一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統的製作方法
2023-05-16 13:37:26
一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統的製作方法
【專利摘要】本申請公開了一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統，該方法包括：獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據；將地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據；對格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域，構建元胞自動機模型；利用構建的元胞自動機模型對地表下沉過程進行仿真。該方法能夠仿真較為複雜地質採礦條件下的礦產開採引起的下沉過程，動態模擬開採沉陷的開採影響範圍、下沉活躍的強度和面積等，並且得到接近真實情況的地表下沉結果，從而在很大程度上提高了對複雜地質採礦條件下礦產開採時的地表沉陷預測的準確性。
【專利說明】—種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統
【技術領域】
[0001]本申請涉及工業監測【技術領域】，更具體地說，涉及一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統。
【背景技術】
[0002]大規模礦產資源的開發和利用，給人類帶來巨大的經濟和社會效益的同時，也對人類生存的環境帶來了巨大的破壞影響。由於地下礦產資源在開採過程中，開採礦層的上覆巖層將出現位移和變形，引起的開採沉陷可導致一系列環境問題，甚至引發重大的地質災害事故，造成巨大的經濟損失及嚴重的社會問題。據不完全統計，我國自20世紀90年代以來，因煤炭開採形成的地表塌陷每年約2.2萬hm2，到本世紀初，我國的採礦業每年佔用和破壞的土地達3.4萬hm2。
[0003]而開採沉陷涉及到地質、採礦等多種因素，是一種複雜的三維、時空動態過程，地表移動是巖層移動傳播到地表的沉陷現象，反映了巖層移動的傳播方式和移動狀況。因此，在開採前就對可能引起的開採沉陷狀況進行一個合理的預測，並在開採過程中，實時對引起的沉陷過程進行監測，這樣才便於對安全生產進行指導。
[0004]目前，對礦區的地質分析以及沉陷過程的監測僅是借鑑地面觀測站的監測與預計研究成果。由於其利用的數據資料是位於觀測線上離散點集數據，即只利用了地面沉降觀測站布設的觀測線上的有限觀測點數據，因此所得的預測結果可靠性差，從而導致開採時地表沉陷的無法準確預知，造成環境的破壞以及經濟的巨大損失。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本申請提供了一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統，可以實現對複雜地質採礦條件下礦產開採時的地表沉陷更加準確地預測。
[0006]為了實現上述目的，現提出的方案如下:
[0007]一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法，包括:
[0008]獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據；
[0009]將所述地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據；
[0010]對所述格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域，構建元胞自動機模型；
[0011]利用構建的所述元胞自動機模型對地表下沉過程進行仿真。
[0012]優選的，所述地面空間數據包括:地面三維雷射掃描採集的數據和/或攝影測量獲取的數據以及沉降觀測站採集的數據。
[0013]優選的，所述構建元胞自動機模型包括:
[0014]A、將所述開採下沉影響區域進行劃分，以構建元胞自動機模型運行的元胞空間，並確定所述元胞空間中的每個元胞的鄰居結構；
[0015]B、根據經典預計方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩點，將所述初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合；
[0016]C、判斷所述失穩元胞集合中各元胞的穩定狀態，若所述失穩元胞集合中的元胞沒有達到下沉停止狀態，則更新該元胞的下沉狀態，並將該元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩的元胞加入影響元胞集合中；
[0017]D、判斷所述影響元胞集合中的高危失穩元胞的穩定狀態，若所述高危失穩元胞的失穩概率大於設定閾值，則更新所述高危失穩元胞的下沉狀態，並將該元胞加入所述失穩元胞集合；
[0018]E、迭代執行上述步驟C?D，直到所述失穩元胞集合為空。
[0019]優選的，所述鄰居結構具體為Moore型的鄰居結構。
[0020]優選的，還包括:繪製所述仿真結果對應的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。
[0021]一種基於元胞自動機的地表下沉仿真系統，包括:獲取單元、空間插值單元、分析單元、構建單元以及仿真單元，其中:
[0022]所述獲取單元，用於獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據；
