本文關(guān)鍵詞：面向動態(tài)過程模擬和實時表達的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：人類采掘(金屬、非金屬、煤、油氣開采)和自然地質(zhì)過程(地面塌陷、滑坡、泥石流等)的動態(tài)模擬,具有數(shù)據(jù)多源、時空多維、時間多粒度、分布不均等特征。而且,由于時空變化的語義復(fù)雜性、過程建模與模擬的非線性和不確定性、變化信息的多維、多尺度和實時性,傳統(tǒng)靜態(tài)的GIS與地質(zhì)信息系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)模型,難以支持采掘過程及災(zāi)害演變的動態(tài)數(shù)字表達。伴隨各類地學(xué)監(jiān)測、探測儀器和設(shè)備的安裝部署,以及無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,地礦工作信息化、自動化、智能化步伐加快,正在經(jīng)歷一個從“數(shù)字勘查”到“智慧勘查”、從“數(shù)字礦山”到“智慧礦山”、從“數(shù)字地災(zāi)”到“智慧地災(zāi)”的不斷推進過程。與此相應(yīng),描述地質(zhì)、資源、環(huán)境和地災(zāi)的時空變化的數(shù)據(jù)日益增長。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型已經(jīng)難以應(yīng)對地質(zhì)過程、礦山生產(chǎn)、環(huán)境變化和地災(zāi)孕育等動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理,以及相關(guān)屬性和描述模型等變化信息的數(shù)字化表達需求,無法支持多傳感器接入、多粒度時空變化和多層次的復(fù)合時空過程語義表達。本文針對礦山開采和地災(zāi)形成等地質(zhì)時空中的一般現(xiàn)象和過程,結(jié)合開采監(jiān)管和實時監(jiān)測等實際需求,通過分析地質(zhì)空間中各種對象在時變空變條件下的幾何、屬性、空間關(guān)系、語義和行為模型的數(shù)字表達,基于實時GIS數(shù)據(jù)模型,提出一種包含時空過程、幾何、尺度、語義的多層次的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型。其核心是一種基于事件多因素驅(qū)動的時空過程層,可簡要描述為；在一段時間內(nèi),傳感器檢獲地理地質(zhì)對象產(chǎn)生的事件,事件經(jīng)過多因素驅(qū)動模型加工(即通過約束規(guī)則或模擬算法的運算),產(chǎn)生更高級別的事件并作用到對象,促使其改變幾何狀態(tài)和屬性狀態(tài),推動時間和空間信息的演變。利用包含“變化信息”的事件,描述各種對象之間的相互作用和關(guān)聯(lián)關(guān)系,反映對象及其狀態(tài)隨時間、空間的變化過程。該模型不僅能夠兼顧傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的管理,而且可以支持多傳感器觀測數(shù)據(jù)接入的管理與過程實時可視化表達,是一種面向動態(tài)過程模擬和實時表達的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型。本文將按照概念模型、邏輯組織模型和物理存儲模型三個層次對該模型進行從理論、技術(shù)到實踐的綜合探討。主要的研究內(nèi)容包括：(1)在分析已有的時空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,針對礦山開采和滑坡等地質(zhì)過程的特征,提出了一種基于事件多因素驅(qū)動的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)的概念模型。該項研究顧及了礦山動態(tài)開采和滑坡過程監(jiān)測監(jiān)管的需求,采用了海量地質(zhì)空間數(shù)據(jù)存儲管理和三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)。其研究內(nèi)容涉及現(xiàn)存各類時空數(shù)據(jù)模型的優(yōu)劣及其適用情況,以及模型基本理論、整體框架、主要方法和關(guān)鍵技術(shù)。在研究中,還利用具體案例來檢驗其科學(xué)性、實用性、實時性、開放性及與基礎(chǔ)模型的兼容性。(2)以地質(zhì)事件的多因素驅(qū)動的概念模型為指導(dǎo),開展固體礦山動態(tài)開采過程中各類地質(zhì)對象的幾何、屬性、空間關(guān)系、語義和行為模型的分析和研究。重點考慮滿足復(fù)雜地質(zhì)過程的多層次時空變化語義表達,采用面向?qū)ο蟮乃枷腴_展模型的邏輯組織結(jié)構(gòu)設(shè)計,根據(jù)功能劃分并設(shè)計出工程管理、地質(zhì)時空對象及要素管理、觀測及傳感器對象管理、事件管理、版本管理、過程管理和多因素驅(qū)動管理等單元模塊。