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2020年  第39卷  第1期

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2020, 39(1).
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摘要:
环境地质工程
海岸带海陆交互作用过程及其生态环境效应研究进展
王焰新, 甘义群, 邓娅敏, 谢先军
2020, 39(1): 1-10. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0101
摘要 HTML全文 PDF下载 icon13885 icon5417
摘要:
海岸带是地球表层物质、能量和信息流通交换最活跃区域之一，具有动态变化的盐度、溶解氧等地球化学梯度，其界面过程体现在大气降水-河水-海水-地下水-沉积物之间的物质循环和能量交换。在人类活动与气候变化双重影响下，海岸带面临着气候灾害、海岸侵蚀、海水入侵、滨海湿地退化、水体富营养化以及重金属、新型污染物等生态环境问题，成为地球科学和环境科学领域研究的热点。本文围绕海岸带水文-生物地球化学循环、人类活动影响下的海岸带环境问题、海岸带环境对气候变化的响应、海岸带海陆交互界面观测新技术新方法4个方面，综述了国内外研究进展与发展趋势，展望了海陆交互作用及其生态环境效应研究的未来发展方向。
基于水稳定同位素的地下水型陆地植被识别:研究进展、面临挑战及未来研究展望
孙自永, 王俊友, 葛孟琰, 乔树锋
2020, 39(1): 11-20. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0102
摘要 HTML全文 PDF下载 icon826 icon3716
摘要:
地下水型陆地植被具有重要的生态服务功能，但正遭受严重威胁，亟需在水资源管理中予以关注和保护。准确识别地下水型陆地植被是其管理和保护的前提。水稳定同位素方法是识别地下水型陆地植被的唯一直接方法，其中：①直接比较法只能获得植物对地下水利用的定性信息，但目前的应用最为广泛；②同位素混合模型能定量评估植物对地下水的依赖性，近期随贝叶斯模型的引入取得了较大进展。当前，植物对地下水利用的时空异质性增加了基于水稳定同位素的地下水型陆地植被的识别难度，还限制了小尺度上的研究成果向大尺度上的拓展；部分植物以间接方式利用地下水，对地下水型陆地植被的识别造成了困扰；根系吸水过程中的同位素分馏和同一植株内木质部水同位素组成的时空异质性常使植物样品的代表性受到质疑；采集到具有代表性的地下水和土壤样品也是当前面临的一个主要挑战。为应对上述挑战，未来应加强3个方面的研究：①研发植物木质部水同位素组成的原位在线连续观测技术，提升基于水稳定同位素的地下水型陆地植被识别的时空分辨率；②借助控制性的同位素标记实验，精细刻画地下水-土壤-植物体系内同位素体的迁移和分馏过程；③将同位素观测与具有物理学意义的生态水文模型相耦合，提高定量评估的分辨率和降低不确定性，探索解决时空异质性和升尺度难题的途径。
江汉平原地下水化学特征及水流系统分析
梁杏, 张婧玮, 蓝坤, 沈帅, 马腾
2020, 39(1): 21-33. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0103
摘要 HTML全文 PDF下载 icon2564 icon4070
摘要:
江汉平原水质性缺水问题日益突出，识别江汉平原地下水流系统分布模式，对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义。选取江汉平原典型区域，综合水文地质条件、水动力场及水化学同位素指标深入分析地下水补给过程、水岩作用及滞留时间。得出由于碳酸盐岩的溶解，研究区的地下水化学类型属于HCO3-Ca·（Mg）型。地下水中典型离子随深度增加逐渐降低，同位素随深度增加逐渐偏负，表现出地下水流系统呈局部与区域水流系统的特点，系统深度界限在10~20 m。独立而复杂的局部水流系统在平枯水期地下水向河渠地表水排泄。根据3H的含量，局部水流为现代水，水循环交替迅速。受地形控制，中深层地下水总体由西和西北向东和东南径流，汇入汉江和长江，为区域水流系统。由于补给源的高程效应，区域水流的18O值存在明显分区，指示不同的补给来源与水流路径。山前丘陵区基本为现代水，向平原腹地纵深至汉江和长江排泄区，地下水年龄在几百年至6 000 a不等，水循环交替缓慢。研究发现江汉平原低洼排泄区存在区域水流的顶托补给，可为原生劣质水的分布与聚集研究提供依据。