[0023]與所述獲取單元相連的所述空間插值單元，用於將所述地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據；
[0024]與所述獲取單元、空間插值單元相連的所述分析單元，用於對所述格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域；
[0025]與所述分析單元相連的所述構建單元，用於根據所述分析單元確定的開採下沉影響區域構建元胞自動機模型；
[0026]與所述構建單元相連的所述仿真單元，用於利用構建的所述元胞自動機模型對地表下沉過程進行仿真。
[0027]優選的，所述地面空間數據包括:地面三維雷射掃描採集的數據和/或攝影測量獲取的數據以及沉降觀測站採集的數據。
[0028]優選的，所述構建單元包括:劃分單元、確定單元、失穩元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元以及迭代單元，其中:
[0029]所述劃分單元，用於將所述開採下沉影響區域進行劃分，以構建元胞自動機模型運行的元胞空間，並確定所述元胞空間中的每個元胞的鄰居結構；
[0030]與所述劃分單元相連的所述確定單元，用於根據經典預計方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩點，將所述初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合；
[0031]與所述確定單元相連的所述失穩元胞集合判斷單元，用於判斷所述失穩元胞集合中各元胞的穩定狀態，若所述失穩元胞集合中的元胞沒有達到下沉停止狀態，則更新該元胞的下沉狀態，並將該元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩的元胞加入影響元胞集合中；
[0032]與所述失穩元胞集合判斷單元相連的所述影響元胞集合判斷單元，用於判斷所述影響元胞集合中的高危失穩元胞的穩定狀態，若所述高危失穩元胞的失穩概率大於設定閾值，則更新所述高危失穩元胞的下沉狀態，並將該元胞加入所述失穩元胞集合；
[0033]與所述失穩元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元相連的所述迭代單元，用於控制所述失穩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行判斷過程，直到所述失穩元胞集合為空。
[0034]優選的，所述鄰居結構具體為Moore型的鄰居結構。
[0035]優選的，還包括:繪製單元，用於繪製所述仿真單元輸出的仿真結果所對應的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。
[0036]從上述的技術方案可以看出，本申請公開了一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統，該方法通過獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據，並對地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據，然後對格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域，從而構建元胞自動機模型，以對地表下沉過程進行仿真。該方法能夠仿真較為複雜地質採礦條件下的礦產開採引起的下沉過程，動態模擬開採沉陷的開採影響範圍、下沉活躍的強度和面積等，並且得到接近真實情況的地表下沉結果，從而在很大程度上提高了對複雜地質採礦條件下礦產開採時的地表沉陷預測的準確性，而且能夠更加精細的刻畫地表某一時刻下沉盆地的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
[0038]圖1為本申請實施例一公開的一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法的流程圖；
[0039]圖2為本申請實施例一公開的一種構建元胞自動機模型的流程圖；
[0040]圖3為本申請實施例二公開的一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法的流程圖；
[0041]圖4(a)為本申請實施例二公開的一種元胞自動機模型繪製的下沉等值線圖；
[0042]圖4(bl)為本申請實施例二公開的一種元胞自動機模型仿真模擬的沉陷區三維模型圖；
[0043]圖4(b2)為本申請實施例二所仿真模擬繪製的三維沉陷區模型圖對應的同期地面三維雷射掃描獲取的真實的沉陷區三維模型圖；
[0044]圖5為本申請實施例三公開的一種基於元胞自動機的地表下沉仿真系統的結構示意圖；
[0045]圖6為本申請實施例三公開的一種構建單元的結構示意圖；
[0046]圖7為本申請實施例四公開的一種基於元胞自動機的地表下沉仿真系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0047]下面將結合本申請實施例中的附圖,對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本申請保護的範圍。
