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基于MATLAB的开采沉陷数据可视化应用研究

2023-12-22 37 上传者：管理员

摘要：针对传统编程语言在采矿区变形等值线绘制中不易实现的缺陷，本文提出了基于MATLAB的变形等值线自动绘制的方法，并研究了把生成的图形通过第三方软件生成标准的矢量图把矿区的变形表示出来。实验结果表明，在矿区变形可视化中，该方法对表达因采煤而造成的地表沉降具有良好的效果，在CAD中可以清晰地观察某地的变形情况。与传统的编程方法相比，MATLAB在开采沉陷数据可视化的实现和表达效果上具有一定的优越性。

关键词：
CAD
Matlab
变形等值线
可视化
开采沉陷
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矿物开采后往往会造成地表一定范围内的沉陷，导致地面各种变形如下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形[1],严重影响地表的建筑物、农田和水利设施。这种影响是立体的、持久的、多层次的，而且往往是严重破坏性的，进而对工矿区的经济发展和环境保护造成了严重的影响，威胁人民生命财产安全，制约着工矿区和工矿城市的可持续发展，给国家和人民带来了严重的经济损失。

随着科技的快速进步，特别是计算机的飞速发展，人们对因开采沉陷引起的地表变形的预计及可视化具有强烈的要求，引起了国内研究开采沉陷的工作者重视。如中国矿业大学的蔡来良、吴侃等人提出了基于VB2008的矿区变形等值线绘制，该方法从开发基层研究等值线在计算机的实现过程，具有一定的可扩展性。但是该方法操作步骤多，实现起来比较烦琐，而且在VB中绘制的图形不能自动生成矢量图形，没有与采矿区地形图结合生成可视化、可度量的图形。用传统语言VB、VC++编程效率较低，且大多程序在预计结果的可视化表达和处理方面存在很大的不足。MATLAB内置函数和图形显示功能强大而丰富，拥有灵活而又先进的接口技术和图形用户界面[2],因此，选择该平台实现矿区变形可视化。本文主要研究基于MATLAB的矿区变形等值线的变形数据的整理、等值线生成、标注、变形填充以及图形矢量化、可视化的步骤和方法[3]。

1、基于MATLAB的开采沉陷数据可视化流程

1.1 矿区沉陷数据可视化流程

矿物被开采之后会造成开采区地面的沉降，为实现地面变形信息的可视化及分析地表移动变形规律，在地面分别设立了沿工作面倾向和走向的观测线获取地表点的沉降信息。处理观测站的数据成果必须按照外业测量数据如实进行。由于沉陷数据是来自不同观测站不同时期的实测数据，在进行数据处理和可视化之前必须进行平差计算。处理好的数据即可进行变形值的计算，可以在EXCEL中根据各期观测值计算出各个变形值。数据可视化包括二维可视化和三维可视化，二维可视化主要以变形曲线、等值线以及等值线与地形图相结合表示，沉降信息的立体表达可实现三维可视化[4]。沉陷数据的处理和可视化的主要流程如图1所示。

图1 可视化流程图

1.2 数据的整理

在全面测量和日常监测过程中获取的监测数据通常都是矿区一定范围内监测点的三维坐标值即X、Y、Z值，但矿区变形值通常都是各监测点的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值，所以在进行矿区等值线绘制时首先要对观测值进行预处理，在地表移动前后，通过计算监测点坐标的X、Y、Z值可得到各点的移动和变形值。MATLAB软件可以读取excel、txt、dat等格式的文件数据。

1.3 开采沉陷数据的二维可视化

地表各点变形参数(如下沉、倾斜、曲率等)计算完毕后，即可用MATLAB软件对矿区变形进行可视化。二维可视化通常采用等值线图进行表达，借助等值线可以方便地分析沉陷对地表的影响范围与程度。在绘制二维等值线图之前首先要进行数据的调用，MATLAB中实现的代码如下：

global X Y Z

[FileName, PathName] = uigetfile('*.txt');

[X,Y,Z]=textread(strcat(PathName, FileName),'%f %f %f');

把整理后txt中的3列数据分别存入3个向量X、Y、Z中，以便用这3个向量绘制图形。

等值线的绘制一般基于对离散的点插值。MATLAB提供了多种等值线插值的方法可以迅速地将观测所得的离散数据转换为连续的等值线。将数据文件进行网化处理，用[x,y]=meshgrid(min(X):0.5:max(X),min(Y):0.5:通过max(Y))函数生成一个矩阵格网，其行为向量x、列为向量y。通过X、Y的最小值、最大值及步长值生成矩阵x与y,z=griddata(X,Y,Z,x,y,'cubic')命令是根据x、y矩形格网的顶点内插出顶点z值的大小，即m生成矩阵z,以便根据z矩阵绘制二维等值线图。以X、Y、Z矩阵为数据基础，通过MATLAB的内置函数contour来自动生成二维等值线图，根据Z值的最小值和最大值自动选择等值线的数量和颜色。

等值线图绘制好后需要对图形进行修饰与编辑。等值线各类标注可通过clabel 函数来实现，矩阵c 和h 分别为标注矩阵何等高线句柄[5],使用contourf函数对等值线进行颜色填充。等值线色标示例条可用colorbar 命令实现。程序编码为：

[c, h]=Contourf(x, y,z, n);

clabel(c);

colorbar

colormap gray

为图形添加修饰文字，横轴X坐标，纵轴为Y坐标，标题平滑内插后的等值线图，

程序编码为：

xlabel('X 轴');

ylabel('Y 轴');

title('平滑内插后的等值线图');

以刘集煤矿10414工作面的实测数据生成的等值线如图2所示。

图2 二维等值线图(水平移动)

