三维水文地质结构模型（共8篇）
三维水文地质结构模型 篇1
广州大坦沙位于广州市西郊珠江主河道,为一面积约3.5km2的沙心洲,2007年,广州市政府通过了城建规划,大坦沙的定位是商务、旅游、文化休闲区。但该区域特殊的地质背景给建设带来了特殊的问题。近几年大坦沙岛一带发生了多起地面塌陷事件,规模较大,且连续发生,造成了较大的经济损失,严重影响了该区域的社会和谐与安全稳定。
历史资料表示,地表完全为松散层覆盖的大坦沙,其基岩地层以古近纪红层为主,另有若干晚石炭世灰岩地层以断裂接触方式存在。
广州城市地质调查项目于2005年9月由中国地质调查局下达任务书,2006年7月初通过设计评审,从广州城市的地质环境和地质资源的实际状况和自然属性出发,探讨广州城市地质与城市可持续发展之路。项目在大坦沙区域的工作卓有成效。
1 具体工作及成果总结
针对大坦沙地区的地质灾害问题和构造分析需要,广州市地质调查院(广州城市地质调查项目协作单位)在3.5km2面积范围之内施工了119个钻孔,进尺6868.24m,广东省地质调查院在大坦沙东侧的珠江河道中布置了了水上浅层地震测线。收集了珠岛花园、污水处理厂、地铁五号线建设项目、地铁六号线建设项目等各行业部门的工程勘查资料。
技术人员编制了大坦沙地区基岩地质图,绘制了东西、南北两个方向共18条剖面,剖面总长度达44.22km。
在上述工作基础上,依托于广州城市地质调查项目独立研发的三维地质信息系统,构建了大坦沙三维地质结构高精度模型。
我们对大坦沙地下的三维地质结构特征有了更为准确的认识。
大坦沙地下的基岩层位为白垩纪大塱山组和早石炭世石蹬子组。其中石蹬子组岩性主要为中～厚层状灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩,局部夹少量炭质泥岩,溶蚀发育,倾向北西。大塱山组可分为上、中、下三段,下段为复成分砾岩、灰质砾岩为主,溶蚀强烈,中段以中～厚层状姜状瘤状灰质砾岩、姜状瘤状砾状灰岩、含钙质泥质粉砂岩、含钙质泥岩、泥灰岩为主,岩溶作用非常强烈,上段中～厚层含钙质状粉砂、含砾含钙质结核泥质粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主,溶蚀较不发育。红层碎屑岩和晚古生代灰岩之间接触关系为角度不整合。
大坦沙地区断裂构造发育按规模可划分出三级。一级断裂为市一中南东方向隐伏的北东向断裂,钻孔揭露了厚层的构造角砾岩和破碎带,及其附近衍生的巨高溶洞,从空间分布位态上,推断为区域上广从断裂带通过大坦沙的表现。二级断裂为北北西、北西、北西西方向的几组断裂,其活动时代更为久远,活动影响范围稍有不如,局部地段有花岗闪长岩岩体和辉绿岩岩墙顺断面侵入喷发。三级断裂为一些次生断裂或者配套伴生的大型裂隙发育成长而成的断裂。这三级断裂纵横交错,将大坦沙岛的基岩区切割为棋盘格状。并有局部断裂的活动性呈现出控制第四系松散层堆积的特征。
第四系覆盖层厚度17.8m～28.7m,以较厚的砂层为主,土洞较发育,多分布在隔水—透水—隔水型地层中。
2 地质环境问题剖析
据不完全统计,至2003年至2008年,大坦沙岛及附近区域共发生地面塌陷或地面沉降达21宗,其中塌陷17宗,地面沉降4宗。大坦沙岛地质环境条件脆弱,可溶岩的存在,岩溶、土洞发育,盖层结构松散,地质构造发育等均成为地面塌陷的基础要素。桩基和钻探施工是塌陷发生的直接诱因,17宗地面塌陷灾害有6宗属桩基或钻探施工,占35%。施工抽取地下水,致使下部岩溶裂隙溶洞水水位降低,通过岩溶管道对远处形成吸虹作用,地下水携带盖层物质进入岩溶通道,形成地面塌陷。部分塌陷区与抽水点的距离远,有的达1km以上,可能与沿断裂岩溶管道的真空吸蚀作用有关。
3 一点建议
地质灾害防治主要措施采取预防为主,加强地下水及地质环境监测保护力度,加强地质灾害危险性评估与岩溶塌陷预警、预报。在设计桩基时,不能选用岩溶上方的盖层作为持力层。桩基应该穿过岩溶发育面,选用岩溶下方的稳定基岩作为建筑物的持力层。调整地基与基础设计规范,严格限制在隐伏岩溶区采用钢筋混凝土静压桩或其他摩擦桩。对建筑物高度也应该有适当的限制,以免超过荷载极限诱发塌陷。
三维水文地质结构模型 篇2
上海市三维地质结构调查主要方法、成果及其应用
城市地质调查工作的基础为地质结构调查,本文在已完成的上海市三维地质结构调查的.基础上,对城市化地区进行地质结构调查和评价的方法、成果进行了总结,包括城市地质工作部署、调查方法、成果及其应用等,以期为类似城市和本市后续开展的城市地质工作起到借鉴作用.
