基于语义尺度的矿山多模型构建与不确定性研究

发布时间：2017-08-21 12:13

  本文关键词：基于语义尺度的矿山多模型构建与不确定性研究

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【摘要】：“数字矿山”是对真实矿山及其相关现象的统一认识与数字化再现,是以数字化手段对矿山实体、矿山开发与管理过程进行真实反映的“虚拟矿山”。数字矿山以计算机和网络技术为基础,将矿山空间数据进行采集、传输、存储、解释、加工和重新表述,使其应用在矿山生产和管理过程中,达到生产方案优选化、管理高效化和目标决策科学化的最终目的。矿山三维建模与可视化技术是实现数字矿山建设的核心技术,是根据特定数据结构,建立能够表达矿床地质结构特征的数学模型,是运用计算机三维可视化进行显示并对模型属性信息进行分析研究的过程。矿山三维模型为矿山企业在勘探设计、施工计划、目标决策等方面提供了有效的地质依据和实用参考,矿山三维模型的建立是矿山数字化进程的重要步骤。矿山开采过程中,矿山企业在预测、评价、设计等各方面对三维模型有着不同层次的需求：在资源评价阶段,需要预测矿山在开采和运输过程中可采储量的特征变化情况；在采矿设计阶段,需要根据矿石品位的波动性来编制采矿计划与配矿方案；在生产勘探回采阶段,需要对矿石三级储量中的备采储量进行精确估算。针对这些不同目的,要求所建立的矿山地质三维模型能实现对矿体全局性、波动性、精确性的真实反映,对于矿山空间实体的这种多粒度特性,传统矿山三维模型的建模方法和单粒度显示方式显然具有一定的局限性。因此,根据地质过程认知的多尺度特点,结合矿山地质三维模型构建过程中所采用的不同插值计算方法,建立具备不同层次和特性的矿山多模型序列,将多层面的满足矿山企业对矿山地质三维模型的应用需求,并能有效的提高矿山企业的设计能力和生产效率。同时,在矿山三维模型的构建过程中,受三维地质体自身的不稳定性、地质结构的复杂性、建模数据的稀疏性、矿山建模人员认识的主观性等多方面影响,矿山三维模型只能是对客观地质实体的一种近似描述,模型中存在不确定性往往使其在空间精度、形态、拓扑关系等方面与客观实体存在着偏差。因此,对矿山三维模型的不确定性来源进行归纳总结,对建模过程中的误差传递机制进行有效分析,通过对三维模型不确定性的形式化表达和定量分析过程,实现对矿山三维模型的质量评价,将极大提高模型的实用价值。作者在论文中对矿山地质空间数据模型、三维建模方法、地质统计学与空间信息预测的基础理论及关键技术进行了研究,归纳了矿山三维地质模拟的基本原理和实施过程,深化了对矿山三维空间地质实体及其建模方法的认识。结合地学认知与矿山地质过程,从语义尺度的角度提出了矿山三维多模型的建模原理与方法。对于已建立的矿山三维模型,论文以矿山三维建模过程中的不确定性的来源分析与误差传递过程为出发点,提出了矿山三维建模不确定性传递模型,将信息熵理论和分析方法扩展应用至矿山三维模型的不确定性研究中,实现了矿山三维模型不确定性的定量分析及模型修正过程。论文围绕矿山三维模型多层次应用需求以及模型的不确定性分析两个研究重点,在矿山企业应用三维模型进行生产设计、决策支持、储量评估等方面提出了新的思路,通过对实验矿区进行的建模实例与不确定性定量分析实验证明,论文提出的理论和方法具备合理、高效、实用的特点。在整个研究过程中,本论文的工作内容主要包括以下几个方面：1.论文第一章：就目前我国矿山企业应用三维模型在设计、生产、决策等方面所面临的问题作了简要分析,结合矿山企业对三维模型多层次应用和质量评价的需求,确定了本文矿山多模型构建和不确定性分析的研究方向。论文从矿山三维建模的应用研究和三维模型的不确定性分析两个方面回顾了这些领域在国内外的研究现状,在此基础上确定了论文的主要研究目标、研究内容及论文的组织结构：2.论文第二章：论述了地质三维空间数据模型基本概念及基本理论,对空间数据模型的定义和特点进行了详尽描述,对面元模型、体元模型、混合模型和集成模型的组成、特点及应用领域加以详细对比,阐述了地质统计学理论与空间信息预测方法在矿山三维建模过程中的作用。