面向地质剖面图的断层阻水蓄水构造自动识别器研究

摘要

水资源危机问题越来越受到人们的关注,地下水是水资源的重要组成部分,科学合理地开采地下水能解决一些地区,尤其是缺水山区的供水问题。在基岩山区,地下水主要受蓄水构造的控制,研究蓄水构造的空间间形态与结构对基岩地下水供水勘测具有重要意义。地质剖面图是基岩山区供水勘测选址的重要基础资料之一,各类蓄水构造在地质剖面图上的空间形态与结构各不相同,其中断层阻水蓄水构造是最常见也是最复杂的蓄水构造之一。一般情况下,地质剖面图上的蓄水构造是由水文地质工作者人工识别,准确率受人为因素影响较大,易导致供水工程的失败。因此,能够用计算机在地质剖面图上自动识别出蓄水构造,提高识别精度,是当今水文地质工作者的迫切需求。本论文针对蓄水构造在地质剖面图上空间形态与结构的复杂性特点,以断层阻水蓄水构造为例,基于计算机及GIS空间分析技术研究了“面向地质剖面图的断层阻水蓄水构造自动识别器”。一方面可以实现地质剖面图上断层阻水蓄水构造的自动识别,提高识别精度;另一方面能够为其它类型的蓄水构造自动识别技术的研究提供思路。
　　 采用面向对象的思想,分析了自然界中断层阻水蓄水构造的空间形态与结构,抽象出了最大透水地层、断层以及相对阻水地层是组成断层阻水蓄水构造的三个基本要素,地下水位与地下水流向是断层阻水蓄水构造的两个约束条件,构建了断层阻水蓄水构造的概念模型。根据断层阻水蓄水构造的概念模型及其在地质剖面图上的空间形态与结构,抽象出了最大透水地层面、断层线、相对阻水地层面、地下水位线与地下水补给源面是构成断层阻水蓄水构造空间数据模型的五个空间实体要素,前三者相互之间、最大透水地层面与地下水位线之间、最大透水地层面与地下水补给源面之间的空间位置关系构成了断层阻水蓄水构造空间实体之间的拓扑关系。基于抽象的实体集及实体之间的拓扑关系,研究并建立了描述断层阻水蓄水构造的空间数据模型与逻辑模型。为了方便存储地质剖面图数据以及自动识别出来的断层阻水蓄水构造,建立了基于ArcGIS的Geodatabase数据存储物理模型。
　　 在分析归纳断层阻水蓄水构造自动识别专家知识与规则的基础上,提出了“断层线邻接地层面的获取、最大透水地层面的判定、断层另一侧与最大透水地层面邻接的相对阻水地层面的获取、断层阻水蓄水构造的判定”是断层阻水蓄水构造自动识别过程中涉及的四个关键技术问题。针对各个关键技术问题,提出了相应的解决方案:运用GIS空间分析技术,可高效地获取断层线的邻接地层面;结合既定的以及用户输入的专家知识规则,能较快地识别出了符合实际水文地质条件的最大透水地层面;利用拓扑分析、缓冲区分析等GIS空间分析技术,可获取断层另一侧与最大透水地层面邻接的相对阻水地层面;根据用户输入的断层阻水蓄水构造约束条件,能判定出断层阻水蓄水构造。
　　 基于断层阻水蓄水构造自动识别过程中涉及的关键技术问题解决方案,设计并开发了“面向地质剖面图的断层阻水蓄水构造自动识别器”原型系统,并以宁镇山脉的幕府山地区的地质剖面图为实验数据,验证了断层阻水蓄水构造自动识别专家知识与规则、关键技术问题解决方案的可行性和正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 知识表达方式研究现状

1.2.2 空间知识发现技术研究现状

1.2.3 基于GIS的基岩地下水供水勘查研究现状

1.3 研究内容

1.3.1 断层阻水蓄水构造自动识别数据模型研究

1.3.2 断层阻水蓄水构造自动识别技术相关算法研究

1.3.3 面向地质剖面图的断层阻水蓄水构造自动识别器原型系统研究

1.4 研究方法与技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

1.5 本章小结

第2章 断层阻水蓄水构造数据模型构建

2.1 断层阻水蓄水构造概述

2.1.1 蓄水构造类型

2.1.2 断层阻水蓄水构造

2.2 概念模型构建

2.2.1 蓄水构造概念模型

2.2.2 断层阻水蓄水构造概念模型

2.3 空间数据模型构建

2.4 逻辑模型构建

2.5 物理模型构建

2.5.1 空间数据管理模式

2.5.2 空间数据存储

2.6 本章小结

第3章 断层阻水蓄水构造自动识别技术解决方案

3.1 断层阻水蓄水构造自动识别器研究总体思路

3.2 关键技术问题的提出

3.3 断层线邻接地层面的获取算法

3.4 最大透水地层面的判定算法

3.5 断层另一侧与最大透水地层面邻接的相对阻水地层面的获取算法

3.6 断层阻水蓄水构造的判定算法

3.7 本章小结

第4章 断层阻水蓄水构造自动识别器实现

4.1 自动识别器组成

4.2 自动识别器架构

4.3 自动识别器实现环境

4.4 自动识别器功能实现

4.4.1 断层线邻接地层面获取

4.4.2 最大透水地层面判定

4.4.3 断层另一侧与最大透水地层面邻接的相对阻水地层面获取

4.4.4 断层阻水蓄水构造判定

4.5 蓄水构造自动识别器实验

4.5.1 实验区与数据源

4.5.2 数据处理

4.5.3 自动识别器实验效果

4.5.4 自动识别器的验证

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 论文结论

5.2 存在问题及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果