作 者：严学新 杨建刚 史玉金 李晓 吴建中 谢建磊 王治华 徐明德 Yan Xuexin Yang Jiangang Shi Yujin Li Xiao Wu Jianzhong Xie Jianlei Wang Zhihua Xu Mingde 作者单位：上海市地质调查研究院,上海,200072刊 名：上海地质英文刊名：SHANGHAI GEOLOGY年，卷(期)：“”(1)分类号：P5关键词：城市地质 地质结构 调查方法 成果应用
三维水文地质结构模型 篇3
关键词:细胞 模型 制作
中图分类号:G633.91文献标识码:A文章编号:1673-9795(2012)01(c)-0106-01
生物学科是一门自然科学,研究也离不开模型的构建。模型是人们为某种特定目的对认识对象所作的一种简化概括性描述,这种描述可以是定性的也可以是定量的。模型有物理模型、数学模型、概念模型,制作真核细胞的三维结构模型(人民教育出版社《分子与细胞》54～55页)是运用物理模型的方法,以实物的形式直观地表现对真核细胞三维结构的认识。这个物理模型的制作需要时间长、选择材料难、工作量大,下面将自己做法与大家交流。
1 制定“制作真核细胞三维结构模型”的评价标准及要求
真核细胞三维结构物理模型的制作科学性、艺术性要求高、需要时间长、工作量大、选择材料困难等,根据“三维目标”要求制定如下具体要求及评价标准。
构建真核细胞模型的评价标准。
完成时间:2011-09-25——2011-10-20。
学生个人或以小组为单位,制作真核细胞的三维结构试验模型,或计算机三维动画模型,或绘真核细胞结构图,或下载显微摄像的细胞图,以学习小组为单位上交作品,课代表评选出优秀作品,全班展评,颁发奖品,表扬鼓励。学生个人根据自己劳动多少合作态度自评等级,由组长负责同组讨论后为每位同学评定等级。
评级标准:
优秀,小组由组长负责制定完整设计方案,实施过程和具体分工,上交制作方案。选择材料恰当、实用、环保节能,作品大小比例适合,美观、大方、科学;作品具有创意,细胞各部分结构特点突出,便于观察,给大家有知识的享受,同时具有艺术家的享受,制作过程中能与同组同学积极合作,发现问题,解决问题。
良好,有完整的设计方案,上交制作方案。选择材料恰当、实用、环保节能,作品大小比例适合,美观、大方、科学;细胞各部分结构特点突出,便于观察。组内同学能积极配合。
合格,上交制作方案,上交制作作品。大小比例不恰当,缺乏科学性。
不合格,没有制作方案,没有上交制作作品。
2 制作展示
2.1 将学生分组,选出组长
教师将全班学生随机5～6人分成一组,每组由学生选出组长。
2.2 分配任务,制作模型
组长负责协调、分配工作任务、宏观设计、组装、交流信息、修改完善等任务。组长将细胞膜,细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、中心体、溶酶体、液泡(植物有)等工作,每个组员分配做一种或二種。任务分配后,组长负责,每个学生将自己制作的结构、功能,初步设想,一起交流讨论,大家提出修改意见。然后利用课后时间,完成各自制作的模型,各自完成后,组长负责大家一起组装、讨论、修改、完善。
2.3 展示、交流、评价
各组模型做好后,生物科代表组织将全班的模型展示、交流、质疑、反思、评价,具体做法:每组选一名学生向全班介绍自己作品的制作过程、材料选择、结构特点等,然后学生提问质疑,讲解人对提出的问题解答并提出修改完善的意见,课堂展示后,根据提出的意见,各组再修改模型,修改后将作品在教室展示一周,各组组长根据评价标准评定等级,最后由生物科代表、学习委员将各组评定等级统计,对各组做出最后评定等级,每个学生记一次过程性评价成绩。
3 学生在制作真核细胞三维结构模型过程中的靓点
3.1 材料选择
将鲜鸡蛋煮熟后,按90度角切去鸡蛋四分之一,蛋壳为细胞模型,蛋膜为细胞膜、蛋黄为细胞核,用牙签将蛋黄戳孔表示核孔,用橡皮泥捏成各种细胞器,固定在切面上,显示出内部立体结构;用苹果果皮做细胞膜、果肉做细胞质;小皮球壁做细胞膜,乒乓球做细胞核,海带丝做内质网、腐竹做高尔基体;沙布做细胞膜、凉粉做细胞质等等,真是五花八门,各具特色,学生在活动中表现出的丰富创造力和想象力是我没有想到的。
3.2 交流评价
各组讲解人介绍自己作品时,既有科学家的严谨致密,提问者有新闻记者的刁钻古怪,回答有外交家随机应变,又有小品演员的幽默风趣……,整个提问解答探讨过程,各抒己见,畅所欲言,对答如流,生动活泼,和谐有序,学生沉浸在科学的殿堂,思绪在细胞的结构中飞扬。体现科学性的提问,如在制作过程中如何体现细胞各部分结构大小比例、位置;功能方面的问题皮球壁如何体现细胞膜的选择性、流动性;凉粉做细胞质如何体现流动性;你作品的制作材料将造成环境污染,你们如何处理,有的学生当作工艺品长期保存,有的对自己的作品材料分析,在一定时间内将会被分解,不会造成环境污染;面对同学们咄咄逼人的低碳、节能提问,讲解人耐心的给大家算自己作品的成本价等等。学生在展示、交流、反思、评价中表现出的科学、自信、责任感令人惊讶。
3.3 学生收获体会
学生在制作报告中提到的收获体会普遍是:通过这次制作细胞模型,体验了制作过程的乐趣,更进一步掌握了细胞各组成结构及各种细胞器的显微结构与形态,以及它们的联系和功能;通过活动,小组成员加深了感情,培养了合作交流、语言表达、提出问题、解答问题的能力,还培养了多方面感知和考虑问题的方法,能够从不足中反思,在反思中改进,仔细斟酌,不断完善,通过大家合作努力,做出了一个既科学又实在且成本低廉的模型,在活动中我们获益匪浅;制作细胞模型,加深对细胞空间结构的认识,边做模型边考虑,更清楚地了解细胞各部分结构与功能,寻找符合要求的材料,更形象的联想到细胞器的作用,增强了动手动力,小组间的团结协作,对我们教育意义太大了;生物体是非常奥妙的,在动手做模型时才体会到快乐;实践与学习相结合,实践使我们记得更快、更牢,让人充实,充分感受到学习的乐趣;制作细胞模型还是很辛苦的,能体会到科学家工作的艰辛,我们应该尊重科学家;科学研究需要严谨性,但我们在严谨性的体现上做得不好,如无细胞质基质等缺点等等。学生在制作过程中,表现出的严谨、实事求是、享受到如此的成功、快乐是我没有想到的。
参考文献
[1]教育部.普通高中生物课程标准(实验)[M].人民教育出版社,2003(4).
[2]生物教师培训手册[M].人民教育出版社.
[3]普通高中课程标准实验教科书生物1分子与细胞[M].人民教育出版社,2007(2).
[4]普通高中课程标准实验教科书生物1分子与细胞教师教学用书[M].人民教育出版社,2007(1).
