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在陆地水循环及其地表过程的研究中，地壳运动和构造变形对地表形态的塑造和地貌的演化有着直接的影响，需要对地壳运动过程进行大量的观测和实验。野外观测方式具有很大的局限性，缓慢的地壳运动所需的观测周期非常长，观测急速的地壳运动（如火山喷发、地震等）又十分危险。因此，对于地学科学家来说，在实验室内模拟地壳运动对陆地水循环及其地表过程的影响是十分必要的，特别是地壳构造运动对流域、河道、河口演变的影响。地壳运动模拟系统是一种在实验室环境下模拟地壳运动的实验装置，该装置在探讨流域水循环与地表过程的耦合机理、河型的多角度成因等方面具有重要的理论和实际意义。 本论文结合中国科学院重大科研装备研制项目“陆地表层水土过程地壳运动模拟装置”，针对地壳运动模拟系统中的机械结构设计、四轴并联机构运动学建模与同步控制、地表形态构造方法和地壳板块位姿拟合方法等关键技术进行了研究，完成的主要工作有: 1.对地壳运动模拟系统的研究背景、意义和国内外发展现状进行了综述。从机械结构设计、地表形态构造方法、地壳板块位姿拟合方法、四轴并联机构控制方法等四个方面对地壳运动模拟系统中的关键技术进行了分析。 2.分析了地壳运动模拟系统的工作原理，构建了一种由12块地壳板块组成的地壳运动模拟系统。针对单地壳板块的驱动问题，设计了一种四轴并联驱动机构，基于分层递阶控制思想和模块化方法设计了控制系统，为实现高精度、自动化的地壳运动过程模拟奠定了基础。 3.针对地壳运动模拟系统中并联结构的四轴同步控制问题，建立了四轴并联机构简化运动学分析模型，提出了一种基于模糊规则的四轴同步控制策略，实现了四轴并联机构的同步控制，确保并联机构在运动过程中始终保持四轴上顶点共面，保证地形构造实验的安全稳定运行。 4.针对地壳运动模拟系统的地表形态构造问题，提出了一种具有良好普适性的基于高精度曲面模型的由等高线构造地表形态的方法，避免了经典的TIN（Triangulated Irregular Networks，不规则三角网）方法中存在的矩形边界区域数据失真问题，并分析了等高线密度、等高线绘制误差和DEM(Digital ElevationModel，数字高程模型)格网分辨率等对模拟精度的影响。 5.针对地壳运动模拟系统的地壳板块拟合问题，分别提出了基于RANSAC（RANdom SAmple Consesus，随机抽样一致性）算法和基于平均法向量法的地壳板块拟合方法，构建了基于约束条件的最小二乘拟合准则和基于Hausdorff距离的拟合差异评估指标，分析了地形曲面的局部几何形状对地壳板块拟合结果的影响，并对RANSAC算法和平均法向量法的拟合精度进行了实验对比。