(3)遵照模型的邏輯組織結(jié)構(gòu),為滿足地質(zhì)時空大數(shù)據(jù)管理和實際礦山生產(chǎn)應(yīng)用需求,開展系統(tǒng)應(yīng)用原型設(shè)計,并在原型求真的基礎(chǔ)上,進行系統(tǒng)設(shè)計和模塊劃分,完成模型物理結(jié)構(gòu)和相關(guān)接口設(shè)計。(4)基于可擴展的插件式開發(fā)系統(tǒng),通過地質(zhì)時空數(shù)據(jù)庫存儲訪問接口(STSDE),實現(xiàn)利用分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲和管理地質(zhì)模型、地質(zhì)要素及其相關(guān)數(shù)據(jù),包括幾何模型、顏色、材質(zhì)、紋理、要素索引、屬性及拓撲關(guān)系等數(shù)據(jù)。以基于文檔的分布式數(shù)據(jù)庫MongoDB為依托,采用數(shù)據(jù)庫分片和副本集群部署,并利用Web和控件等多種工具對其進行監(jiān)控和管理。(5)以王家?guī)X煤礦首采區(qū)和黃土坡滑坡區(qū)的鉆孔、地質(zhì)剖面、巷道等數(shù)據(jù)為依托,利用三維地質(zhì)建模技術(shù),構(gòu)建該區(qū)域的三維地質(zhì)模型,本文重點結(jié)合具體的三維地質(zhì)建模工作,即地質(zhì)素描圖三維投影建模,討論和闡述三維地質(zhì)建模技術(shù)在構(gòu)建地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型中的作用。(6)在構(gòu)建好的王家?guī)X煤礦首采區(qū)和黃土坡滑坡區(qū)三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,研究多傳感器數(shù)據(jù)接入下,監(jiān)測信息變化和動態(tài)過程模擬的存儲管理與數(shù)字化表達,具體包括：三維傳感器模型交互式安裝、傳感器觀測數(shù)據(jù)的實時接入、動態(tài)監(jiān)測信息實時可視化、基于OPC接口的動態(tài)過程構(gòu)建和基于多傳感器觀測過程構(gòu)建等。(7)在工程庫的存儲管理結(jié)構(gòu)框架下,研究系統(tǒng)動態(tài)過程模擬中事件管理機制、事件傳遞機制及時空對象變化機制,探索并利用OPC模擬器實現(xiàn)模擬觀測事件作用對象響應(yīng)過程。(8)依托地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型理論框架及其關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)原型系統(tǒng),實現(xiàn)礦山動態(tài)開采的過程模擬和滑坡過程監(jiān)測監(jiān)管應(yīng)用,并在應(yīng)用中調(diào)整和修改模型,驗證該地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型的可行性、有效性。研究、測試與應(yīng)用表明,該面向動態(tài)過程模擬和實時表達的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型的設(shè)計是有效的、合理可行的,其不僅可以兼顧傳統(tǒng)GIS與地質(zhì)信息系統(tǒng),利用先前空間數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù),而且可以通過分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的接口來實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng),支持?jǐn)?shù)據(jù)分片與集群管理,可以增加數(shù)據(jù)服務(wù)器,滿足地質(zhì)時空大數(shù)據(jù)管理。綜上所述,本項研究主要的創(chuàng)新點為：(1)提出一種“面向動態(tài)過程模擬和實時表達”的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型。該模型既可以融合數(shù)據(jù)多源與時空多維性、支持時間關(guān)聯(lián)與時間多粒,又能夠反映多層次時空變化過程中地質(zhì)空間與分布特征,支持復(fù)雜地質(zhì)過程成因分析、動態(tài)模擬與實時響應(yīng)等特點。(2)基于該地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型,利用NoSQL數(shù)據(jù)庫存儲管理地質(zhì)模型、地質(zhì)要素及其相關(guān)數(shù)據(jù),實現(xiàn)了對多傳感器接入情況下,人類采掘(礦山開采)、地質(zhì)災(zāi)害(滑坡)的動態(tài)監(jiān)測與過程模擬。本文所取得的這些研發(fā)成果,已經(jīng)應(yīng)用到國家863計劃主題項目“時空過程模擬與實時GIS系統(tǒng)”(2012AA121401)和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)信息科技研究所研發(fā)的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(GeoSTDMS)中,本項研究的成果對時態(tài)地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)和地質(zhì)時空大數(shù)據(jù)管理具有一定的借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：時空數(shù)據(jù)模型 動態(tài)過程模擬 實時表達 事件多因素驅(qū)動 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P208;P628
