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首页GIS与MATLAB融合:三维地质建模研究与应用进展
该篇青岛理工大学的工程硕士学位论文探讨了"基于GIS与MATLAB平台的三维地质建模研究与应用"。论文首先在绪论部分介绍了研究的背景,指出在全球范围内,空间插值理论、MATLAB的空间分析以及三维地质建模技术都在不断发展和应用。空间插值理论是通过数学模型对地理空间数据进行估算和预测,MATLAB作为强大的数值计算工具,被广泛用于空间数据处理和分析。三维地质建模则是将二维或三维地质数据整合,以可视化的方式展示地质构造,这对于地质勘查、资源评估和灾害预警等领域具有重要意义。 第二章详述了基础数据库与三维建模的基本原理。GIS(Geographic Information System)的核心是空间数据结构和模型,如栅格数据和矢量数据等,以及如何构建和管理空间地理数据库。作者着重介绍了如何从基础地质数据中导入GIS空间数据库,包括数据清洗、整合和格式转换。三维地质建模的关键技术包括体数据模型、表面模型和多面体模型,以及这些技术在MATLAB中的具体实现。 第三章深入研究了空间地层插值计算和交叉验证。在这个阶段,论文详细描述了地层数据预处理过程,包括数据采集(如钻孔数据)和地层划分。插值方法的选择对建模精度至关重要,论文列举了几种常见的插值算法,如反距离权重法、克里金插值等,并通过交叉验证来评估不同方法的性能和精度。这部分内容对于优化地质模型的构建和确保其准确性至关重要。 这篇论文结合GIS和MATLAB技术,针对三维地质建模进行了深入的研究,旨在提高地质数据处理的效率和精度,为地质勘探和资源开发提供了有效的工具和方法。通过理论分析和实证研究,作者为读者展示了如何利用现代信息技术解决实际地质问题,具有较高的学术价值和实践意义。
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青岛理工大学工程硕士学位论文
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第一章 绪论
首先阐述本文研究背景及意义,在地下工程快速发展的背景下,三维信息可
视化建模具有长远发展意义。然后总结国内外研究进展和应用现状,分析目前存
在的主要问题,引出本文的相关研究内容。最后说明论文的组织结构。
第二章 基础数据库与三维建模基本原理
首先探讨栅格数据结构和矢量数据结构的特征及优缺点,然后从多个角度分
别概括基于面元模型、体元模型、混合模型、集成模型的优缺点及适用范围,本
文为满足建模要求,充分利用栅格数据结构和矢量数据结构,选择多层 DEM 三
维空间数据模型。通过分析构建三维模型的影响性因素,引出建立地质数据库的
必要性,并选择文件地理数据库存储本文三维模型数据信息。最后总结地质数据
的来源、分类,对杂乱的数据进行标准化处理,进而设计合理的存储、检索方式,
构建地质数据库。
第三章 空间地层插值计算分析与交叉验证
本章以地层插值分析为主线,对获取的地层数据进行划分、处理,建立地层
顺序表,重点研究地层插值方法及其交叉验证分析等一系列关键问题,得出不同
地层的最优插值法并进行分析。
第四章 某矿区三维地质模型构建及应用
以构建并优化三维地质可视化模型为主线,首先介绍目标区域的地质概况、
三维地质建模软件平台,然后对比创建 TIN 的方法、建立模型边界面和三维钻
孔模型,重点处理地层相交的问题,最后根据切割任意剖面模型与地质剖面图进
行对比,完善三维地质模型。
第五章
三维地质建模在 MATLAB 平台的拓展研究
基于 MATLAB 软件环境,对钻孔数据进行空间分析计算。首先进行算法误
差评价与计算、优化核心参数 theta 的取值。然后模拟基于克里金插值计算的三
维地层,并检验已建模地层的验证点数据。最后针对地层模型进行空间分析计算。
第六章 结论与展望
本章针对论文进展工作进行了全面的总结,同时指出论文的不足之处,进而
展望地下空间三维建模及可视化应用的改进方向。
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第 2 章 基础数据库与三维建模基本原理
2.1 GIS 空间数据结构与特征
为了更好地认识地质实体,需要对目标区域进行三维地质模拟。三维地质建
模原理及技术是依托计算机平台,总结原始数据和加工成果,描述三维地质模型
的属性信息和几何信息,并作为地质变化规律的依据,是地质领域、数学领域、
