一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本申請公開了一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)，該方法包括：獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；將地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；對格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域，構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；利用構(gòu)建的元胞自動機(jī)模型對地表下沉過程進(jìn)行仿真。該方法能夠仿真較為復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下的礦產(chǎn)開采引起的下沉過程，動態(tài)模擬開采沉陷的開采影響范圍、下沉活躍的強(qiáng)度和面積等，并且得到接近真實(shí)情況的地表下沉結(jié)果，從而在很大程度上提高了對復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下礦產(chǎn)開采時(shí)的地表沉陷預(yù)測的準(zhǔn)確性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)
本申請涉及工業(yè)監(jiān)測
，更具體地說，涉及一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
大規(guī)模礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，給人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益的同時(shí)，也對人類生存的環(huán)境帶來了巨大的破壞影響。由于地下礦產(chǎn)資源在開采過程中，開采礦層的上覆巖層將出現(xiàn)位移和變形，引起的開采沉陷可導(dǎo)致一系列環(huán)境問題，甚至引發(fā)重大的地質(zhì)災(zāi)害事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的社會問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國自20世紀(jì)90年代以來，因煤炭開采形成的地表塌陷每年約2.2萬hm2，到本世紀(jì)初，我國的采礦業(yè)每年占用和破壞的土地達(dá)3.4萬hm2。而開采沉陷涉及到地質(zhì)、采礦等多種因素，是一種復(fù)雜的三維、時(shí)空動態(tài)過程，地表移動是巖層移動傳播到地表的沉陷現(xiàn)象，反映了巖層移動的傳播方式和移動狀況。因此，在開采前就對可能引起的開采沉陷狀況進(jìn)行一個(gè)合理的預(yù)測，并在開采過程中，實(shí)時(shí)對引起的沉陷過程進(jìn)行監(jiān)測，這樣才便于對安全生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。目前，對礦區(qū)的地質(zhì)分析以及沉陷過程的監(jiān)測僅是借鑒地面觀測站的監(jiān)測與預(yù)計(jì)研究成果。由于其利用的數(shù)據(jù)資料是位于觀測線上離散點(diǎn)集數(shù)據(jù)，即只利用了地面沉降觀測站布設(shè)的觀測線上的有限觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此所得的預(yù)測結(jié)果可靠性差，從而導(dǎo)致開采時(shí)地表沉陷的無法準(zhǔn)確預(yù)知，造成環(huán)境的破壞以及經(jīng)濟(jì)的巨大損失。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下礦產(chǎn)開采時(shí)的地表沉陷更加準(zhǔn)確地預(yù)測。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，現(xiàn)提出的方案如下：一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法，包括：獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；將所述地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；對所述格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域，構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；利用構(gòu)建的所述元胞自動機(jī)模型對地表下沉過程進(jìn)行仿真。優(yōu)選的，所述地面空間數(shù)據(jù)包括：地面三維激光掃描采集的數(shù)據(jù)和/或攝影測量獲取的數(shù)據(jù)以及沉降觀測站采集的數(shù)據(jù)。優(yōu)選的，所述構(gòu)建元胞自動機(jī)模型包括：A、將所述開采下沉影響區(qū)域進(jìn)行劃分，以構(gòu)建元胞自動機(jī)模型運(yùn)行的元胞空間，并確定所述元胞空間中的每個(gè)元胞的鄰居結(jié)構(gòu)；B、根據(jù)經(jīng)典預(yù)計(jì)方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩(wěn)點(diǎn)，將所述初始失穩(wěn)點(diǎn)所在的元胞加入失穩(wěn)元胞集合；C、判斷所述失穩(wěn)元胞集合中各元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述失穩(wěn)元胞集合中的元胞沒有達(dá)到下沉停止?fàn)顟B(tài)，則更新該元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞的鄰居結(jié)構(gòu)中沒有被引起失穩(wěn)的元胞加入影響元胞集合中；D、判斷所述影響元胞集合中的高危失穩(wěn)元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述高危失穩(wěn)元胞的失穩(wěn)概率大于設(shè)定閾值，則更新所述高危失穩(wěn)元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞加入所述失穩(wěn)元胞集合；E、迭代執(zhí)行上述步驟C～D，直到所述失穩(wěn)元胞集合為空。優(yōu)選的，所述鄰居結(jié)構(gòu)具體為Moore型的鄰居結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，還包括：繪制所述仿真結(jié)果對應(yīng)的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真系統(tǒng)，包括：獲取單元、空間插值單元、分析單元、構(gòu)建單元以及仿真單元，其中：所述獲取單元，用于獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；與所述獲取單元相連的所述空間插值單元，用于將所述地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；與所述獲取單元、空間插值單元相連的所述分析單元，用于對所述格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域；與所述分析單元相連的所述構(gòu)建單元，用于根據(jù)所述分析單元確定的開采下沉影響區(qū)域構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；與所述構(gòu)建單元相連的所述仿真單元，用于利用構(gòu)建的所述元胞自動機(jī)模型對地表下沉過程進(jìn)行仿真。優(yōu)選的，所述地面空間數(shù)據(jù)包括：地面三維激光掃描采集的數(shù)據(jù)和/或攝影測量獲取的數(shù)據(jù)以及沉降觀測站采集的數(shù)據(jù)。