【目錄】：

• 作者簡介6-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 緒論17-28
• §1.1 研究的目的和意義17-18
• §1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-23
• §1.3 面臨的主要問題23-25
• §1.4 研究內(nèi)容與技術(shù)路線25-27
• 1.4.1 研究內(nèi)容25-26
• 1.4.2 擬解決的關(guān)鍵問題26
• 1.4.3 技術(shù)路線26-27
• §1.5 本章小結(jié)27-28
• 第二章 地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型28-41
• §2.1 地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型概念框架28-30
• §2.2 基于事件多因素驅(qū)動的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)概念模型30-31
• §2.3 礦山動態(tài)開采過程模擬用例分析31-35
• 2.3.1 需求描述31
• 2.3.2 關(guān)鍵類定義31-34
• 2.3.3 礦山動態(tài)開采時空過程描述34-35
• §2.4 滑坡過程監(jiān)測與動態(tài)模擬用例分析35-40
• 2.4.1 需求描述35-36
• 2.4.2 關(guān)鍵類定義36-39
• 2.4.3 滑坡時空過程描述39-40
• §2.5 本章小結(jié)40-41
• 第三章 時空數(shù)據(jù)模型邏輯組織結(jié)構(gòu)設(shè)計41-56
• §3.1 系統(tǒng)工程庫管理結(jié)構(gòu)41
• §3.2 地質(zhì)時空對象管理41-46
• 3.2.1 時空地質(zhì)對象邏輯框架42-43
• 3.2.2 三維地質(zhì)空間對象管理43-44
• 3.2.3 地質(zhì)時間對象管理44-46
• §3.3 觀測及傳感器對象管理46-47
• §3.4 事件驅(qū)動的運行管理及管道約束的傳遞機制47-51
• §3.5 版本管理51-53
• §3.6 過程管理53-54
• §3.7 多因素驅(qū)動模型管理54-55
• §3.8 本章小結(jié)55-56
• 第四章 基于NoSQL的多源地質(zhì)時空數(shù)據(jù)存儲與管理56-76
• §4.1 時空數(shù)據(jù)存儲訪問接口56-63
• §4.2 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計63-65
• §4.3 分布式地質(zhì)時空數(shù)據(jù)存儲65-66
• §4.4 主要存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計66-70
• §4.5 數(shù)據(jù)庫配置與監(jiān)控管理70-75
• §4.6 本章小結(jié)75-76
• 第五章 地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)76-112
• §5.1 三維地質(zhì)建模技術(shù)76-83
• §5.2 時空索引技術(shù)83-93
• §5.3 動態(tài)監(jiān)測信息實時可視化技術(shù)93-94
• §5.4 三維傳感器交互安裝與實時接入94-103
• §5.5 基于OPC接口的動態(tài)過程構(gòu)建方法103-107
• §5.6 基于多傳感器觀測過程構(gòu)建方法107-111
• §5.7 本章小結(jié)111-112
• 第六章 基于地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用112-119
• §6.1 應(yīng)用實例112-118
• §6.2 本章小結(jié)118-119
• 第七章 總結(jié)與展望119-121
• §7.1 論文總結(jié)119-120
• §7.2 待進一步研究的工作120
• §7.3 展望120-121
• 致謝121-122
• 參考文獻122-128

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  本文關(guān)鍵詞：面向動態(tài)過程模擬和實時表達的地質(zhì)時空數(shù)據(jù)模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：312660