典型纳污坑塘周边地下水污染来源识别及其健康风险评估
谢先军, 刘红杏, 高爽, 苏春利
2020, 39(1): 34-42. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0104
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摘要:
以典型纳污坑塘（污水库）周边地下水水质监测数据为基础，在对区内地下水污染源进行分析的基础上，采用水环境健康风险评估模型，对区内地下水污染健康风险进行了系统评价研究。污染来源识别结果表明：纳污坑塘周边第Ⅰ、第Ⅱ含水层地下水污染严重，其污染源主要为坑塘内堆放的工业污水以及工业废渣。污染健康风险评估结果表明：8号坑附近第Ⅰ含水层中砷浓度以及北库南侧第Ⅱ含水层中1，2-二氯乙烷总致癌风险分别为10-2、10-3数量级，远超可接受风险水平10-6。不同含水层中污染物平均致癌风险大小关系为，第Ⅰ含水层：砷>1，2-二氯乙烷；第Ⅱ含水层：1，2-二氯乙烷>砷> 1，1，2-三氯乙烷>四氯化碳。1，2-二氯乙烷等挥发性有机污染物4种潜在暴露途径的平均致癌风险大小关系表现为：饮用地下水>皮肤接触地下水>经室外吸入空气中气态污染物>经室内吸入空气气态污染物。相对于敏感用地，非敏感用地污染物的总致癌风险以及危害商较低。
城市化进程下北京平原渗流场与地面沉降发展演化模拟
成建梅, 柳璨, 李敏敏, 薛琪, 宫辉力, 梁腾飞
2020, 39(1): 43-52. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0105
摘要 HTML全文 PDF下载 icon568 icon3849
摘要:
北京地面沉降已有60多年的历史，其发生发展与半个多世纪城市的快速扩张密不可分。从整个北京平原地下水系统出发，梳理多年时间序列（1950-2015年）的城市发展规模、人口、水资源及开采动态等数据，结合遥感技术解译不同年代北京平原的不透水面变化，分析其对降雨入渗补给量的影响；构建整个北京平原含水层-弱透水层三维结构系统，借助PMWIN软件建立区域尺度的地下水流-地面沉降耦合模型，利用长期水位及沉降观测数据对模型进行识别验证；开展长时间序列的北京平原地下水水头场与地面沉降演化模拟，研究快速城市化进程下北京平原多层含水层系统渗流场演变与地面沉降响应特征。研究表明：长时间尺度区域地下水流场-地面沉降演化模拟基本再现了地面沉降形成和发展演化的过程；北京地下水开采历史与地面沉降发展历史具有一致性，而不同沉降区地面沉降发展受地下水开采和城市发展双重控制，是二者综合作用的结果。
岩质边坡非饱和带水汽运移机制及其生态学意义
周建伟, 苏丹辉, 袁磊, 温冰, 冯海波, 郑晓明, 尹作聪, 张安鹏
2020, 39(1): 53-59, 66. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0106
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摘要:
岩质边坡非饱和带水分对于边坡植物生长具有重要的生态学意义。目前对岩质边坡非饱和带水汽运移的系统性研究还很少，现有研究大部分集中在大气与岩体的接触面和凝结水能否生成的定性层面，而未将边坡非饱和带作为一个系统整体来研究。为了阐明岩质边坡非饱和带的水汽运移机制及其与边坡植物生长之间的关系，运用热力学和系统科学的理论，开展边坡温湿度监测试验，进行了详细的水汽运移机制的研究。研究发现，岩质边坡非饱和带内的水汽运移驱动力为水汽分压梯度，水汽从水汽分压大的位置向水汽分压小的位置运移。冬季时，水汽从边坡深部向浅部运移，夏季时，水汽从大气向边坡深部运移。岩质边坡非饱和带内存在水汽饱和带，夏季范围较大，冬季范围收缩。同时，通过对岩质边坡复绿植物的成活率进行监测分析，论述了岩质边坡非饱和带内的水汽内循环机制及其生态学意义。本文对于研究岩体非饱和带水文学、探索植物水分来源、指导岩质边坡复绿乃至干旱半干旱带的生态修复都有极为重要的理论和现实意义。
