3D GIS与有限元模拟无缝耦合方法及其在隧道工程中的应用研究

为实现数值模拟获得的各种场数据与GIS空间信息的综合集成,有必要对GIS中融合有限元数值计算的方法开展研究。本文采用GRASS GIS、VTK等开源软件,通过Python语言建立了GIS与有限元模拟的复合系统开发框架,针对隧道开挖编写了3DGIS与有限元数值计算无缝耦合分析程序(3DPyGisTFEM)。给出了由中心线上多条轮廓线生成隧道模型的算法,提出了对各地层DEM与隧道模型进行剖切运算获得隧道开挖地质剖面的方法。引入Delaunay网格剖分算法,对GIS中TIN模型不断改良,获得了适合有限元模拟的地质剖面三角形网格。基于多个剖面计算结果,运用插值手段,形成研究区域场数据,结合GIS空间分析方法,对场数据分布规律进行综合分析,实现了GIS与有限元的无缝耦合。黄家寨隧道工程实例表明,相对坡度、隧道中心线缓冲区等因素,地表距隧道拱顶高差的空间分布特征与地表沉降规律相关性更强。

基于MeshPy的3DGIS与三维有限元数值计算无缝耦合方法

3DGIS与有限元数值计算耦合方法及其系统开发,是目前GIS与岩土工程交叉学科的重要研究内容。通过对MeshPy、GRASSGIS、vtk Python以及Scipy等多个开源库的探索与编程实践,以Python为"黏合剂",构建了GIS与三维有限元数值计算无缝耦合的平台框架。在满足几何形状、Delaunay特性、角度、面积以及体积等约束条件下,通过MeshPy包含的Triangle与TetGen库获得能用于有限元数值计算的三角形与四面体网格,并阐述了限定Delaunay三角化(CDT)节点插入算法与四面体网格质量控制方法。以排土场为例,针对CDT网格建立的地表模型,结合vtkPython封装的模块与算法,提出了根据节点分布位置综合采用线性与三角形重心坐标的插值方法,有效消除了其他插值手段导致的部分地表高程畸变的现象。借助Scipy提供的矩阵运算模块,开发了邓肯-张E-?模型,给出了采用中点增量法进行非线性求解的算法,并通过对室内大型三轴剪切试验的数值模拟验证了程序的正确性。最后,对准东露天煤矿北部排土场堆排过程开展三维有限元数值计算,结合GRASSGIS对排弃物料高度与厚度空间分布规律的分析结果,对排土场边坡位移变化规律进行初步研究,结果表明,排土场垂直位移与排弃料高度及厚度相关,而最大水平位移则出现在各台阶坡体边缘位置,与实际情况一致。

SWMM模型与GIS组件的无缝耦合及应用

当前我国一些城市雨水排水系统不能及时排除地面积水,从而导致内涝,可能的原因是规划手段落后,需要寻求新的技术支持,而将SWMM模型与GIS组件进行无缝耦合是一条重要的解决之道。为了能够实现两者的无缝耦合,首先,对SWMM模型源码进行了深入分析,并利用C#语言封装成托管DLL,方便调用和移植;其次,提出了SWMM模型与GIS组件的耦合过程及工作机制,并实现了与Arc GIS组件的无缝耦合;最后,将研究成果应用到某新建镇的雨水排水工程设计中,并和传统手段的规划方案进行比较,发现在规划效率、管网平面布局、水力参数计算等方面,新方法都具有不可比拟的优势。

An attitude algorithm based on the band seamless splicing imaging for agile satellite

In order to realize fast maneuvering imaging of the target area with high resolution agile satellite, a new attitude matching algorithm is developed. A strict mosaic imaging model of ray trace and the velocity vector mapping are built according to the strip mosaic imaging principle and the relationship between imaging target and the camera focal plane. The three-axis attitude is deduced based on the principle of optimal tracking of the maneuvering path. Finally, the geometric scaling simulation is carried out through the time delayed and integration(TDI) charge coupled device(CCD) prototype system, satellite attitude control physical simulation platform and the LED earth target simulator. The experimental results show that the algorithm could realize the matching band seamless splicing imaging of the target very well, confirming the correctness of the algorithm.