[發明專利]一種開挖邊坡巖塊信息提取與三維重構方法

在審

• 申請號: 201710086299.0
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106803281A
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 姜清輝;陳娜;金偉;孫金山;周創兵
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06T15/10
• 分類號: G06T15/10;G01B11/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 肖珍

技術領域

本發明屬于邊坡工程技術領域，具體涉及一種開挖邊坡巖塊信息提取與三維重構方法。

背景技術

開挖邊坡揭露的巖石塊體及開挖坡面巖體的完整性和穩定性評估對邊坡的加固支護方案設計具有重要的意義。

對于開挖邊坡揭露的巖石塊體，傳統方法主要基于人工測量或建立隨機結構面網絡提取塊體。由于開挖坡面結構面發育，由結構面組合形成的塊體數量巨大，傳統的人工測量方法無法統計開挖坡面所有巖石塊體的塊度分布，而且通常開挖邊坡一個梯段的開挖高度達到15~20m，大多數結構面和結構面組合形成的塊體人工無法測量；對于建立隨機結構面網絡提取塊體的方法，由于輸入的結構面是根據統計結果隨機生成的，搜索得到的巖石塊體并不能代表開挖坡面出現的真實塊體。

發明內容

本發明的目的在于提供一種開挖邊坡巖塊信息提取與三維重構方法，可以真實獲取開挖坡面揭露的巖石塊體形狀和塊度分布，克服了人工測量效率低、誤差大、邊坡坡面大多數部位無法直接測量的弊端，可為開挖邊坡的支護設計提供依據。

本發明的原理在于：采用三維激光掃描儀技術對邊坡巖體露頭面進行快速非接觸測量，獲取巖體露頭面的空間三維坐標信息。利用Ransac算法提取巖體的結構面幾何信息，采用空間幾何、Flood Fill算法與編碼歸類方法提取由結構面形成的巖石塊體，并計算塊體體積和統計塊度分布。

一種開挖邊坡巖塊信息提取與三維重構方法，包括以下步驟：

1)在待測量的開挖邊坡坡面上布設不少于3個控制點，并記錄控制點的全球坐標；

2)獲取開挖坡面的不同掃描角度的多幅激光掃描點云數據；

3)通過控制點將獲取的多幅點云數據拼接成一副完整的點云數據，并根據控制點將完整點云坐標轉換到全球坐標下；

4)采用Ransac算法提取巖體結構面幾何信息，進而獲取結構面的方程和結構面對應的點云數據；

5)根據結構面方程計算兩結構面相交的交線方程，通過結構面上的點和交線方程的關系判斷兩個結構面是否相鄰且相交，并且通過結構面上的點和交線方程的關系刪除不相鄰的結構面；計算兩個相鄰且相交結構面的交線段兩個端點坐標，然后通過編碼歸類方法將相鄰且相交的結構面提取出來構成塊體；

6)將整個點云封閉，通過Flood Fill算法將封閉后的點云劃分為內部和外部空間，內部充滿Flood Fill填充點，外部沒有點，通過判斷塊體內部是否有點來區分真實塊體和虛假塊體，僅保留真實塊體；

7)采用編碼過濾方法檢查并剔除重復計算的塊體；

8)重復步驟（5）-（7），提取開挖坡面出現的所有真實巖石塊體；

9)在三維空間生成平面相交而成的三維數字塊體模型；

10)統計巖塊的體積和塊度分布。

與現有技術相比，本發明方法的優點是：

1.本發明采用三維激光掃描技術通過非接觸式獲取開挖坡面的空間信息，極大的降低了傳統方法人工作業的勞動量以及危險性，同時避免了人工測量中的主觀性，在提高效率的同時大大的提高了測量精度。

2.本發明可以實現全自動化提取開挖坡面出現的所有的真實巖石塊體。傳統的開挖邊坡塊體人工測量分析方法效率低下，而且只能測量坡腳塊體。本發明實現了開挖坡面發育的結構面及結構面組合形成的巖石塊體的全自動提取，效率和精度較高。

3.本發明在整個操作過程中，是在最原始的點云數據基礎上操作，無需像其他點云處理方法需要進行點云三角化建模，避免了封閉點云數據三角化時誤連、錯連的情況，具有更廣泛的適用范圍。

4.本發明所提取的塊體都是真實塊體，具有真實的三維位置信息，體積信息，相比傳統方法中建立隨機結構面網絡提取塊體的方法，本發明具有更高的準確度和真實性。

5.本發明可以自動化提取開挖坡面的巖石塊體信息，直觀反映結構面切割形成的塊體發育程度，克服了人工測量耗時耗力的弊端；可以根據提取的巖塊統計信息來評價巖體完整性程度，為開挖邊坡的支護設計提供依據。

6.本發明可為開挖坡面巖石塊體穩定性分析和完整性評價提供幾何基礎數據，適用于采礦工程，水利水電交通工程和巖土工程等領域的開挖邊坡巖石塊體穩定性分析與開挖坡面巖體完整性評價。

附圖說明

圖1為本發明實施例的流程圖；

圖2為本發明實施例的照片及控制點布置圖；

圖3為本發明實施例的掃描儀布置示意圖；

圖4為本發明實施例的激光掃描點云圖；