考虑表皮效应的径向溶质迁移模型以及半解析解
文章, 李旭
2020, 39(1): 60-66. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0107
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摘要:
径向示踪试验是一种非常有效的获取含水层弥散参数的试验方法，但传统径向示踪试验很少考虑抽水井附近的表皮效应（由于钻井施工工艺所导致抽水井附近一定区域水力性质发生变化）。建立了考虑表皮效应的单井注入示踪试验模型，并利用Lapalce变换以及数值逆变换获得了该模型的半解析解。系统分析了表皮区域水力性质对示踪试验穿透曲线的影响规律。研究结果表明：表皮区域的弥散度越大，穿透曲线早期的浓度越高，且峰值越高；表皮孔隙度越大，穿透曲线早期浓度越低，后期浓度越高；此外，散度差异也会导致浓度分布曲线在表皮区域与含水层界面处发生突变。总之，表皮效应对径向溶质迁移产生了较大的影响，有必要将表皮效应考虑到径向示踪试验中去。
水库滑坡成因机制研究进展与展望
李长冬, 龙晶晶, 姜茜慧, 付智勇
2020, 39(1): 67-77. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0108
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摘要:
滑坡是水库库区主要地质灾害类型之一，开展水库滑坡成因机制研究具有重要理论意义和工程应用价值。利用Web of Science（WoS）数据库和VOSviewer文献计量工具对1999-2018年已发表的969篇以水库滑坡为主题的相关论文进行研究趋势分析。文献计量分析表明三峡库区滑坡稳定性和变形研究是未来水库滑坡成因机制研究主要趋势。从库水对滑坡的宏观力学作用方式、库水作用下岩土体渗流应力耦合机理和库水对岩土体劣化作用过程等方面，对国内外水库滑坡成因机制研究的主要成果与进展进行了综述。综合现有的研究成果指出水库滑坡在精细化地质建模、岩土体多场耦合特征参数获取和岸坡长期演化评价等方面尚存在不足。基于上述问题，提出水库滑坡成因机制研究应以多场信息监测为重要手段，立足多学科交叉，采用大数据融合与挖掘和人工智能技术等解决水库滑坡长期演化趋势难题。考虑水库滑坡所处地质环境的复杂性，建议未来应在水库滑坡立体精细地质建模、多场关联监测、地质结构多场多尺度演变过程、基于监测数据大数据分析的滑坡预警阈值确定和原位试验综合平台构建等方面进一步深入研究。
基于Hoek-Brown准则的节理岩体能量参数估算
柴波, 陶阳阳, 杜娟, 台大平, 王禹
2020, 39(1): 78-85. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0109
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摘要:
岩体变形和破坏可以看作能量耗散和释放的过程。由于节理岩体结构复杂且难以开展室内试验，因此无法通过试验直接求取其能量学参数。基于Hoek-Brown准则和岩石能量理论，提出了节理岩体在临界状态能量学参数的估算方法。针对含贯通节理（或层面）岩体，通过修正岩块单轴抗压强度以体现贯通节理的方向效应。采用PFC3D分别模拟小尺寸岩样（Φ50 mm×100 mm）和大尺寸岩体（Φ2 m×2 m）的三轴压缩试验，通过岩石三轴试验结果拟合岩石数值模拟的细观参数并应用于节理岩体的模拟。根据节理岩体模拟得到应力应变曲线和能量流，验证了Hoek-Brown准则对节理岩体能量参数估算的合理性。
多功能高速远程滑坡运动堆积过程物理模型试验装置设计与应用