三维水文地质结构模型 篇4
在三维水文地质建模研究中, 由于其建模尺度上的差异, 一些地质现象, 如节理、劈理、线理等规模过小, 不会涉及到, 会涉及的地质现象主要是大尺度、大规模的, 如山地、平原、断层、褶皱等。
1 主要建模对象
1.1 地貌
地貌, 是指地球硬表面由地貌内外动力相互作用塑造而成的多种多样的外貌或形态。主要的地貌包括平原、台地、丘陵、低山、中山、高山、极高山、大陆架、大陆坡、大陆裙、深海平原等。
1.2 地层岩性
地层是指在一定地质时期内所形成的层状堆积物或岩石, 岩性是指一种岩石或岩石构造的所有物理属性。地层的上、下界面叫层面, 上层面又称顶面, 下层面又称底面。两个地层的接触面, 既是上覆地层的底面, 又是下伏地层的顶面。
地层的空间位置取决于地层的产状, 即地层的走向、倾向、倾角及地层的厚度。走向是指层面与假想水平面交线的方向, 它标志着地层的延长方向;层面上与走向垂直并指向下方的直线成为倾斜线, 它的水平投影所指的方向即为倾向, 倾向代表了地层面倾斜的方向;倾角指层面与假想水平面的交角;地层的厚度指地层顶底面间的距离。
由于同一地区在不同地质时期地壳运动的性质不同以及所形成的地质构造的特征不同, 就会造成新老地层之间具有不同的相互关系, 即接触关系。概括说来, 地层的接触关系主要有以下几种:
1) 整合接触
新老地层产状一致, 其岩石性质与生物演化连续而渐变, 沉积作用上没有间断。它表明该地层是在地壳运动处于持续下降或持续上升的背景中在沉积盆地内连续形成的。
2) 平行不整和接触
又称假整和接触。新老地层产状一致, 其岩石性质与古生物演化突变, 沉积作用上有间断。平行不整和接触表示老地层形成后, 地壳曾明显地均衡上升, 老地层遭受剥蚀, 接着地壳又均衡下降, 在剥蚀面上重新接受沉积, 形成新的地层。平行不整和在平面上和剖面上都表现为:不整和面上、下两套地层的界线在较大区域内呈平行展布, 产状也基本一致, 但其间却缺失部分地层。
3) 角度不整和
新老地层产状不一致, 其岩石性质与古生物演化突变, 沉积作用上有间断, 新老地层间又广泛的剥蚀面。角度不整和表示在老地层形成以后发生过强烈的地壳运动, 老地层褶皱隆起并遭受剥蚀, 形成剥蚀面, 然后地壳下降并在剥蚀面上接受沉积, 形成新地层。角度不整和在平面上和剖面上均表现为:不整和面上、下两套地层的产状有较明显的差异, 其间又缺失一部分地层;上覆较新地层的底面的界线 (即不整和线) 与下伏较老的不同层位的地层相交截。
1.3 构造
1.3.1 褶皱
褶皱是岩石受力发生的弯曲变形, 它是岩石中原来近于平直的面变成了曲面而表现。
要正确描述褶皱, 必须表述清楚褶皱的以下主要要素:
核部:泛指褶皱中心部分的地层;
翼部:系指褶皱核部两侧的地层;
转折端:系指从一翼向另一翼过渡的部分;
枢纽:在褶皱的各个横剖面上, 同一褶皱面的各最大弯曲点的联线;
轴面:是一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽联成的面;
1.3.2 断裂
断裂分为两种, 岩石破裂但沿破裂面无明显滑动者称为节理, 岩石破裂且沿破裂面有明显滑动者称为断层。由于建模尺度的原因, 我们这里的断裂特指断层。
要描述清楚断层, 需考虑它的主要几何要素:
断层面:断裂岩块之间发生相对滑动的滑动面;
断层盘:被断开的两部分岩块, 断层面上面的一盘称为上盘, 断层面下面的一盘称为下盘;
断层线:断层面与地面的交线;
断距:被错断岩层在两盘上的对应层之间的相对距离。
根据断层两盘相对滑动的方向, 断层可分为:
正断层:上盘沿断层面相对向下滑动, 下盘沿断层面相对向上滑动;
逆断层:上盘沿断层面相对向上滑动, 下盘沿断层面相对向下滑动;
平移断层:断层两盘沿断层面走向相对滑动, 断层面常近于直立;
1.3.3 透镜体
有的地层厚度不稳定发生一定的变化, 当它向两侧同时变薄和尖灭, 就形成了透镜体。
1.3.4 侵入体和盐丘
侵入体是地下高韧性岩体, 在构造力的作用下, 或者由于岩石物质间密度的差异所引起的浮力作用下, 向上流动并挤入上覆地层之中而形成的一种构造;盐丘是由于盐岩和石膏向上流动并挤入围岩, 使上覆岩层发生拱曲隆起而形成的一种构造。
1.4 地下水
地下水是指赋存于地面以下岩石空隙中的水。按照地下水的埋藏条件, 可将地下水分为上层滞水、潜水和承压水, 按照含水介质类型, 又可将地下水分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。
上层滞水是指, 当包气带存在局部隔水层 (弱透水层) 时, 局部隔水层 (弱透水层) 上会积聚具有自由水面的重力水, 这部分水便是上层滞水。潜水是指饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。承压水是指充满于两个隔水层 (弱透水层) 之间的含水层中的水。
2 主要建模对象的信息分类
在三维水文地质建模中涉及的研究对象较多, 有点状对象如高程点, 线状对象如钻孔, 面状对象如地貌、地层面, 体状对象如地下水体、孔隙度等。对于这些不同类型的对象需要用不同的数据类型来表达和存储, 而这些对象之间也存在着复杂的关系, 这些关系也需要在模型中表达出来。
从GIS角度来说, 矢量数据结构精度高, 容易表达拓扑关系, 数据存储量少, 图形输出精确美观, 图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都容易实现, 其缺点是数据结构和矢量叠置较为复杂, 数学模拟也比较困难, 且技术复杂, 对软硬件要求较高。而栅格数据结构简单, 空间迭置分析速度快, 数学模拟方便, 但其数据存储量大, 用大像元减少数据量时, 精度和信息量会受损, 图形输出也不美观。
一般来说, 在三维地质建模中, 多用矢量数据结构来表达几何模型, 用栅格数据结构来表达属性模型。本文中, 我们从构建几何模型和构建属性模型的角度, 将建模信息分为描述地质体空间几何形态的几何信息, 和描述附着在地质体空间几何形态上的属性信息两类, 具体内容参见表1。
3 结束语
总之, 利用现代计算机技术建立水文地质三维可视化模型, 不但减轻了水文地质工作者的任务, 方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展, 而且, 这样的模型还能将专业领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式表现出来, 它还将有助于不同领域间方便、正确的进行知识交流, 有助于决策者做出正确判断。
参考文献
[1]张永波, 张雪松, 张礼中.地下水资源信息化管理的可视化技术应用[J].地理学与国土研究, 2002, 18 (1) :87-89.
