面向动态过程模拟和实时表达的地质时空数据模型研究

发布时间：2017-04-17 07:04

  本文关键词：面向动态过程模拟和实时表达的地质时空数据模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人类采掘(金属、非金属、煤、油气开采)和自然地质过程(地面塌陷、滑坡、泥石流等)的动态模拟,具有数据多源、时空多维、时间多粒度、分布不均等特征。而且,由于时空变化的语义复杂性、过程建模与模拟的非线性和不确定性、变化信息的多维、多尺度和实时性,传统静态的GIS与地质信息系统所采用的数据模型,难以支持采掘过程及灾害演变的动态数字表达。伴随各类地学监测、探测仪器和设备的安装部署,以及无线传感网和物联网技术的快速发展,地矿工作信息化、自动化、智能化步伐加快,正在经历一个从“数字勘查”到“智慧勘查”、从“数字矿山”到“智慧矿山”、从“数字地灾”到“智慧地灾”的不断推进过程。与此相应,描述地质、资源、环境和地灾的时空变化的数据日益增长。传统的数据模型已经难以应对地质过程、矿山生产、环境变化和地灾孕育等动态监测数据的存储、管理,以及相关属性和描述模型等变化信息的数字化表达需求,无法支持多传感器接入、多粒度时空变化和多层次的复合时空过程语义表达。本文针对矿山开采和地灾形成等地质时空中的一般现象和过程,结合开采监管和实时监测等实际需求,通过分析地质空间中各种对象在时变空变条件下的几何、属性、空间关系、语义和行为模型的数字表达,基于实时GIS数据模型,提出一种包含时空过程、几何、尺度、语义的多层次的地质时空数据模型。其核心是一种基于事件多因素驱动的时空过程层,可简要描述为；在一段时间内,传感器检获地理地质对象产生的事件,事件经过多因素驱动模型加工(即通过约束规则或模拟算法的运算),产生更高级别的事件并作用到对象,促使其改变几何状态和属性状态,推动时间和空间信息的演变。利用包含“变化信息”的事件,描述各种对象之间的相互作用和关联关系,反映对象及其状态随时间、空间的变化过程。该模型不仅能够兼顾传统空间数据的管理,而且可以支持多传感器观测数据接入的管理与过程实时可视化表达,是一种面向动态过程模拟和实时表达的地质时空数据模型。本文将按照概念模型、逻辑组织模型和物理存储模型三个层次对该模型进行从理论、技术到实践的综合探讨。主要的研究内容包括：(1)在分析已有的时空数据模型的基础上,针对矿山开采和滑坡等地质过程的特征,提出了一种基于事件多因素驱动的地质时空数据的概念模型。该项研究顾及了矿山动态开采和滑坡过程监测监管的需求,采用了海量地质空间数据存储管理和三维地质建模与可视化技术。其研究内容涉及现存各类时空数据模型的优劣及其适用情况,以及模型基本理论、整体框架、主要方法和关键技术。在研究中,还利用具体案例来检验其科学性、实用性、实时性、开放性及与基础模型的兼容性。(2)以地质事件的多因素驱动的概念模型为指导,开展固体矿山动态开采过程中各类地质对象的几何、属性、空间关系、语义和行为模型的分析和研究。重点考虑满足复杂地质过程的多层次时空变化语义表达,采用面向对象的思想开展模型的逻辑组织结构设计,根据功能划分并设计出工程管理、地质时空对象及要素管理、观测及传感器对象管理、事件管理、版本管理、过程管理和多因素驱动管理等单元模块。(3)遵照模型的逻辑组织结构,为满足地质时空大数据管理和实际矿山生产应用需求,开展系统应用原型设计,并在原型求真的基础上,进行系统设计和模块划分,完成模型物理结构和相关接口设计。(4)基于可扩展的插件式开发系统,通过地质时空数据库存储访问接口(STSDE),实现利用分布式非关系型数据库存储和管理地质模型、地质要素及其相关数据,包括几何模型、颜色、材质、纹理、要素索引、属性及拓扑关系等数据。以基于文档的分布式数据库MongoDB为依托,采用数据库分片和副本集群部署,并利用Web和控件等多种工具对其进行监控和管理。(5)以王家岭煤矿首采区和黄土坡滑坡区的钻孔、地质剖面、巷道等数据为依托,利用三维地质建模技术,构建该区域的三维地质模型,本文重点结合具体的三维地质建模工作,即地质素描图三维投影建模,讨论和阐述三维地质建模技术在构建地质时空数据模型中的作用。(6)在构建好的王家岭煤矿首采区和黄土坡滑坡区三维地质模型的基础上,研究多传感器数据接入下,监测信息变化和动态过程模拟的存储管理与数字化表达,具体包括：三维传感器模型交互式安装、传感器观测数据的实时接入、动态监测信息实时可视化、基于OPC接口的动态过程构建和基于多传感器观测过程构建等。(7)在工程库的存储管理结构框架下,研究系统动态过程模拟中事件管理机制、事件传递机制及时空对象变化机制,探索并利用OPC模拟器实现模拟观测事件作用对象响应过程。(8)依托地质时空数据模型理论框架及其关键技术,开发原型系统,实现矿山动态开采的过程模拟和滑坡过程监测监管应用,并在应用中调整和修改模型,验证该地质时空数据模型的可行性、有效性。研究、测试与应用表明,该面向动态过程模拟和实时表达的地质时空数据模型的设计是有效的、合理可行的,其不仅可以兼顾传统GIS与地质信息系统,利用先前空间数据库中存储的数据,而且可以通过分布式非关系型数据库的接口来实现应用系统,支持数据分片与集群管理,可以增加数据服务器,满足地质时空大数据管理。综上所述,本项研究主要的创新点为：(1)提出一种“面向动态过程模拟和实时表达”的地质时空数据模型。该模型既可以融合数据多源与时空多维性、支持时间关联与时间多粒,又能够反映多层次时空变化过程中地质空间与分布特征,支持复杂地质过程成因分析、动态模拟与实时响应等特点。(2)基于该地质时空数据模型,利用NoSQL数据库存储管理地质模型、地质要素及其相关数据,实现了对多传感器接入情况下,人类采掘(矿山开采)、地质灾害(滑坡)的动态监测与过程模拟。本文所取得的这些研发成果,已经应用到国家863计划主题项目“时空过程模拟与实时GIS系统”(2012AA121401)和中国地质大学(武汉)地质信息科技研究所研发的地质时空数据管理系统(GeoSTDMS)中,本项研究的成果对时态地质信息系统建设和地质时空大数据管理具有一定的借鉴意义。
【关键词】：时空数据模型 动态过程模拟 实时表达 事件多因素驱动 非关系型数据库
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P208;P628
【目录】：