葛云峰, 李信杰, 杜彬, 仇雅诗, 赵斌滨, 郑海, 孙昊
2020, 39(1): 86-94. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0110
摘要 HTML全文 PDF下载 icon512 icon3498
摘要:
高速远程滑坡运动堆积过程影响因素众多，在物理模型试验装置研发过程中应满足多因素变化需求，从而实现多功能目的。该试验装置初始状态下（垂直角度=20°，水平角度=0°）长3.40 m，宽0.56 m，高1.35 m。设计有滑体体积调节、上滑槽坡度调节和下滑槽水平角度调节三大模块。材料上采用了3 mm厚不锈钢钢板与8 mm厚钢化玻璃2种材料，使用耐久性较好，并且采用分部件组装形式，安装有万向轮，便于实验仪器的搬运。基于砂子与卵石颗粒材料，应用所研发装置，初步开展了高速远程滑坡运动堆积过程物理模型试验，简要分析了滑体坡度、水平角度、滑体高度及基底材质等参数对滑动距离的影响规律。
资源地质工程
牵引流化重力流沉积过程与堆积机制:以渤海湾盆地歧口凹陷为例
王华, 陈思, 巩天浩, 余政宏, 黄传炎, 张悦辉, 赵睿
2020, 39(1): 95-104. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0111
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摘要:
以具备牵引流特色的重力流沉积体为载体的高效储集体，是陆相湖盆沉积学研究与勘探突破的重要领域。渤海湾盆地歧口凹陷沙一段发育的大规模多期次陆相重力流具有其沉积特征的独特性（面积约940 km2，纵向分布厚度约1.1 km）。依据水动力条件及沉积过程机制，存在层级递进继承型、渐进过渡型、兼并融合型3种牵引流与重力流动力学过程，细分为泥质碎屑流、砂质碎屑流、过渡型同生流、（高密度-低密度悬浮）似涌浪浊流、（高密度-低密度）准稳态浊流5种机制类型，并依据其发育背景识别出了滨海地区中央隆起带上以重力流水道为主导特征的水道型重力流沉积体系和受次洼地貌控制的面流型重力流。本研究细化了沉积动力学过程-堆积机制-沉积相-岩相一体化的关联性，确定了牵引流化重力流发育的关键控制因素。作为极具潜力的优质储层目标，陆相牵引流化重力流沉积体的研究成果在丰富理论体系的同时，对油气勘探新领域的拓展与突破具重要意义，具备生产实践价值，对于其他陆相湖盆油气勘探具有重要的借鉴作用。
涠西南凹陷流沙港组烃源岩生产力及发育模式
叶加仁, 赵牛斌, 杨宝林, 徐建永
2020, 39(1): 105-113. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0112
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摘要:
涠西南凹陷是中国近海北部湾盆地已证实的富烃凹陷，始新统流沙港组是该凹陷主要烃源岩层系。为深入认识涠西南凹陷流沙港组烃源岩的生产力和发育特征，采用有机地球化学与地球生物学相结合、定性分析与定量计算相结合的方法正演恢复了涠西南凹陷不同次洼流沙港组不同层段烃源岩的古生产力、有机质埋藏效率和有机碳埋藏生产力，进而建立了研究区流沙港组烃源岩形成的地球生物学模式。结果表明，涠西南凹陷流沙港组烃源岩的古生产力、有机质埋藏效率及有机碳埋藏生产力在横向不同次洼和纵向不同层段上均存在差异，横向上以B次洼最优，纵向上以流二段最高；涠西南凹陷流沙港组烃源岩发育超营养湖高埋藏效率高埋藏生产力、富营养湖中等埋藏效率中等埋藏生产力及富营养湖低埋藏效率低埋藏生产力3种代表性的地球生物学模式。
初论成矿场与矿产勘查意义
魏俊浩
2020, 39(1): 114-129. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0113
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摘要:
成矿场是指地质历史时期某成矿地区引起岩石变形的应力场，承载成矿作用引起流体效应的流体场，以及成矿元素迁移、沉淀、富集、叠加改造形成的物质场的总称。分析了一个成矿地区应力场、流体场、物质场的空间关系、研究内容与研究方法。根据成矿背景、控制因素、成矿环境将其分为7类成矿场，即：逆冲（推覆）-后伸展构造背景成矿场、走滑-伸展（伸展-走滑）-后逆冲构造背景成矿场、中酸性火山（次火山）岩浆活动背景成矿场、基性-超基性岩浆活动背景成矿场、盆地裂谷-海底喷流环境成矿场、外生海相建造环境成矿场、外生陆相建造环境成矿场。对前5类成矿场（以内生矿产为主）进行了系统的内涵表述。在此基础上对前5类成矿场的矿产勘查过程中关键地质因素进行了归纳分析，这对具体矿产勘查工作具有现实的指导意义。
轮古西奥陶系古潜山油藏油水界面的分布规律和控制机理
蔡忠贤, 于聪灵, 杨海军, 张海祖, 袁玉春
2020, 39(1): 130-136. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0114
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摘要:
碳酸盐岩古潜山油藏储层非均质性强烈，油、水分布特征十分复杂.以现代岩溶理论为指导，通过对轮古西奥陶系古潜山岩溶地表古水系的详细分级刻画，采用趋势面分析方法对古潜山岩溶残丘次级进行了划分，结合单井油水界面判识结果，对残丘级次的控油规律进行了综合分析，并运用油气差异聚集原理阐述了其控制机理。研究结果揭示了古潜山油藏部分油井油水界面分布受控于不同次级的残丘，从运移近源低部位向高部位油水界面呈抬升趋势，由一级残丘控制向二级残丘控制变化。这一分布规律本质上是油气差异聚集过程中不断抬升的岩溶沟谷决定的溢出点和相对独立的缝洞单元联合控制的。这一认识可为油藏开发方案的制定和调整提供重要依据。
天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考
宁伏龙, 方翔宇, 李彦龙, 窦晓峰, 王林杰, 刘志超, 罗强, 孙嘉鑫, 赵颖杰, 张准, 刘天乐, 张凌, 蒋国盛
2020, 39(1): 137-148. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0115
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摘要:
天然气水合物开采井眼出砂问题是当前水合物产业化急需突破的瓶颈之一，解决水合物开采时防砂与产能平衡问题是实现水合物安全高效、长期可控开采的关键。我国海域典型水合物储层属于弱固结的低渗泥质粉砂储层，其面临的防砂控泥与增产矛盾较为突出。厘清不同水合物储层和开采条件下的井眼出砂规律并揭示其机理，进而制定科学合理的防砂控泥措施以实现产能最大化是解决上述矛盾的途径所在。从理论分析、数值模拟、室内实验和现场试采4个角度介绍了世界范围内已开展的水合物出砂防砂情况，分析总结了水合物储层出砂影响因素及出砂机理，最后探讨了目前出砂研究存在的问题和挑战，并给出了相应的建议，旨在为后续水合物开采井眼出砂预测和防控研究提供思路和参考。
黔西逆冲滑脱构造及其对铅锌矿床的控制
杨坤光, 何良伦, 刘雨, 任厚州
2020, 39(1): 149-156. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0116
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摘要:
黔西地区位于上扬子地块西南缘，大地构造处于古特提斯构造域与太平洋构造域共同控制与影响的区域。该区广泛出露中上泥盆统-下三叠统（D2-T1）碳酸盐岩为主的沉积岩，下伏下泥盆统与志留系巨厚页岩和粉砂岩，构成了该区的底部滑脱层。在D2-T1碳酸盐岩为主的强硬岩层中夹有的页岩-粉砂岩、炭质页岩构成了次级滑脱层。在中生代，受上述两大构造域远程复合作用，黔西地区发生了多次构造活动与叠加变形。在挤压收缩过程中，强硬层与软弱层之间的滑脱作用形成了黔西地区复杂的构造格局。不同阶段不同规模的逆冲滑脱作用（顺层滑脱→切层滑脱→小型逆冲→大型逆冲）对铅锌富集起到了不同的控制作用。顺层滑脱形成了与层理一致的铅锌富集；切层滑动（小型逆冲）控制了稍陡于岩层的铅锌矿富集；小型平移或张性断层控制了陡倾铅锌矿的富集；而大型逆冲断层则控制了大型、超大型铅锌矿床的富集。因此，逆冲滑脱作用是控制黔西铅锌矿床富集的最重要因素。