归纳分析了不确定性的相关概念及术语,对空间GIS不确定性研究理论和方法进行总结概述。通过对矿山三维体系结构和空间实体不确定性理论的阐述,为本文的矿山多模型构建及其不确定性分析研究提供了理论参考和借鉴；3.论文第三章：阐述了地学认知与矿山地质过程的特点,对矿山地质数据的多尺度特征及其语义内涵进行了详细论述,在矿山三维建模理论和地质统计学的基础上,根据矿山模型多层次性特点,提出了矿山建模语义三维尺度结构的概念。依据语义三维尺度结构,根据地质过程的不同语义层次和矿山模型的不同应用范围,利用克里格估值和随机模拟算法,提出了基于语义尺度的矿山多模型序列构建原理和方法,使建立的三维模型能够在矿体全局性、波动性、精确性等方面满足矿山企业不同阶段的多应用需求。同时,在建立多模型的过程中,采用置信度参数对模拟计算进行约束,实现了模拟算法语义粒度的量化表达；4.论文第四章：对矿山三维建模过程中的不确定性来源、不确定性传递模型及其算法实现进行了详细的分析描述,在对矿山三维地质建模流程和特点进行分析的基础上,将矿山三维地质模型不确定性的来源划分为数据采集和测量误差导致的不确定性、数据的不完整性和不一致性、随机不确定性、认知不完整引起的不确定性、建模软件引起的不确定性等五类。以人工智能不确定性推理理论为依据,采用可信度方法对矿山三维模型的不确定性传递模型进行描述,通过对可信度C-F模型的改进,提出了基于证据不确定性推理的矿山建模不确定性传递算法,对传递模型的相关算法进行了详细描述；5.论文第五章：对信息熵的定义及性质进行论述与分析,将信息熵方法引入矿山三维模型不确定性研究过程,建立了一种有效的矿山三维模型不确定性定量分析途径：利用栅格划分方式,将三维模型离散化为等同大小的栅格块体,针对每一个体素进行多次模拟计算以确定其概率指标,利用模拟计算得到的概率场计算该体素的信息熵,从而利用信息熵值来标识每个体素的不确定性,最终完成对整个三维模型的不确定性定量分析、评价及可视化工作。以矿山三维品位模型为例,提出了矿山三维模型的不确定性定量分析、模型误差检测与修正的技术框架和实现步骤,对其中的关键算法做出相应描述；6.论文第六章：利用某矿区在矿山开采不同阶段的地质资料与数据,以铜矿体三维品位模型为例,构建了不同语义尺度下的矿山多模型序列,通过频率直方图、变差函数图及取样插值点数据精度的比较,验证了依据不同语义尺度建立的矿山三维模型具备全局性、空间相关性和精确性等多层次特性。基于信息熵方法对试验矿区的资源储量模型进行不确定性定量分析,以定量分析结果为依据,确定补充钻孔的范围和位置,实现矿山三维模型的修正过程。通过试验前后对比,取得了模型不确定性减少、储量估算数据精度逐渐增加的效果,验证了论文提出的三维模型不确定性定量分析方法的有效性与可行性;7.论文第七章：对论文研究工作进行全面总结,提出了下一步研究和探索方向。概括起来,本论文的主要成果和创新点如下：1.在对地理信息空间尺度结构研究的基础上,结合矿山三维建模理论和方法,提出了矿山建模语义三维尺度结构概念,以模拟和估值为空间信息预测算法基础,构建了基于语义尺度的矿山多模型序列,实现了矿山三维模型的多粒度表达；2.提出了置信度约束下的模拟插值计算过程,实现了算法语义粒度的量化表达。针对传统的矿山三维模型建模方法,在基于语义尺度的矿山多模型建模原理基础上,对矿山三维结构模型和属性模型的建模流程进行了改进；3.对矿山三维建模过程中的不确定因素进行了归纳总结,在人工智能不确定性推理理论基础上,基于可信度方法,建立了矿山三维建模不确定性传递模型,给出了矿山建模不确定性推理网络结构及不确定性传递步骤,针对矿山三维建模的特性,对可信度方法的C-F模型规则进行了完善并对相关算法进行了描述；4.将信息熵的理论与分析方法应用于矿山三维模型不确定性研究过程,实现了以信息熵为测度方法的矿山三维模型不确定性定量分析技术框架和实现步骤,实现了矿床品位模型的不确定性定量分析过程。
【关键词】：矿山多模型构建 语义尺度 不确定性传递 不确定性定量分析
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD163;TD67
【目录】：