三维水文地质结构模型 篇5
关键词：水利水电工程,工程地质,三维地质建模,三维统一模型,地质信息分析
1 三维地质建模方法分析
1.1 三维地质建模应用型方法。
1.1.1 剖面框架法。
剖面框架法即在收集整理原始地质勘探资料的基础上建立分类数据库,人工交互生成大量的二维地质剖面,然后应用曲面构造法生成各层位面,进而表达三维地质模型。或者利用空间拓扑分析法直接进行地质体建模。而选择采用曲面边界建模还是体元拓扑数据模型又包含很多的具体方法。
1.1.2 多源数据耦合建模法。
即耦合原始地质勘探数据和二维解释剖面等多种来源的地质数据,应用曲面构造法或拓扑分析法进行三维地质建模。由于数据的多源性导致其数据结构难以统一,使其实现具有一定难度。但随着计算机技术的发展,人们更倾向于综合考虑如何利用有限的可利用数据进行模型重建。
1.2 三维地质建模方法分析。
根据对三维地质建模空间对象的特征分析可知,所建立的模型要能够全面表达地质对象的几何形态、空间拓扑关系和属性信息。由于地质体位于地表以下,地质工作者通过对离散信息的分析、解释来推断整个地质对象的三维基本特征,这种分析、解释和推断通常是在一系列二维剖面上进行的。同时,考虑到目前地质工程师和设计人员的工作方式,要求在三维地质建模与分析中也能够在二维环境下对地质对象进行交互式操作以达到表达、分析、解释、推断和修改地质模型的目的。
基于二维剖面进行交互式操作获取地质对象的三维特征,同时耦合原始勘探数据进行精度控制和修正,是重建三维地质模型的一条实用途径。
2 水利水电工程地质信息分析
2.1 岩体质量可视化分级建模分析。
岩体质量分级是评价岩体工程地质条件的重要手段,其目的是为查明各级岩体的工程特性提供基础,达到为工程设计提供定量指标,并起到工程地质专业与设计专业间交流和沟通的桥梁作用。因此根据水利水电工程区岩体结构特征和岩级分类原则,按岩体质量分级类别构建相应的三维岩级模型,可使工程师更加直观地理解岩体好坏情况,并指导工程设计。岩体质量分级三维模型也将是下述地质分析的重要对象。
2.2 三维模型的任意剖切地质分析。
地质工程师对于整个工程区域内的地质条件往往难以全局把握,需要对地质体各个不同剖面方向的地质特征进行综合研究与多角度认识,而设计人员则希望能够准确直观地看到主要建筑物附近的岩体质量情况。因此,实现对三维地质模型和岩级分类模型的任意方向、任意位置、任意深度的实时剖切分析,可使不同专业的工作者都能观察到地质实体内部结构、空间特征和变化规律,并能直观理解岩体质量对工程的影响状况。此外,目前工程师们大都更习惯于查看和利用二维CAD图,而在传统绘图过程中,一个地质工作者仅绘制一个剖面图就需要长达一个星期的时间,效率极低,而且还无法适应设计人员的变化,所以在获得三维剖切图的基础上自动高效地生成规范的二维CAD图显得非常必要。
2.3 大坝工程地质分析与优化设计。
在水利水电工程地质研究中,所有的地质勘探和分析计算工作都是为工程的设计和施工指导服务,为工程建筑物的合理性和安全性提供基础数据,因此不能脱离工程去分析研究纯粹的地质体或地质现象。大坝工程是水利水电工程建设中的主体工程,大坝建基面的合理选择和坝基、坝肩处理等都与坝区地质条件和岩体质量有着密切的关系,因此针对大坝工程进行地质填挖处理分析,不仅可以清楚地认识大坝所处的具体岩体条件和处理措施效果,而且可通过对不同的坝型和建基面方案提供地质方面的决策依据,有利于大坝工程优化设计。
3 结语
利用传统的二维、静态方式来处理工程地质资料、分析工程地质问题,不能使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况,难以满足地质工程师、设计人员地质空间分析的实际需求。因此,在为水利水电工程建设服务的前提下,针对多源地质数据的耦合分析、地质体的复杂性、信息量大、分析要求高、地质构造的动态性、模型的可靠性及其快速更新修改等难点,融合水利水电工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多个交叉学科的先进理论技术,提出了实现水利水电工程地质信息三维建模与分析的理论方法,这是一项提高水利水电工程勘测、设计和施工水平的基础性课题。
参考文献
[1]韦港.加速三维实体地质模型在计算机上的实现[J].水力发电,2006,4:41-43.
[2]胡瑞华.水利水电工程三维地质模型的研究和应用[J].人民长江,2008,33(6):57-58.
[3]柴贺军.岩体结构三维可视化及其工程应用研究[J].岩土工程学报,2008,23(2):217-220.
三维水文地质结构模型 篇6
徐深气田是我国东部陆上发现的最大火山岩气藏,储层埋藏深、中-低孔、低渗或特低渗透。储集空间类型以原生为主、次生为辅,单井产量以中低产为主,一般需压裂投产方可获得工业气流,气、水分布复杂且普遍发育底水[1,2]。
针对徐深气田已投产的开发井产能较低、低效井较多、成本高、储量动用程度低、经济效益较差的实际。2007年以来开展了地震、地质、测井等多学科综合精细地质建模技术研究。通过三维地质模型不确定性影响因素分析,形成一套深层火山岩气藏构造和储层预测不确定性分析方法。通过充分有效利用地震、钻井、测井、录井等资料建立三维地质模型。突出了火山岩成因和成储、成藏机制,最大限度地降低了构造和储层预测的不确定性。比较客观地反映了火山岩气藏地质模型中包含的不确定性。在徐深气田火山岩气藏开发井位优选、水平井钻井轨迹优化设计和随钻地质导向中发挥了重要作用,取得了比较好的实际应用效果。
1不确定性影响因素分析
由于已知资料的丰度和精度不足、人们对构造和储层的认识不足和建模算法不完善等诸多因素影响,三维地质模型中往往包含一定程度的不确定性,难以真实准确地反映地下构造和储层的实际发育状况,给油气田的科学勘探和高效开发带来了很大程度的风险性[3,4,5]。徐深气田火山岩气藏三维地质模型不确定性主要集中在两个方面:一是构造预测不确定性,二是储层预测不确定性。
1.1构造预测不确定性影响因素
构造预测不确定性影响因素主要包括成因地层格架建立、地震构造解释和地震速度场建立等三个方面。
1.1.1 成因地层格架建立
从成因角度看,火山岩形成与全球或区域性火山活动有关,是地球内部岩浆突破上覆岩层喷出地表形成的,主要集中在地壳岩层相对脆弱的部位,如地壳板块缝合带、断裂带、断层或早期火山活动的通道等,通常呈点状、串珠状和条带状分布,平面上分布范围较小,可追溯对比性较差。一般地,近火口的爆发相、喷溢相和侵出相火山岩地震响应呈杂乱弱反射特征,远火口的爆发相和火山沉积相地震响应呈较连续反射。因此,针对火山岩的成因特点,充分利用火山岩与碎屑岩地震响应的差异性,井震联合进行地层层序划分与对比,是建立成因地层格架的关键。
1.1.2 地震构造解释
