基于体函数的地质体内非均匀属性场表达的理论与方法研究

In geology, miming, environment and many other domains, it has a great significance to express and 3D visualization of heterogeneous property field inside of the solid objects. This project intend to research about volume function model and method to express heterogeneous property field inside of geology solid object. Research content: volume function theory and implementation method to express heterogeneous property field inside of geology solid object. Technique path:(1)setup vector boundary model frame based on sampling point. (2) subdivide body, which hope to express heterogeneous property field, into a series of adjacent and non-overlap sub-volumes( such as tetrahedron, general triangular prism). (3)fit volume function on sub-volume domain, the volume function are demanded that C2 continuous between two adjacent sub-volume inside of one layer, and discontinuous between two layers. (4)3D spatial interpolation with the volume function for the solid space. (5) 3D visualization for 3D property field expressed by volume function. (6)translate volume function model into standard cubic 3D cell mode for other software platform. Innovations:(1) theory and method of expression heterogeneous property field inside of geology solid object by sub-divided volume domain fit volume function. (2)Tri-variable function fit method by sub-volume domain. (3) Replace traditional Kriging method and inverse distance weight method to 3D spatial interpolation with volume function. The research results will be used in geology exploration, mine safety and environment domains

地质体内的三维非均匀属性场表达对地质/矿山/环境等众多应用学科具有重要意义。本课题拟研究表达地质体内三维非均匀属性场的体函数模型与方法。研究内容:体函数的理论与实现方法及其在表达地质体内非均匀属性场方面的应用以及适用范围。技术路线:1)据采样资料建立研究区的三维矢量模型的边界框架;2)对需要表达体内非均匀性的目标体进行体剖分;3)分体域拟合体函数,要求体函数在同一地层的子体域间C1或C2连续,在不同地层间突变;4)由体函数进行三维空间插值;5)对体函数所表达的三维非均匀属性场进行三维可视化,6)将体函数模型转换为三维栅格模型。创新点:1)以分体域的体函数表达体内非均匀属性场的体函数模型理论与方法;2)基于四面体体积坐标与广义三棱柱体积坐标的三元体函数拟合方法;3)用体函数在适当的场合代替传统的距离倒数加权法与Kriging方法进行三维空间插值。预期成果可应用于地质/矿山/环境等领域。

矿产资源勘探开发、地下工程建设、地质灾害防治、地下水资源保护等行业都对地质体内非均匀属性场的探测与表达提出了迫切的需求，三维地质建模正由注重集几合形态建模向形态与属性并重的方向发展。本项目提出并实现了地质体内进行子体域剖分，按子体域拟合体函数（体函数在不同子体域之间具有函数连续与导数连续性）的体函数方法，实现了地质体非均匀属性场的体函数插值方法，对层状、非层状矿体（地质体）内的空间插值给出了新的思路与方法。研究了①地质体内基于原始采样数据进行四面体剖分后构建四面体体域的线性体函数、准二次体函数、准三次体函数的拟合与插值方法；②三棱柱剖分下的三棱柱体域的线性体函数、二次体函数的拟合与插值方法；③四面体体函数、三棱柱体函数的拟合精度与应用条件；④将体函数拟合与空间插值方法应用到页岩气勘探开发中的页岩品质描述中需要解决的技术问题。实现了①四面体剖分下的线性体函数、准二次体函数、准三次体函数的拟合与插值方法，实现了三棱柱剖分下的线性体函数、二次体函数拟合与插值方法，其中准二次体函数达到了相邻四面体间函数连续与一阶导数连续，准三次体函数达到了相邻四面体间函数连续、一阶导数连续以及二阶导数连续；②提出了层状矿床与地质体具有属性沿顺层方向与沿穿层方向（即垂直于层面的方向）具有不同的变化率，一般来说，沿顺层方向变化较慢，沿穿层方向变化较快的特点；③提出传统的空间插值方法如克里金法与反距离加权法都没有顾及空间距离是顺层距离还是穿层距离，而基于三棱柱剖分的体函数方法可以顾忌空间距离是顺层距离还是穿层距离，因而对于层状矿床与地质体可能具有更好的适应性，而基于四面体剖分的体函数插值方法由于其与层面的方向性不明，因而不太适合于层状矿层而更为适合于非层状的矿体与地质体的观点。.项目已发表论文29篇（其中，已见刊中文期刊 21篇，其中北大中文核心期刊12篇；英文国际期刊2篇，会议论文6篇，EI检索2篇）；已录用5篇（均为北大中文核心期刊）；审稿阶段论文5篇（其中SCI检索的英文期刊2篇，北大中文核心期刊3篇）。 据CNKI统计，发表的中文期刊论文已被同行引用50次。.项目负责人应邀在学术交流会上做学术报告13次。.项目成果形成软件两个，并应用于我国第一个商业化开采的涪陵页岩气勘探中。.项目培养已毕业博士研究生1名，即将毕业博士研究生2名，已毕业硕士研究生12人，即将毕业硕士研究生2人。