優(yōu)選的，所述構(gòu)建單元包括：劃分單元、確定單元、失穩(wěn)元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元以及迭代單元，其中：所述劃分單元，用于將所述開采下沉影響區(qū)域進(jìn)行劃分，以構(gòu)建元胞自動機(jī)模型運(yùn)行的元胞空間，并確定所述元胞空間中的每個(gè)元胞的鄰居結(jié)構(gòu)；與所述劃分單元相連的所述確定單元，用于根據(jù)經(jīng)典預(yù)計(jì)方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩(wěn)點(diǎn)，將所述初始失穩(wěn)點(diǎn)所在的元胞加入失穩(wěn)元胞集合；與所述確定單元相連的所述失穩(wěn)元胞集合判斷單元，用于判斷所述失穩(wěn)元胞集合中各元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述失穩(wěn)元胞集合中的元胞沒有達(dá)到下沉停止?fàn)顟B(tài)，則更新該元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞的鄰居結(jié)構(gòu)中沒有被引起失穩(wěn)的元胞加入影響元胞集合中；與所述失穩(wěn)元胞集合判斷單元相連的所述影響元胞集合判斷單元，用于判斷所述影響元胞集合中的高危失穩(wěn)元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述高危失穩(wěn)元胞的失穩(wěn)概率大于設(shè)定閾值，則更新所述高危失穩(wěn)元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞加入所述失穩(wěn)元胞集合；與所述失穩(wěn)元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元相連的所述迭代單元，用于控制所述失穩(wěn)元胞集合判斷單元以及所述影響元胞集合判斷單元迭代執(zhí)行判斷過程，直到所述失穩(wěn)元胞集合為空。優(yōu)選的，所述鄰居結(jié)構(gòu)具體為Moore型的鄰居結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，還包括：繪制單元，用于繪制所述仿真單元輸出的仿真結(jié)果所對應(yīng)的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。從上述的技術(shù)方案可以看出，本申請公開了一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法及系統(tǒng)，該方法通過獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)，并對地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)，然后對格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域，從而構(gòu)建元胞自動機(jī)模型，以對地表下沉過程進(jìn)行仿真。該方法能夠仿真較為復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下的礦產(chǎn)開采引起的下沉過程，動態(tài)模擬開采沉陷的開采影響范圍、下沉活躍的強(qiáng)度和面積等，并且得到接近真實(shí)情況的地表下沉結(jié)果，從而在很大程度上提高了對復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下礦產(chǎn)開采時(shí)的地表沉陷預(yù)測的準(zhǔn)確性，而且能夠更加精細(xì)的刻畫地表某一時(shí)刻下沉盆地的。附圖說明為了更清楚地說明本申請實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。圖1為本申請實(shí)施例一公開的一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法的流程圖；圖2為本申請實(shí)施例一公開的一種構(gòu)建元胞自動機(jī)模型的流程圖；圖3為本申請實(shí)施例二公開的一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法的流程圖；圖4(a)為本申請實(shí)施例二公開的一種元胞自動機(jī)模型繪制的下沉等值線圖；圖4(b1)為本申請實(shí)施例二公開的一種元胞自動機(jī)模型仿真模擬的沉陷區(qū)三維模型圖；圖4(b2)為本申請實(shí)施例二所仿真模擬繪制的三維沉陷區(qū)模型圖對應(yīng)的同期地面三維激光掃描獲取的真實(shí)的沉陷區(qū)三維模型圖；圖5為本申請實(shí)施例三公開的一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本申請實(shí)施例三公開的一種構(gòu)建單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本申請實(shí)施例四公開的一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法，其特征在于，包括：獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；將所述地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；對所述格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域，構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；利用構(gòu)建的所述元胞自動機(jī)模型對地表下沉過程進(jìn)行仿真。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真方法，其特征在于，包括：獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；將所述地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；對所述格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形、采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定開采下沉影響區(qū)域，構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；利用構(gòu)建的所述元胞自動機(jī)模型對地表下沉過程進(jìn)行仿真；其中，所述構(gòu)建元胞自動機(jī)模型包括：A、將所述開采下沉影響區(qū)域進(jìn)行劃分，以構(gòu)建元胞自動機(jī)模型運(yùn)行的元胞空間，并確定所述元胞空間中的每個(gè)元胞的鄰居結(jié)構(gòu)；B、根據(jù)經(jīng)典預(yù)計(jì)方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩(wěn)點(diǎn)，將所述初始失穩(wěn)點(diǎn)所在的元胞加入失穩(wěn)元胞集合；C、判斷所述失穩(wěn)元胞集合中各元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述失穩(wěn)元胞集合中的元胞沒有達(dá)到下沉停止?fàn)顟B(tài)，則更新該元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞的鄰居結(jié)構(gòu)中沒有被引起失穩(wěn)的元胞加入影響元胞集合中；D、判斷所述影響元胞集合中的高危失穩(wěn)元胞的穩(wěn)定狀態(tài)，若所述高危失穩(wěn)元胞的失穩(wěn)概率大于設(shè)定閾值，則更新所述高危失穩(wěn)元胞的下沉狀態(tài)，并將該元胞加入所述失穩(wěn)元胞集合；E、迭代執(zhí)行上述步驟C～D，直到所述失穩(wěn)元胞集合為空。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，所述地面空間數(shù)據(jù)包括：地面三維激光掃描采集的數(shù)據(jù)和/或攝影測量獲取的數(shù)據(jù)以及沉降觀測站采集的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，所述鄰居結(jié)構(gòu)具體為Moore型的鄰居結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，還包括：繪制所述仿真模結(jié)果對應(yīng)的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。5.一種基于元胞自動機(jī)的地表下沉仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括：獲取單元、空間插值單元、分析單元、構(gòu)建單元以及仿真單元，其中：所述獲取單元，用于獲取地面空間數(shù)據(jù)以及開采工作面布置情形和采礦地質(zhì)數(shù)據(jù)；與所述獲取單元相連的所述空間插值單元，用于將所述地面空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成預(yù)設(shè)分辨率的格網(wǎng)DEM面域數(shù)據(jù)；與所述獲取單元、空間插值...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葛小三，丁安民，張彥，付治河，王石巖，拓海燕，
申請(專利權(quán))人：河南理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：河南;41