• 作者简介6-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-28
• §1.1 研究的目的和意义17-18
• §1.2 国内外研究现状18-23
• §1.3 面临的主要问题23-25
• §1.4 研究内容与技术路线25-27
• 1.4.1 研究内容25-26
• 1.4.2 拟解决的关键问题26
• 1.4.3 技术路线26-27
• §1.5 本章小结27-28
• 第二章 地质时空数据模型28-41
• §2.1 地质时空数据模型概念框架28-30
• §2.2 基于事件多因素驱动的地质时空数据概念模型30-31
• §2.3 矿山动态开采过程模拟用例分析31-35
• 2.3.1 需求描述31
• 2.3.2 关键类定义31-34
• 2.3.3 矿山动态开采时空过程描述34-35
• §2.4 滑坡过程监测与动态模拟用例分析35-40
• 2.4.1 需求描述35-36
• 2.4.2 关键类定义36-39
• 2.4.3 滑坡时空过程描述39-40
• §2.5 本章小结40-41
• 第三章 时空数据模型逻辑组织结构设计41-56
• §3.1 系统工程库管理结构41
• §3.2 地质时空对象管理41-46
• 3.2.1 时空地质对象逻辑框架42-43
• 3.2.2 三维地质空间对象管理43-44
• 3.2.3 地质时间对象管理44-46
• §3.3 观测及传感器对象管理46-47
• §3.4 事件驱动的运行管理及管道约束的传递机制47-51
• §3.5 版本管理51-53
• §3.6 过程管理53-54
• §3.7 多因素驱动模型管理54-55
• §3.8 本章小结55-56
• 第四章 基于NoSQL的多源地质时空数据存储与管理56-76
• §4.1 时空数据存储访问接口56-63
• §4.2 应用系统开发总体结构设计63-65
• §4.3 分布式地质时空数据存储65-66
• §4.4 主要存储结构设计66-70
• §4.5 数据库配置与监控管理70-75
• §4.6 本章小结75-76
• 第五章 地质时空数据模型构建的关键技术76-112
• §5.1 三维地质建模技术76-83
• §5.2 时空索引技术83-93
• §5.3 动态监测信息实时可视化技术93-94
• §5.4 三维传感器交互安装与实时接入94-103
• §5.5 基于OPC接口的动态过程构建方法103-107
• §5.6 基于多传感器观测过程构建方法107-111
• §5.7 本章小结111-112
• 第六章 基于地质时空数据模型的应用112-119
• §6.1 应用实例112-118
• §6.2 本章小结118-119
• 第七章 总结与展望119-121
• §7.1 论文总结119-120
• §7.2 待进一步研究的工作120
• §7.3 展望120-121
• 致谢121-122
• 参考文献122-128

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本文编号：312660