[0048]由於現有技術中，對礦區的地質分析以及沉陷過程的監測僅是借鑑地面觀測站的監測與預計研究成果，其利用的數據資料是位於觀測線上離散點集數據，即只利用了地面沉降觀測站布設的觀測線上的有限觀測點數據，因此所得的預測結果可靠性差，從而導致開採時地表沉陷的無法準確預測，造成環境的破壞以及經濟的巨大損失。因此，本發明公開了一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法及系統，以實現對複雜地質採礦條件下礦產開採時的地表沉陷更加準確地監測，以避免環境的破壞以及經濟的損失。
[0049]實施例一
[0050]請參閱附圖1，為本申請實施例一公開的一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法的流程圖，主要包括以下步驟:
[0051]SlOl:獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據。
[0052]本步驟中，獲取的地面空間數據包括:地面三維雷射掃描採集的數據和/或攝影測量獲取的數據以及沉降觀測站採集的數據。
[0053]開採工作面布置情形可包括:埋藏的幾何條件、構造因素等自然地質因素，採區幾何因素以及技術因素等，
[0054]確定地質採礦條件的相關數據，如下山開採邊界採深Hl、上山開採邊界採深H2、平均採深H和採厚m等，其中，採深是指礦埋藏深度，採厚是指採出的礦產的厚度。選定參數:邊界角βρ Ytl，下沉係數q，拐點偏距Sl。
[0055]其中，開採工作面布置情形以及採礦地質數據均是從收集到的採礦沉陷區資料獲取的。
[0056]S102:將地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM (DigitalElevation Model,數字高程模型)面域數據。
[0057]預設解析度可以為米級:5m*5m、lm*lm等，也可以為其他解析度，在此不作限制，可以根據具體情況進行選擇。
[0058]S103:對格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域，構建元胞自動機模型。
[0059]根據預測影響區域的格網DEM數據和開採工作面布置情形及採礦地質數據，採用合適方法，如概率積分法、典型曲線法、樣條函數法等初步預計開採影響範圍，劃分確定的下沉影響區域，構建模型運行的元胞空間，並分別建立影響元胞集合和失穩元胞集合。其中，需要說明的是，元胞是指元胞自動機模型中演化的單元，本發明中是指地面劃分的格網，影響元胞集合是指地面受到下沉影響區域劃分的格網中所有格網的集合，失穩元胞指的是處於地面下沉期的格網單元，是由它周圍格網單元的狀態決定。
[0060]在本步驟中，如圖2所示，圖2為本申請實施例一公開的一種構建元胞自動機模型的流程圖，具體步驟如下:
[0061]S201:將開採下沉影響區域進行劃分，並確定元胞的鄰居結構。
[0062]本步驟中，將開採下沉影響區域進行劃分，以構建元胞自動機模型運行的元胞空間，並確定所述元胞空間中的元胞的鄰居結構。
[0063]對開採下沉影響區域進行劃分的結果是NxN的二維空間模型，以NxN的二維空間作為初始模型。其中:N為整數，代表一維上的格子個數。根據預測影響區域的DEM數據和開採工作面布置情形及採礦地質數據，採用概率積分法或其它方法初步預計開採影響範圍，取其邊界條件固定為零狀態，屬於虛擬格子，除去邊界，狀態空間上格子均勻分布，每個格子代表一個元胞，同時構建模型運行的元胞空間，並分別建立影響元胞集合和失穩元胞集合。
[0064]其中，該鄰居結構具體為Moore型的鄰居結構，它由一個中心元胞，即要演化的地面元胞以及位於中心元胞東、西、南、北、東北、西北、東南、西南8個方位並鄰近中心元胞的8個元胞組成。中心元胞在演化過程中與其本身和鄰居的8個元胞的狀態有關，即中心元胞的下一時刻的狀態由當前時刻自身的狀態和八個鄰居元胞的狀態來確定:
[0065]NMoore = IVi = (Vix, Viy) I I Vix-V0J ≤ 1，I Viy-Voy ≤ 1}
[0066]其中，Vix，Viy代表鄰居元胞行列坐標值，Vox, Voy代表中心元胞的行列坐標值。
[0067]S202:確定初始失穩點，將初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合。
[0068]在本步驟中,根據礦層走向與傾向確定相應的坐標系統Χ0Υ,依據經典預計方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上，即走向與傾向主斷面上確定初始失穩點，將初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合。其中，經典預計方法包括:概率積分法、典型曲線法、樣條函數法等。
[0069]初始失穩點由礦層的地質條件及地表的採動程度確定，其中地表的採動程度是根據採區尺寸大小作出判斷，用傾斜方向採動係數Ii1,走向方向採動係數n3表示:
[0070]gni〈l，n3〈l，則走向和傾向均為非充分採動；
[0071]若n,I, n3>I,則走向達到超充分採動,傾向未達充分採動；
[0072]Sn1Mj3U,則走向上為非充分採動，傾向上為超充分動；
[0073]若叫=I, n3 = I,則走向和傾向均為充分採動；
[0074]若η1>1, η3>1,則走向與傾向均達到超充分採動。
[0075]此外，當採動程度較小時，可以根據工作面尺寸來判斷地表移動盆地範圍，而達到充分採動後，工作面尺寸對地表移動變形值無影響。
[0076]S203:將失穩元胞集合中的未達下沉停止狀態的元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩的元胞加入影響元胞集合中。
