二维河网系统分形动力学研究

河网系统是一个远离平衡态的、开放的复杂系统。现阶段认为河流的演变机理包括外在宏观形状表现以及内在微观动力学机制,而河流的演变也是二者之间的平衡转化。目前,使用分形理论对河流的特征及河床的演变发展研究已经成为一种重要的手段。鉴于分形理论运用的局限性,特别是算法有宏观形状而无微观机制的弊病,应用线宽和线面积这两个可以直接与河流动力学衔接的概念,推导了可以直接用绘制图形(河流)的线宽计算维数的线维数和线面积计算维数的面维数,实现了维数计算由点到线、面的突破,为河网分形发育程度与河流动力学及最小能耗等理论衔接提供了可能,即为构建河网外在形状和内在动力学的新理论,以及最终实现河流的宏观外在特征和微观内在特征的衔接提供了两种理论途径。

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。

基于小波变换的精密测量点云多尺度分解

为了减小多源跨尺度点云数据尺度与数据量上的差异,提出了一种基于小波变换的点云多尺度分解方法。对细节丰富的小尺度点云数据进行多尺度分解,以及尺度分解在跨尺度点云数据配准中的应用进行研究。首先,对小尺度点云进行栅格建模,建立全局点云二值表达函数。根据离散小波变换理论,对栅格点云进行多次的三维小波分解,利用小波尺度函数的低通特性,保留低频信息来获取原始小尺度点云的近似尺度数据。然后,基于面维数和差体维数差表征与原始数据的相似度,确定有效的小波分解级数。最后,将各级分解得到的点云数据与大尺度点云数据进行精确配准,并将配准关系应用于原始点云,提高跨尺度点云的配准精度。实验结果表明:本文提出的多尺度分解方法能够对数据进行有效分解,应用于某航空发动机叶片多尺度测量中,将显微测量的局部气膜孔小尺度点云数据与整体叶片结构光数据配准,配准精度提升了61.36%。该分解方法应用于叶片边缘与栅格零件多尺度测量中,配准精度分别提升了48.59%,43.86%。所提的点云多尺度分解方法能够有效分解小尺度点云数据,大幅提升跨尺度数据的配准精度。