由于火山岩是地球内部岩浆突破上覆岩层喷出地表形成的,对前期的沉积层序具有一定程度的破坏作用,而且火山活动的间歇期往往发育部分碎屑岩沉积。因此,充分利用火山岩成因地层格架,结合地震响应特征,建立符合实际的火山岩成因模式,是地震构造解释的关键。
1.1.3 地震速度场的建立
没有一个较高精度的地震速度场,就很难得到较为准确的深度域构造模型。对于徐深气田这样的开发欠成熟的火山岩气藏而言,由于空间上相变快、各向异性强,加之工区面积大、井网密度低,仅仅依据合成地震记录获得的井筒位置的地震速度进行空间上的光滑插值建立的地震速度场,很难获得满足气藏开发需要的构造模型。
1.2储层预测不确定性影响因素
储层预测的最终目的就是要尽可能真实地再现地下储层空间上的真实发育状况,获得一个唯一的、高精度的地质模型。储层预测不确定性分为客观和主观两种,其影响因素主要包括岩性和物性资料、构造模型、储层成因规律和建模算法等四个方面。事实上,无论是客观不确定性,还是主观不确定性,人们都只能尽可能地降低,而无法从根本上予以消除。如同测量误差在所难免一样,储层预测的不确定性也是在所难免的。
1.2.1 客观不确定性
岩性和物性资料与构造模型是储层建模的物质基础。这个基础确定了,客观的储层预测不确定性就随之确定了。这种不确定只有通过增加钻孔和提高勘测精度来尽可能的降低,在现有资料基础和勘测技术条件下,人们无法凭借主观认识予以降低或消除。
1.2.2 主观不确定性
储层成因规律和建模算法是影响储层预测不确定性的关键因素。因受人的知识掌握程度、技术熟练程度和经验丰富程度以及建模算法的局限(确定性算法可以获得唯一的储层预测模型,但模型中往往包含一定程度的不确定性;随机模拟算法可以得到多个等概率的实现,人们可以利用多次随机模拟实现评价储层预测的不确定性,但很难获得唯一的储层预测模型)等因素影响,人们获得的认识往往是有限的,当落实到某一具体点时,认识与实际往往存在很大的偏差。这种主观不确定性是受人为因素制约的,可以通过不断提高人员素质和完善数学算法来尽可能地予以降低。
上述不确定性影响因素中的任何一个环节出现问题,都会不同程度地影响到构造和储层预测精度,给开发井位和水平井轨迹的设计带来风险,进而对气藏整体开发效果造成不利影响。统计徐深气田E区块三维地质建模前部署的5口评价井,实际钻遇情况与预测相差较大,构造预测平均绝对和相对误差分别高达78 m和2.2%,预测平均单井钻遇有效储层78 m,实际平均单井钻遇有效储层仅为12.4 m,预测平均绝对和相对误差分别高达65.6 m和529%,致使5口评价井均未获得工业气流。
2降低模型不确定性方法
2.1降低构造预测不确定性方法
2007年以来,针对火山岩成因特点,通过引入地震火山地层学[6,7]思想,从精细刻画火山机构入手,充分利用地震叠加速度谱资料,井震联合构建较高精度三维空变速度场,较大幅度地降低了构造预测的不确定性。
一是,充分利用测井资料制作合成地震记录准确标定地震地质层位,建立火山岩成因地层格架和喷发模式。
二是,采用“定源→定体→定旋回”火山岩成因层次描述方法井震联合开展地震资料精细构造解释(图1)。“定源”,即依据深大断裂分布,结合地震属性切片特征,确定火山通道位置;“定体”,即依据剖面和水平切片上的地震响应,精细刻画火山岩地层的顶、底界面;“定旋回”,即依据火山岩体内部地震响应和地震地质层位标定结果,精细刻画火山岩地层内部的喷发期次界面。
三是,以井筒合成地震记录获取的速度为硬数据,以叠加速度谱求取的速度体为约束条件,采用神经网络算法构建三维空变速度场。
四是,通过时深转换,依据构造运动和火山活动的期次性,精细模拟断层之间以及断层与火山旋回界面之间的空间配置关系,建立构造模型(图2)。
2.2降低储层预测不确定性方法
近年来,通过采用井震联合多属性协同建模方法(即从井筒资料出发,在火山岩成因单元控制下,以地震属性分析和反演数据体为协变量,采用多种类型数据协同随机模拟算法,建立储层模型),最大限度降低了储层预测的不确定性。
一是,通过地层的形变、压实和剥蚀量恢复,建立了徐深气田营城组时期古地貌模型,证实了徐深气田营城组时期火山活动以裂隙式喷发为主,伴生多个次火山口(图3)。
二是,通过密井网精细解剖和井震联合多属性协同模拟,建立徐深气田火山岩储层三元结构模型(图4)和岩石基质、裂缝、高储渗体等多孔介质三维地质模型(图5～图6),揭示了徐深气田火山岩成储和成藏机制:即原生(火山)作用控体,后生(构造运动和风化淋滤)作用控藏,裂缝和高储渗体(高孔、高渗储层单元)控产。高储渗体空间上断续零散分布,彼此被岩石基质所阻隔,裂缝起沟通两者的作用。
① 现今构造较高部位气井产能较高(图7左);
② 距离断裂较近部位气井产能较高(图7右);
③ 古地形较高部位和近火口部位气井产能较高(图8左);
④ 高储渗体厚度较大部位气井产能相对较高(图8右);
⑤ 靠近火山岩顶面部位有利储层发育概率越大(图9)。
三是,依据火山岩成储和成藏机制,从井筒岩心与测井资料出发,进行火山岩储层及其属性参数进行变差函数分析,以地震属性分析和反演数据体为协同变量,采用序贯指示和序贯高斯随机模拟算法[1,3,8],井震联合多属性协同建立了火山岩储层及其属性参数随机预测模型。
四是,依据徐深气田火山岩储层分类标准,通过多次随机模拟和不确定性分析,建立火山岩储层发育概率预测模型,进一步评价储层预测不确定性,对井位部署和水平井轨迹设计的风险性进行客观的表征。
3实际应用效果
通过采用上述方法和技术,三维地质模型突出了火山岩成因和火山岩成储、成藏机制,大大降低了构造和储层预测的不确定性。统计近年来徐深气田实施的8口水平井,构造预测平均绝对和相对误差分别控制在8 m和3‰以内,储层预测平均符合率高达91.9%,平均单井试气产能高达32.5×104 m3/d。
4结论
(1)火山岩气藏三维地质模型中包含的不确定性受已知资料的丰度和精度、人们对构造和储层的认识程度以及数学算法的完善程度等多种因素影响,人们只能通过各种手段尽可能地降低而不能从根本上予以消除。
(2)通过充分有效利用各种基础资料,采用突出火山岩成因和成储、成藏机制的构造和储层预测方法,可以最大限度地降低火山岩气藏三维地质模型不确定性。
(3)采用“定源→定体→定旋回” 火山岩成因层次描述方法,井震联合开展地震资料精细构造解释;
(4)采用合成地震记录与叠加速度资料联合构建三维空变速度场方法,进行地震构造解释成果的时深转换。
(5)通过古地貌恢复和密井网解剖,准确把握火山岩成储、成藏的主控因素,结合储层发育各向异性参数的提取,采用多属性协同随机模拟方法,建立储层及其属性参数随机预测模型。
(6)通过多次随机模拟和不确定性分析,建立储层发育概率模型,进一步客观评价三维地质模型的不确定性和开发方案的风险性。