新技术新方法
基于大数据的城市地质环境智能监管思路与方法
吴冲龙, 刘刚, 王力哲, 张志庭
2020, 39(1): 157-163. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0117
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摘要:
随着城市化进程加速，城市范围迅猛扩大，人口急剧膨胀，高层建筑林立，地下空间开发规模化，面临着水资源贫化、地质环境恶化和地质灾害频发等巨大挑战。为了有效地应对挑战，迫切需要在城市多要素地质环境调查并建立完善的信息系统的基础上，开展面向"智慧城市"的精细、全息三维地质建模，即建立新型的城市"玻璃国土"，实现城市地质环境时空透视，然后利用传感器、物联网和云技术，建立城市地质资源、地质环境和地质灾害动态监测数据链，最后基于地质科学大数据的同化、融合和挖掘技术，进行智能预警和管控。
面向地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究
刘刚, 吴冲龙, 何珍文, 翁正平, 阙翔, 田善君, 李旸
2020, 39(1): 164-174. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0118
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摘要:
随着传感器实时监测等高新技术在地质勘查或生产开发中的应用，形成了动态与静态并存、多源异构的地质时空大数据。然而，目前地质信息系统在地质数据组织管理方面，主要是静态地存储和表达出地质矿产勘查或生产开发在某个特定时期的状态，尚不能满足对勘查或生产开发过程中实时信息的存储管理，进而支持对地质过程的分析和研判。针对性开展了地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究，目标是能够融合数据多源与时空多维性，又能够支持时间关联与时间多粒性。针对地质大数据、地质过程的静态与动态数据紧密结合的特点，采用面向对象和基于事件的思想，提出了基于事件多因素驱动的地质时空大数据概念模型，并开展了相应的地质大数据存储管理逻辑模型、基于系统工程库的管理结构和地质时空对象管理模型设计。基于地质时空大数据逻辑组织管理模型和时空过程的非关系型分布式数据库架构，设计了地质大数据存储模型。融合三维地质建模技术、动态监测信息实时可视化等技术，构建了所需模型过程模拟的三维环境，通过绑定观测数据源，设计实现了基于OPC接口的模拟数据产生事件、作用对象响应的矿山动态开采流程。在王家岭煤矿首采区地质数据支持下开展了应用研究，实现地质时空事件条件下的矿山动态开采过程表达与数据管理，验证了本文模型的可行性和有效性。
基于等角度变比例投影的矿体轮廓线自动匹配方法研究
田宜平, 刘维安, 张夏林
2020, 39(1): 175-180. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0119
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摘要:
详细讨论了基于矿体轮廓线的三维建模方法中涉及的匹配对应、分支和构面建模等主要问题。针对轮廓线匹配问题提出了一种以矿体整体走向为投影方向，以相邻剖面中轮廓线总面积之比为缩放比例的等角度变比例投影算法，将不共面的轮廓线投影到同一平面中以完成共面轮廓线的匹配拓扑分析，从而解决轮廓线的对应问题。为了解决轮廓线的分支问题，设计了一种距离反比加权平均和样条函数相结合的自适应插值算法。最后通过采用实际矿山数据建模，对本文所提出的方法进行了有效性验证。

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