[0077]本步驟中，判斷失穩元胞集合中各元胞的穩定狀態，若失穩元胞集合中的元胞沒有達到下沉停止狀態或達到最大下沉值的1.2倍,則更新該元胞的下沉狀態,並將該元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩的元胞加入影響元胞集合中。
[0078]最大下沉值的計算方法採用概率積分法預計方法，單元開採引起地表下沉值為:
【權利要求】
1.一種基於元胞自動機的地表下沉仿真方法，其特徵在於，包括: 獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據； 將所述地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據； 對所述格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域，構建元胞自動機模型； 利用構建的所述元胞自動機模型對地表下沉過程進行仿真。
2.根據權利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特徵在於，所述地面空間數據包括:地面三維雷射掃描採集的數據和/或攝影測量獲取的數據以及沉降觀測站採集的數據。
3.根據權利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特徵在於，所述構建元胞自動機模型包括: A、將所述開採下沉影響區域進行劃分，以構建元胞自動機模型運行的元胞空間，並確定所述元胞空間中的每個元胞的鄰居結構； B、根據經典預計方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩點，將所述初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合； C、判斷所述失穩元胞集合中各元胞的穩定狀態，若所述失穩元胞集合中的元胞沒有達到下沉停止狀態，則更新該元胞的下沉狀態，並將該元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩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元胞的穩定狀態，若所述高危失穩元胞的失穩概率大於設定閾值，則更新所述高危失穩元胞的下沉狀態，並將該元胞加入所述失穩元胞集合; E、迭代執行上述步驟C~D，直到所述失穩元胞集合為空。
4.根據權利要求3所述的地表下沉仿真方法，其特徵在於，所述鄰居結構具體為Moore型的鄰居結構。
5.根據權利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特徵在於，還包括:繪製所述仿真模結果對應的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。
6.一種基於元胞自動機的地表下沉仿真系統，其特徵在於，包括:獲取單元、空間插值單元、分析單元、構建單元以及仿真單元，其中: 所述獲取單元，用於獲取地面空間數據以及開採工作面布置情形和採礦地質數據；與所述獲取單元相連的所述空間插值單元，用於將所述地面空間數據進行空間插值，形成預設解析度的格網DEM面域數據； 與所述獲取單元、空間插值單元相連的所述分析單元，用於對所述格網DEM面域數據以及開採工作面布置情形、採礦地質數據進行分析以確定開採下沉影響區域； 與所述分析單元相連的所述構建單元，用於根據所述分析單元確定的開採下沉影響區域構建元胞自動機模型； 與所述構建單元相連的所述仿真單元，用於利用構建的所述元胞自動機模型對地表下沉過程進行仿真。
7.根據權利要求6所述的地表下沉仿真系統，其特徵在於，所述地面空間數據包括:地面三維雷射掃描採集的數據和/或攝影測量獲取的數據以及沉降觀測站採集的數據。
8.根據權利要求6所述的地表下沉仿真系統，其特徵在於，所述構建單元包括:劃分單元、確定單元、失穩元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元以及迭代單元，其中: 所述劃分單元，用於將所述開採下沉影響區域進行劃分，以構建元胞自動機模型運行的元胞空間，並確定所述元胞空間中的每個元胞的鄰居結構； 與所述劃分單元相連的所述確定單元，用於根據經典預計方法和/或地面觀測站布置情形，在觀測線上確定初始失穩點，將所述初始失穩點所在的元胞加入失穩元胞集合； 與所述確定單元相連的所述失穩元胞集合判斷單元，用於判斷所述失穩元胞集合中各元胞的穩定狀態，若所述失穩元胞集合中的元胞沒有達到下沉停止狀態，則更新該元胞的下沉狀態，並將該元胞的鄰居結構中沒有被引起失穩的元胞加入影響元胞集合中； 與所述失穩元胞集合判斷單元相連的所述影響元胞集合判斷單元，用於判斷所述影響元胞集合中的高危失穩元胞的穩定狀態，若所述高危失穩元胞的失穩概率大於設定閾值，則更新所述高危失穩元胞的下沉狀態，並將該元胞加入所述失穩元胞集合； 與所述失穩元胞集合判斷單元、影響元胞集合判斷單元相連的所述迭代單元，用於控制所述失穩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行判斷過程，直到所述失穩元胞集合為空。
9.根據權利要求8所述的地表下沉仿真系統，其特徵在於，所述鄰居結構具體為Moore型的鄰居結構。
10.根據權利要求6所述的地表下沉仿真系統，其特徵在於，還包括:繪製單元，用於繪製所述仿真單元輸出的仿 真結果所對應的地面三維模型圖和/或下沉等值線圖和/或三維剖面圖。
【文檔編號】G06F17/50GK103984839SQ201410244722
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】葛小三, 丁安民, 張彥, 付治河, 王石巖, 拓海燕 申請人:河南理工大學