1.4 开采沉陷数据的三维可视化

二维等值线图虽然能够清晰地表达开采工作面地区的沉陷情况，但是在表达上不具有直观性，如下沉盆地的立体效果不能生动地表示出来。随着测绘新技术的快速发展，开采沉陷数据的三维可视化成为研究的重要方向[6]。MATLAB提供了强大的立体绘图功能。实现立体图的绘制与等值线绘制方法类似，即先建立数据文件，随后选择插值方法，将数据进行网格化处理，最后利用生成的网格数据进行立体图的绘制。实现的代码如下：

global X Y Z

figure('units','normalized','position',[0.1,0.1,0.8,0.8]);

[x, y]=meshgrid(min(X):2:max(X),min(Y):2:max(Y));

z = griddata(X,Y,Z,x, y,'cubic');

prompt = {'等值线条数n: '};

tle = '输入等值线条数 ';

lines = 1;

def ={'20'};

answer = inputdlg(prompt, tle, lines, def) ;

n=str2num(answer{1});

[c, h]=Contour3(x, y,z, n)

clabel(c);

colorbar

colormap gray;

fc = get(gcf, 'color');

surface(x, y,z, 'FaceColor',fc, 'EdgeColor','none', 'CDataMapping','direct');

grid on;

light('Position',[40 100 20],'Style','local','Color',[0 0.8 0.8],'parent',logoax);

light('Position',[.5 -1 .4], 'Color',[0.8 0.8 0], 'parent',logoax);

xlabel('X 轴');

ylabel('Y 轴');

zlabel('变形值轴')

title('三维可视化图');

利用刘集矿区10414工作面开采沉陷观测数据绘制其开采沉陷的立体表面，如图5所示。

2、图形文件格式的转换

MATLAB软件生成的等值线图虽然可以方便地进行数据的查询与编辑，还可以处理各种空间分析，但是生成的等值线图还需要与其他系统(CAD、GIS)进行叠加分析。这就需要将MATLAB生成的图形转化为与其他系统兼容的格式。本文以转化为CAD兼容的格式为例。DWG格式是CAD默认识别的文件格式，将生成的等值线图转化为DWG格式需要借助第三方软件(Adobe Illustrator、PS)处理。MATLAB软件可以将图形直接输出为ai格式，ai格式是Adobe公司发布的矢量软件illustrator的专用文件格式，其具有空间小、速度快和方便格式转换等优点[7]。将ai格式的等值线图导入Adobe Illustrator软件中，进行简单处理，如去背景、格网、锐化处理可以直接导出DWG格式的文件。将生成的文件在CAD 中打开可以与采掘工作面地形图叠加处理及数据分析。

3、实例

为了验证MATLAB在开采沉陷数据可视化应用中的可行性，本文以永城市刘集煤矿10414工作面各期观测站实测数据为基础，来实现该地区开采沉陷数据的可视化。刘集煤矿10414工作面上覆岩层的地质条件相对复杂。10414工作面地表为农田及村庄，回采使地表塌陷。地面标高平均为+27.5 m, 工作面顶板标高为-625—-574 m。10414工作面构造位于童亭背斜东翼北端，总体上为一向东倾斜的单斜构造，地层走向为北西向，地层倾角4°—12°。10414工作面煤层平均采厚为2.95 m。煤层倾角平均为5°。而10414工作面位于其他工作面中间，受其他以采工作工作面影响较大，加上有断层影响，在传统制图软件中快速实现数据可视化有一定的困难。MATLAB有强大的数据处理计算与分析能力，并能通过后期制作增强图像显示效果。

处理各期观测数据，计算每个观测站的变形值，生成数据文件，利用MATLAB处理整理好的数据生成二维、三维等值线图，转换图形格式，导入CAD与其他图形叠置分析，三维可视化图如图3所示。

图3 三维可视化图(下沉盆地)

4、结束语

利用传统语言VB、VC++编程实现开采沉陷数据可视化效率较低，且大多程序在预计结果的可视化表达和处理方面存在很大的不足。实验表明，应用MATLAB软件可以快速而精确地绘制与输出的二维等值线图和三维等值线图，而且输出的图形美观，且易于修改各种参数，同时对计算机硬件要求较低，易于掌握，制图比较效果理想[8]。所以，MATLAB在采沉陷的数据可视化表达与制图上具有良好的应用前景。

参考文献:

[1]王磊,滕超群,江克贵.基于MATLAB和FLAC~(3D)的开采沉陷仿真教学实验系统研发[J].金属矿山,2021(3):176-183.

[2]周杰.基于GIS的开采地表变形预计分析与可视化系统研究[D].成都:西华大学,2019.

[3]刘占新,白丽扬,郭皓,等.综合应用VB和VBA语言的开采沉陷预计及治理系统开发[J].金属矿山,2017(5):111-118.

[4]张兵.开采沉陷动态预计模型构建与算法实现[D].北京:中国矿业大学(北京),2017.

[5]周林勇.基于MATLAB实现航道地形可视化[J].人民珠江,2019,40(4):153-158.

[6]李松松,周德亮.基于MATLAB地下水数值模拟的数据处理[J].勘察科学技术,2014(6):5-8.

[7]沈良朵,邹志利.融合MATLAB和SURFER的三维地形自动可视化处理[J].计算机工程与应用,2012,48(3):17-20,23.

[8]仵峰.用MATLAB 进行图形矢量化[J].中国农村水利水电,2007(8):31-33.

文章来源:刘飞,冷向晴.基于MATLAB的开采沉陷数据可视化应用研究[J].测绘与空间地理信息,2023,46(12):163-165.