(7)本文所采用的火山岩气藏构造和储层预测不确定性分析方法,充分有效利用了地震、钻井、测井、录井等资料,所建立的三维地质模型,突出了火山岩成储、成藏机制,最大限度地降低了构造和储层预测的不确定性,比较客观地反映了火山岩气藏地质模型中包含的不确定性,在徐深气田火山岩气藏开发井位优选、水平井钻井轨迹优化设计和随钻地质导向中发挥了重要作用,取得了比较好的实际应用效果。
摘要：通过影响三维地质模型不确定性诸多因素的分析,提出了“定源→定体→定旋回”火山岩成因层次描述方法。合成地震记录与叠加速度联合构建三维空变速度场方法、多属性协同随机模拟方法和储层预测不确定性分析方法,突出了火山岩成因和成储、成藏机制,客观反映了三维地质模型中包含的不确定性,最大限度降低了构造和储层预测不确定性。通过优选构造和储层发育的有利部位,部署并实施了多口水平井,取得了较好的实际应用效果。
关键词：火山岩,气藏,三维地质模型,不确定性
参考文献
[1]徐正顺,庞彦明,王渝明,等.火山岩气藏开发技术.北京:石油工业出版社.2010
[2]庞彦明,陈炳峰,杨双玲,等.松辽盆地徐深气田营城组火山岩储层三维地质建模技术.地质科学,2009;44(2):759—768
[3]吴胜和,金振奎,黄沧钿,等.储层建模.北京:石油工业出版社.1999
[4]计秉玉,赵国忠,李洁.多学科集成化油藏研究方法与应用.北京:石油工业出版社.2009
[5]王家华,张团峰.油气储层随机建模.北京:石油工业出版社.2001
[6]匡增桂,郭忻.地震火山地层学研究综述.海洋地质动态,2010;26(2):19—24
[7]王璞珺,张功成,蒙启安,等.地震火山地层学及其在我国火山岩盆地中的应用.地球物理学报,2011;54(2):597—610
三维水文地质结构模型 篇7
关键词：地面力学,三维模型,履带结构优化,挂钩牵引力,湿软土壤
履带车辆经过几十年的发展,发动机的功率逐渐增大,速度也得到提升。但从履带结构的进展来看,对于履带结构的研究改进较少,忽视了履带在增加驱动力方面的作用。文献[1]认为在不改变履带的总体尺寸和接地比压的前提下,改变履带板的结构参数是提高履带的推进性能和通过能力,保证工作可靠的有效途径。
对于履带板结构参数对车辆通过性能影响的研究,通常采用试验的方法,并已经得出了一些重要的结论。文献[2]通过试验的方法得出车辆的行驶阻力与履刺的厚度及履刺高度有密切关系,履刺厚度的增加使车辆的行驶阻力显著增大,履刺高度的增加会使行驶阻力略微增加。文献[3]通过试验的方法得出履刺的高度对车辆的牵引性能具有显著的影响,牵引力随履刺高度的增加而增大,但履刺高度受到车辆行驶的平顺性限制,同时也会增加行驶阻力。履刺厚度的增加使车辆的牵引性能降低,这是因为作用于履板上的垂直载荷由履刺和支承板共同承担,增加履刺厚度,履刺部分支承的载荷增加,支承板部分承受的载荷减轻,正压力减小,从而使履板的推力减小。因此如何选择履刺的高度及履刺的厚度,使其能够帮助车辆产生最大的通过性能依然是我们研究的难点和重点。
McKyes-Ali三维模型是用来测量因土壤破坏产生且作用在挡板上的阻力。在履带-地面力学分析中,相当于土壤破坏产生的剪切力作用在履刺上,而此时会给履带板带来推力。所以引用McKeys-Ali三维模型来进行有履刺履带的牵引力预测是十分可行的[4]。
本文应用预测挡板与土壤相互作用阻力的三维模型,结合贝克方法[5]和Xiu Lun WANG等人[6]的方法对履带-地面相互作用进行三维空间分析,根据相关参数和作用力的表达式,依据三维模型及相关学科理论,对典型湿软土壤条件下的履带结构进行优化,得出最佳履带结构匹配,从而为增加履带车辆的驱动力、提高履带车辆的越野机动性能提供技术支持。
1 基于三维模型湿软土壤条件下履带土壤相互作用分析
依据三维模型理论,在计算土壤能够提供的最大驱动力时,假设滑转率为100%,那么附着力、行驶阻力、挂钩牵引力可分别由式(1)、式(2)、式(3)计算。
WANG等人建议最大推力(附着力)由式(1)给出[6]
式(1)中,B为履带板宽度,L为履带板节距,λ为履刺厚度与履带板节距之比,γ为土壤密度,K为变形模量,δ为土壤-挡板外摩擦角,h为履刺高度,c为土壤内聚力,n为土壤变形指数,ca为土壤黏聚力,Z0为土壤沉陷量,q2为附加载荷,Nγ,Nc,Nq分别为与挡板参数、破坏角相关的因数。β为破坏角 ,φ为内摩擦角。
在较低的沉陷量,滑转率小于40%,后仰角小于10°时,行驶阻力的主要部分是压实阻力,采用贝克方法的思想求解压实阻力,有如下表达式[5]:
式(2)中:p1、p2为挡板表面压力。
目前,国内外履带车辆的履刺普遍采用的是较小的履刺,而且大量试验证明一般典型软土条件下满足h/tanβ≤(1-λ)L,此时挂钩牵引力为
式(3)中:i为滑转率,k为土壤变形系数,k=kc/B+kφ,kc为土壤内聚力变形系数,kφ为土壤摩擦力变形系数。
1.1 破坏角的预测计算
湿软土壤进行最佳履带结构匹配研究的相关数据见表1。
首先,以履刺高度为变量,确定预测破坏角β随履刺高度变化的关系。虽然破坏角与履刺高度的关系可通过因数Nγ来表示,但是在确定履刺高度h后,Nγ都要取最小值来确定β。这样,β和h就不能用确切的解析式来确定关系。不过在土壤条件确定后,针对每个h都有一个确定的β对应,所以可以采用赋值法[7]近似表示β和h之间的关系。取h的步长为0.5 cm,相对应β见表2。
破坏角与履刺高度的近似关系曲线如图1所示。
从图1中可以看到,土壤条件确定情况下,破坏角随着履刺高度增加而变大,但是变化不是特别明显。
1.2 沉陷量的预测计算
为了确定履刺高度对驱动力的影响,还要确定一个重要的参数沉陷量z。采用赋值法,以履刺高度为变量,确定沉陷量变化的系列值[7],见表3。
从表3中的数据可以看出,沉陷量随着履刺高度增加而减小,如图2所示。
1.3 挂钩牵引力的预测计算
对应于履刺高度变化的破坏角和沉陷量确定之后,即可按式(1)～式(3)计算出附着力、行驶阻力与挂钩牵引力随履刺高度的预测值。图3表示三个预测力与履刺高度的关系曲线。
图3显示,在一定土壤条件下,履刺宽度比确定情况下,单块履带板的附着力随履刺高度的增加而增加,但当履刺高度过大时,附着力开始降低,履刺起反作用;行驶阻力随着履带高度的增加而增大,且履刺越高,行驶阻力的增加速度越快;挂钩牵引力随着履刺的增加而增加,在履刺高度过大时,开始逐渐下降,并且下降的较附着力程度大,因为此时行驶阻力的增加程度较大。
2 基于挂钩牵引力最佳履刺厚度比的选择
从图3中可以得出,上述给出土壤条件下,在履刺厚度比为0.3时,履刺的最佳高度为10 cm。当然,这是在履刺厚度比确定的情况下,若改变履刺厚度比,应该会得到更好的牵引效果。下面以履刺高度为变量,改变履刺厚度比,以挂钩牵引力为评价标准,进行履带板结构的优化。
