[發明專利]一種基于點云數據的巖體結構面識別與產狀分類方法

有效

• 申請號: 202010364665.6
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111553292B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 張鵬;顧磊;李俊才
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;南京工巖智慧建筑科技有限公司;南京智慧巖土工程技術研究院有限公司
• 主分類號: G06V20/10
• 分類號: G06V20/10;G06V10/762;G06V10/764;G01C3/00;G01C11/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明是一種基于點云數據的巖體結構面識別與產狀分類方法。首先采用激光掃描與攝影測量技術，獲取描述巖體地質幾何特征的點云數據；其次開展點云數據預處理(去噪、修補、抽稀與大地坐標匹配)；然后將點云數據轉換為TIN數據，對TIN數據中所有格網單元平面法向量的方向、角度、高程標準差指標進行ISODATA聚類分析，在采用移動窗口法過濾掉較小聚類后獲得潛在巖體結構面(層面、節理、斷層)；最后對潛在巖體結構面檢驗高程變異標準差(在+1與?1之間)判別平面特征來識別巖體結構面。步驟包括：數據采集，數據預處理、數據轉換、指標計算、聚類分析、聚類過濾，結構面判定、數據后處理。本發明大幅提高基于點云數據提取巖體地質信息的自動化效率。

技術領域

本發明涉及一種激光點云技術的巖體結構面數字提取與產狀分類、測量方法，屬于工程地質勘察技術領域。

背景技術

巖體結構面產狀測量方法歸納起來主要有四類：

①、測線法、窗口統計法即通過皮尺和羅盤人工現場逐一測量結構面產狀信息。該方法在面對實際工程中巖體結構面分布廣、數量多、隨機性強的特點，低效、費力、耗時使之難以滿足工程需求，而且遇到人跡罕至陡崖險坡受現場條件的影響，測量方法便難以實施，從而導致測量數據的全面性與代表性也受到限制。

②、鉆孔定向取芯法(Rosengren,1968)、孔內照相法(EoekPentz,1968)、數字全景鉆孔攝像法(王川嬰,2001)即通過鉆孔取芯后對巖芯中所含結構面產狀的量測或通過孔內攝像對孔壁內側結構面紋理進行數字圖像量測來獲取鉆孔深度范圍內相交的結構面產狀信息。該方法可以獲得深部巖體結構面產狀信息，但是孔徑范圍測量尺寸使得該方法對于長大結構面的測量精度較低，同時鉆孔破巖與孔位垂直度也會影響到測量精度。

③、攝影測量法(Ross-BrownAt-kinson,1972；Hagan,1978)即基于數字圖像與攝影測量的基本原理，應用計算機三維成像技術、影像匹配、圖像插值、模式識別等多學科理論與方法相融合，可以獲取地物表面的相對坐標空間幾何信息，通過計算這些幾何信息可以得到暴露地表巖體結構面產狀信息。該方法采用非接觸的測量手段，可以不受現場地形條件的制約，但是該方法精度受攝影圖像質量與雙目攝像間距控制，同時仍然需要一定的人工干預，單條巖體結構面的工作效率比精測線法有所提高，而面對實際工程中眾多結構面大量人工干預仍然是無法接受的。

④、地面三維激光掃描法(Terrestrial?Laser?Scanning，簡稱TLS)，即通過對地物目標的逐點激光掃描測距可快速獲得描述地物表面相對幾何坐標信息的高精度點云數據(激光數據)，通過一定人工干預與數據截取可以計算出那些暴露在巖壁表面上的巖體結構面產狀。該方法取消了攝影測量法中相對繁瑣的攝影測量算法，提高了測量速度與精度，但是仍然需要人工干預在海量點云數據中手動截取描述暴露巖體結構面產狀的點云數據，而且該方法對于未暴露巖體結構面或以跡線形式顯現的巖體結構面產狀是無法測量。

綜上所述，面對實際工程中巖體結構面數量多、分布廣和隨機性強等特點，目前技術瓶頸在于如何兼顧非接觸式(取消場地制約)、全自動(取消人工干預)、測量速度快(算法簡潔)、普適性(適合多種賦存環境巖體結構面)。

發明內容

技術問題：本發明目的在于提供一種基于點云數據的巖體結構面識別與產狀分類方法，借助地面三維激光掃描技術的快速精準空間測量手段，針對巖體結構面的幾何特征，規避點云數據的噪聲與冗余，實現巖體地質調查區域內所有巖體結構面一次性自動化的提取、分類與測量。

技術方案：本發明的一種基于點云數據的巖體結構面識別與產狀分類方法為：在采用三維激光掃描與攝影測量技術獲取描述巖體地質幾何特征點云數據的基礎上，采用對點云數據轉換為TIN數據中所有格網單元平面法向量的方向、角度、高程標準差指標進行ISODATA聚類分析，在采用移動窗口法過濾掉較小聚類后獲得潛在巖體結構面；而后對潛在巖體結構面檢驗高程變異標準差，在+1與-1之間判別平面特征來識別巖體結構面。