• 作者简历7-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-19
• 第一章 绪论19-29
• 1.1 论文的选题19-20
• 1.1.1 研究背景19-20
• 1.1.2 选题依据20
• 1.2 国内外矿山三维建模及不确定性分析研究现状20-26
• 1.2.1 矿山三维建模技术研究现状21-22
• 1.2.2 三维模型不确定性研究及发展趋势22-24
• 1.2.3 三维地质模拟软件的发展状况24-26
• 1.2.4 基于语义尺度矿山三维地质建模存在的问题与分析26
• 1.3 论文研究内容与组织26-29
• 1.3.1 研究目标和内容26-27
• 1.3.2 章节组织及安排27-29
• 第二章 矿山三维建模理论与空间GIS不确定性研究方法29-47
• 2.1 面向矿山建模的三维空间数据模型29-37
• 2.1.1 矿山三维建模空间数据模型29-30
• 2.1.2 基于面的数据模型30-33
• 2.1.3 基于体元的数据模型33-34
• 2.1.4 混合数据模型34-35
• 2.1.5 矿山三维数据模型对比与分析35-37
• 2.2 地质统计学理论与空间信息预测方法37-43
• 2.2.1 区域化变量37
• 2.2.2 变差函数及其理论模型37-39
• 2.2.3 克里格估值原理与方法39-42
• 2.2.4 随机模拟原理与方法42-43
• 2.2.5 矿山三维建模与空间信息预测43
• 2.3 GIS不确定性研究43-46
• 2.3.1 GIS不确定性研究内容44
• 2.3.2 GIS不确定性研究方法44-46
• 2.4 小结46-47
• 第三章 基于语义尺度的矿山多模型构建47-61
• 3.1 矿山地质过程与矿山三维建模47-50
• 3.1.1 地学认知与三维地质建模47-48
• 3.1.2 矿山地质过程48-50
• 3.2 基于语义尺度的矿山多模型构建原理50-53
• 3.2.1 地理信息数据多尺度特征50-51
• 3.2.2 矿山建模三维语义尺度结构51-52
• 3.2.3 语义三维尺度内在关联及矿山多模型序列建立52-53
• 3.3 矿山多模型语义尺度设定的相关算法53-56
• 3.3.1 克里格估值与序贯高斯模拟的数学关联54-55
• 3.3.2 置信度约束下模拟算法语义粒度的量化表达55-56
• 3.4 基于语义尺度的矿山多模型构建过程56-60
• 3.4.1 层状矿体实体多模型构建方法与步骤56-58
• 3.4.2 非层状矿体品位多模型构建方法与步骤58-60
• 3.5 小结60-61
• 第四章 矿山三维模型的不确定性传递61-72
• 4.1 矿山三维模型不确定性来源61-63
• 4.1.1 矿山三维模型与不确定性61-62
• 4.1.2 不确定性来源62-63
• 4.2 矿山三维建模的不确定性传递63-68
• 4.2.1 矿山三维建模的不确定性分布与传递63-65
• 4.2.2 矿山三维建模不确定性传递模型65-68
• 4.3 矿山三维不确定性传递模型算法实现68-71
• 4.3.1 可信度赋值规则68-69
• 4.3.2 不确定性合成传递算法69-70
• 4.3.3 不确定性合成算法70
• 4.3.4 不确定性叠加传递算法70-71
• 4.4 小结71-72
• 第五章 矿山三维模型不确定性定量分析方法研究72-84
• 5.1 不确定性与信息熵72-75
• 5.1.1 信息论与信息熵72-74
• 5.1.2 信息熵相关性质74-75
• 5.2 基于信息熵的空间模型不确定性分析75-78
• 5.2.1 空间模型不确定性分析准则与信息熵75-76
• 5.2.2 信息熵在地质结构模型不确定性分析中的应用76-78
• 5.3 矿山三维模型的不确定性分析研究78-83
• 5.3.1 矿山三维模型不确定性与信息熵78-80
• 5.3.2 基于信息熵的品位模型不确定性定量分析80-81
• 5.3.3 品位模型的误差检测与修正81-83
• 5.4 小结83-84
• 第六章 应用实例与结果分析84-101
• 6.1 矿区概况与实验准备84-87
• 6.1.1 实验矿区地质概况84-85
• 6.1.2 实验软件工具介绍85
• 6.1.3 数据组织与实体模型构建85-87
• 6.2 矿山多模型构建实例87-95
• 6.2.1 数据处理与变差函数计算87-92
• 6.2.2 多模型构建实例与结果分析92-95
• 6.3 矿山模型不确定性分析实例95-98
• 6.3.1 品位模型不确定性定量分析实例95-96
• 6.3.2 品位模型修正实例96-98
• 6.4 成果应用示例98-99
• 6.5 小结99-101
• 第七章 总结与展望101-104
• 7.1 论文总结101-102
• 7.2 研究展望102-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-114

【参考文献】

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本文编号：712818