当履刺厚度比λ=0.1时,通过计算得出相应的沉陷量和挂钩牵引力的预测值,见表4。
同理,可以计算出当履刺厚度比λ=0.15,0.2,0.25,0.3时,沉陷量与挂钩牵引力的预测值[7]。
通过连续观察得出,履刺厚度比增加的情况下,履带获得挂钩牵引力逐渐减小。为了便于对比,将以上几组曲线绘于一张图中(图4)。
由图4可以得出以下结论:
(1)随着履刺高度比的增加,挂钩牵引力随履刺高度变化逐渐变缓。当λ=0.25时,曲线开始出现下降趋势。当λ=0.3,在h=10 cm时,挂钩牵引力已经开始减小,说明履刺高度变化对挂钩牵引力的作用,在一定范围内是有较大影响的。
(2)当履刺高度小于5 cm时,履刺厚度比的变化对挂钩牵引力无太大影响。挂钩牵引力随着履刺高度增加而增大。
(3)当履刺高度为5～10 cm时,挂钩牵引力随着履刺厚度比的减小而增大,而且挂钩牵引力随着履刺高度的增加而增大。
履刺厚度比越小,受剪切的土壤相对越多,那么土壤抗剪切阻力就会越大。这就造成图4中挂钩牵引力随着履刺厚度比变大而减小的现象,不过考虑到履带板材料的影响,履刺厚度比越小,履刺越薄,履刺本身的抗剪切能力就越弱。所以在选择最佳履刺厚度比时还要考虑履刺本身材料的影响。
在履带材料抗剪切强度足够的情况下,选择履刺厚度比λ=0.1为最好。若有强度很大的材料,则可选择更小的履刺厚度比,以获得更好的牵引性能。
就本文分析来看,对于履带行驶机构的最佳匹配,应在确定相应土壤参数及履带板宽度情况下,根据履刺高度变化,利用计算公式确定土壤破坏角。同时,确定沉陷量随履刺高度的变化关系。之后,根据数据积累,绘制挂钩牵引力随履刺高度和履刺厚度比的特性曲线。最后,依据履带的材料性能,选择合适的履刺高度和履刺厚度比,使履带拥有最佳的牵引性能。
3 结论
本文对三维模型在履带-地面相互作用分析中的应用进行了扩展,基于三维模型对履带结构进行优化,得到特定土壤条件下最佳的履带结构匹配,包括履刺高度、履刺厚度比等,从而获得最大挂钩牵引力,增加履带车辆的越野通过性能。研究结果为增加履带车辆的驱动力、提高履带车辆的越野机动性能提供技术支持。
参考文献
[1]杨超珍.大履刺履带的下陷性能研究.宁波高等专科学校学报,1995;2(1):45—50
[2]陈秉聪,范雅操,宁素俭.履带车辆行驶阻力的研究.吉林工业大学学报,1983;(03):12—27
[3]范雅操,单德福,刘谦贵,等.从单块履带板试验看某些因数对履带拖拉机牵引性能的影响.吉林工业大学学报,1982;(01):33—41
[4]Ibarra S Y,Mckyes E,Broughton R S.A model of stress distribution and cracking in cohesive soils produced by simple tillage implements.Journal of Terramechanics,2005;42(2):115—139
[5]Bekker M G.Introduction to terrain-vehicle.Michigan:The press of Michigan University,1969:273—278
[6]Wang X L,Nobutaka ITO,Koji KITO.Analysis of grouser dimension for optimum tractive performance.Proc.13th International Conferenceof ISTVS.Munich,Germany,1999:357—364
三维水文地质结构模型 篇8
随着互联网和计算机技术的快速发展,用于共享和重用的三维模型越来越多,因而,如何高效地进行三维模型的语义检索成为热点问题,而准确的模型语义标注是提高模型语义检索效率的重要前提。
三维模型的语义标注是为了建立起模型语义特征和低层内容特征之间的关系。按照标注方式划分,模型语义标注方法分为两种: 一是基于模型分割的语义标注方法。文献[1]结合本体领域知识和分割结果进行语义标注,此方法需要设计不同分类领域的本体结构,工作量太大。文献[2]利用已标注的训练模型以及模型的几何特征实现模型的语义标注,但是所使用的分割方法并不能满足语义标注的需要。二是基于模型整体的语义标注方法。文献[3]以用户反馈的语义关系为三维模型语义属性,通过以语义属性为根据确定的语义距离来判断语义群,并结合少量样本关键字确定语义标注词汇。文献[4]通过权衡模型内容特征相似性、样本模型标注结果、WORDNET语义相似度计算规则、以及相关反馈四个方面确定最终的标注结果,精确了标注效果。文献[5]结合了基于正交投影图像边缘夹角的模型检索算法和Jiang&Conrath提出的计算语义相似性算法,对模型进行自动标注,提出了一种改进的自动语义标注算法,该算法在提高模型查找和语义词汇匹配准确率的基础上有效地改善了自动标注效果。文献[6]通过利用深度信息的特征提取方法计算三维模型形状特征描述符和利用信息量理论定义的词汇相似度计算方法来进行语义排歧,结合深度特征和词汇信息量共同完成语义标注,实验结果表明该方法具有较好的准确性和有效性。文献[7]描述三维模型内容特征和语义特征之间的映射关系,较好地实现了模型库中三维模型的自动语义标注。文献[8]首先采用半监督学习方法进行标签传播,得到标注词汇置信度。然后采用一种基于最大后验概率准则的方法进行多标签学习,得到最终标注词。文献[9]使用人工标注词汇创建的概率模型对相似性度量方法进行调整,并通过相关反馈过程动态更新概率模型,提高语义标注的效果。文献[10]提出了一种基于半监督测度学习方法的三维模型语义自动标注方法。该方法在PSB数据集上测试表明,在利用大量未标注样本参与标注过程条件下同样能取得较好的标注效果。文献[11] 提出了一种基于模糊K近邻的三维模型半自动标注方法,解决了三维模型缺乏语义信息。文献[12]在获得模型“视觉词汇”的基础上,采用模糊k近邻分类算法,得到以概率表示的模糊分类结果,并据此用类别标签半自动地标注三维模型的语义,完善了模型文本标注信息。
三维模型领域广泛并且组织结构也比较复杂,很难开发出一种完善的三维模型分割算法,所以第一种方法没有被大范围接受和应用。在综合分析目前已有的模型整体语义标注方法的基础上,提出了一种融合相似词汇概率、模型语义直接相关性和模型整体相似性的三维模型与语义词汇之间的相似度计算算法,并结合模型骨架节点的拓扑属性与局部突起的几何形状属性在模型检索中的应用,设计出了一种新的三维模型自动语义标注方法。
1 融合拓扑属性与几何形状属性的模型匹配
根据三维模型自动语义标注的步骤[13]可知,在建立一个三维模型样本库之后首先需要做的就是模型匹配,筛选出形状相似的模型。为了提高模型匹配的有效性,将反映模型拓扑特征的Reeb图骨架映射成树形结构,结合模型骨架树的拓扑特征和几何形状特征来计算三维模型的整体相似度,进而匹配出相似的模型[14]。
