) Construction and Management of Basic Database
In accordance with the requirements of 3D geological modeling, the author
analyzes the classification and characteristics of spatial data structure and digital
models as well as key factors for the construction of 3D geological models. Based on
massive drilling information available, through extraction, screening, editing and
processing, the information needed for modeling is stored in the file ―Geographical
Database‖, which can realize centralized management for multi-source engineering
data.
(2) Digitization of Drilling and Selection of Spatial Interpolation Method
The strata occurrence regulation can be studied on the basis of drilling
information. Using ArcGIS platform, drilling information in the basic database can be
imported, and the digitization and visualization of geological drilling can be realized.
Meanwhile, inter-laminar boundaries in the strata can be determined, certain
relationship can be found among discrete and limited drilling data, and all these work
can make preparations for the computational analysis of spatial interpolation. The
basic principle of spatial interpolation is to fit unknown data in other areas in
accordance with existing known data. Through strata interpolation computation and
cross validation, the applicability of Kriging method, inverse distance weighting
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