力学领域的集成应用。一般来说,三维地质模型从模型几何特征分为单一构建模
型、混合模型和集成模型,从数据描述形式分为栅格模型、矢量模型、栅格—矢
量集成模型。三维数据结构模型是空间实体及其关系的描述,是对现实世界的数
字化表示。空间数据结构是指表示空间对象的数据组织方法,是建立在三维数据
模型基础上的表达与简化。空间数据模型与空间数据结构之间的关系如图 2.1 所
示。
图 2.1 空间数据模型与空间数据结构的关系
2.1.1 空间数据结构
空间数据结构主要分为矢量结构(图 2.2)和栅格结构两大类(图 2.3),两
者都可以表示点、线、面这三种基本空间对象类型
[77]
。
图 2.2 矢量数据结构 图 2.3 栅格数据结构
矢量数据结构是通过 X、Y 坐标作为位置标识符来揭示地理实体的位置信息,
常用于表示线状分布的地理要素,诸如河流、道路、等值线等
[78]
。矢量数据结
构强调地理事物的离散性,具有“位置明显、属性隐含”的特点。
栅格数据结构使用网格单元的行和列作为位置标识符来揭示地理实体的位
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置信息,常用于地质、气候和地形等面状要素。栅格数据结构操作简单、容易实
现,具有“属性明显、位置隐含”的特点。
栅格数据结构和矢量数据结构是一对互相矛盾、互相补充的空间数据基本结
构。二者各有优缺点,见表 2.1 所示。
表 2.1 栅格结构和矢量结构的优缺点
栅格结构
矢量结构
优
点
结构单一且能够实现数据共享
数据结构严谨且冗余量少
易实现叠加操作,便于图形计算
操作拓扑关系更有效且利于描述实体间关系
高效表达空间变化,利于分析地形
和数学模拟
输出图形精度高且计算高效
易与遥感技术结合
能够网络分析和空间查询分析
缺
点
数据结构不严谨,数据量繁琐
比栅格数据操作复杂
难以表达拓扑关系
不擅长叠加操作和数据共享
图形质量差,线条有锯齿
不和遥感技术结合且不便于数学模拟
难以进行网络分析和空间查询分析
不能增强处理
2.1.2 空间数据模型
三维空间数据模型能够把真实的空间实体及相互关系向数字化模型转换,建
立真实地质和信息化地质的桥梁,决定数据存储的基本结构。
(1)以 Grid 模型(图 2.4)、 Shape 模型(图 2.5)为代表的基于面元的 3D
数据模型,主要用于目标研究对象的 3D 物体表面的建模,比如地质层面、地形
表面、地质边界等
[79]
。其优点在于计算分析和更新数据速度较快,并且能够精
确表示层状数据模型;不足之处是难以描述对象内部的属性信息,不能查询和分
析实体间的空间数据
[80]
。
图 2.4 Grid 模型 图 2.5 Shape 模型
(2)以 3D 体素模型(图 2.6)为代表的基于体元的 3D 数据模型,其以体
元作为基本要素,主要用于体元的分割和体信息的存储。因为体数据模型能够存
储丰富的数据信息,所以能够实现对三维空间对象的模拟表达,诸如建筑物、地
下水等。其优点在于能够揭示边界和内部结构的关系,加强空间分析操作;不足
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之处是数据量大、占用内存大、结构复杂且计算速度慢。
图 2.6 3D 体素模型
(3)以断面—三角网混合模型(图 2.7)为代表的基于混合结构的 3D 数据
模型,能够克服单一模型的局限和不足,发扬各自的优势,但也有建模困难、数
据复杂、难以整体建模的缺点。
图 2.7 断面—三角网混合模型
(4)以 TIN—CSG 集成模型(图 2.8)为代表的基于集成结构的 3D 数据模
型,主要分为 TIN—CSG、TIN—Octree,能够集成两种数据模型的优点,在构
建不规则对象时具有较大优势,其缺点是难以集成两种数据。
图 2.8 TIN—CSG 集成模型
空间数据模型的具体分类如图 2.9 所示。
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图 2.9 空间数据模型的分类
2.2 文件地理数据库构建
2.2.1 GIS 空间数据库概述
GIS 空间数据库通过特定的信息结构和数据类型来描述、存储、分析和管理
从真实地理环境中获取的空间信息。GIS 空间数据模型是地理空间数据库的核心,
分为空间概念数据模型、空间逻辑数据模型、空间物理数据模型
[81]
,其关系如
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