模型骨架节点的拓扑特征Tf定义如下:
其中,K为骨架树的最大层数,wi为骨架节点所属的骨架层的权值,deg( pi) 为骨架节点的出度。
模型几何形状特征Gf定义如下:
其中,Area( pi) 为骨架节点对应的连通区域的面积与模型总面积的比值,Cuve( pi) 为骨架节点对应的连通区域的网格点标准化后的曲率平均值,N为骨架节点对应的区域曲率极大值或极小值点的数目,Var( pi) 为骨架节点对应的区域曲率方差值,w1、w2分别决定模型突起性和形状性对形状特征的影响程度,由于影响程度相同,所以w1和w2都赋值为0. 5。
则模型S和R的拓扑相似性与几何形状相似性定义为:
其中,D为两模型对应骨架层的相差度,p和q为S和R在第i层骨架层上的骨架节点,因此,三维模型的整体相似度定义如下:
其中,wT和wG分别表示拓扑相似度与几何形状相似度对模型整体相似度的影响程度。
根据式( 4) 计算出待标注模型Ma和样本库中的模型Mi的整体相似度值Sim整体( Ma,Mi) 。按照模型整体相似度值的大小对样本库中的模型进行排序,挑选相似度值大于等于阈值τ1的前n个模型,即:
提取满足条件的样本模型的语义词汇,构建语义集合如下:
为了验证该方法的准确性,引入了一个待标注模型,图1为待标注模型与样本模型的匹配结果。此外,经过多次实验,在权衡标注效果后将全文所涉及到的所有参数设定如下,此后不再赘述。wT= 0. 6,wG= 0. 4,τ1= 0. 60,τ2= 0. 60,τ3= 0. 60,τ'3= 0. 70,α = 0. 5,β = 0. 2,γ = 0. 3。
2 三维模型与语义的相关性计算
2. 1 语义相似度计算
计算与待标注模型相匹配的样本模型所对应的语义词汇的相似度[15,16],首先计算词汇w的ic( Information Content) 信息量值,定义信息量公式如下:
其中,maxwn为分类中概念的最大数目,hypo( w) 为词汇w的下位词汇数目。
通过词汇的信息量值计算语义相似度,其计算公式为:
其中simres( wi,wj) = max( icres( w) ) ,wi∈W,wj∈S,W,S是两个不同的同义词集[17]。然后进行第二次筛选,确定阈值为τ2,令Sim语义( wi,wj) ≥τ2,wi和wj属于语义集合W1,将结果词汇集定义如下:
其中,k1为结果词汇集W2中语义词汇的数量。
通过式( 7) - 式( 9) 对图1中满足条件的样本模型的语义进行相似性计算并筛选,符合条件的词汇集合W2= { dog,horse,animal,pig,rabbit } 。
2. 2 模型与语义的相似度计算
通过2. 1节匹配出相似的语义词汇后,下一步需要做的就是计算待标注模型与这些相似的语义词汇的相似性,筛选出与待标注模型相似程度较高的语义词汇作为待标注模型的语义。
2. 2. 1 传统模型与语义相似度计算
对待标注的三维模型Ma和W2语义集进行相似性度量,公式如下:
其中,wi∈W2,Mi是词汇wi所对应的样本模型,max( Sim整体( Ma ,Mt) ) 为待标注模型和样本库中模型整体相似度最大值,ss( wi) 表示在语义集中相似词汇出现的概率值,其定义如下:
进行第三次筛选,确定阈值τ3,满足条件的词汇集合为:
其中,k2为满足条件的词汇数量。
我们通过式( 10) - 式( 12) 计算实例中词汇集W2的相似词汇出现的频率值及其与待标注模型间的相似度值并进行筛选,结果如表1所示,满足条件的词汇集合W3= { dog,horse,animal} 。因此,待标注模型的最终语义为{ dog,horse,animal} ,但是,从视觉上判断,词汇horse显然不是待标注模型的语义,而词汇horse和词汇animal与待标注模型的相似度值均为0. 69,不符合客观事实。
2. 2. 2 基于相关传递原理的模型与语义相关性度量算法
设模型Mk出现在第i次检索结果中,即Vki= 1,则Mk和目标模型即本文提到的待标注模型Ma之间存在着较强的直接语义相关性[18]。根据相关具有传递性的原理,L次检索结果中结果词汇和待标注模型Ma之间同样具有直接语义相关性,直接语义相关次数记为SemⅠ( wi,Ma) 。则将模型语义相似度计算公式重新定义如下:
其中,AVG( Sim整体( Ma,Mi) ) 表示经过模型整体匹配后的样本词汇所对应的样本模型与待标注模型的相似度平均值,例如,图1中样本词汇horse所对应的样本模型与待标注模型相似度平均值为0. 825。MAX( Sim整体( Ma,Mt) ) 表示模型整体匹配后样本模型与待 标注模型 相似度最 大值,例如,图1中MAX( Sim整体( Ma,Mt) ) = 0. 97。N总为匹配后的样本词汇的总数目。α、β、γ分别表示模型整体相似度,模型语义直接相关次数和相似词汇概率值对整个模型与语义词汇相关性的影响程度。
进行筛选,确定阈值τ'3,满足条件的词汇集合为:
其中,k'2为满足条件的词汇数量。
通过式( 13) 和式( 14) 计算实例中待标注模型与2. 1节中的词汇集W2的相似度并进行筛选,结果如表2所示。
3 实验结果与分析
本次实验平台为奔腾3. 0 GHz,内存为1 GB的PC机并在VC + + 6. 0与Open GL的环境下进行的,共使用了斯坦福大学数字图形库中的150个三维模型。根据人工标注的百分比设定模型样本库的规模。
为了验证在模型整体匹配过程中通过模型骨架结构的拓扑属性与几何形状属性来计算模型间整体相似度算法的有效性和准确性,使用了查全率和查准率两个概念来衡量。其中查全率定义为正确检索的相关模型与用到的所有相关模型的比值,查准率定义为正确检索的相关模型与检索返回模型之间的比值,具体见如下公式:
图2表示的是在实验过程中基于骨架结构的模型整体匹配算法的查全率和查准率,从图中可以很清晰地看出,查全率和查准率两方面都比较高,这充分表明了该方法具有非常高的有效性和准确性,同时也为下一步的模型语义标注打下良好的基础。
图3是文中提出的通过基于相关传递性的模型语义相似度计算算法进行语义标注与使用传统模型语义相似度计算算法进行语义标注的准确率对比图。从图中可以看出当人工标注百分比一定时,基于相关传递性的模型语义标注方法的准确率高于传统标注方法的准确率,表明基于相关传递性的模型语义标注方法具有较高的准确性。当人工标注百分比发生改变时,相同标注百分比的情况下,基于相关传递性的模型语义标注方法的准确率始终高于传统方法的准确率,表明基于相关传递性的模型语义标注方法具有较高鲁棒性。
4 结 语
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