[發(fā)明專利]復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010691523.0
• 申請(qǐng)日: 2020-07-17
• 公開（公告）號(hào): CN111861921A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀鵬;姜楓;王剛;孫尚渠;李為騰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T5/00
• 分類號(hào): G06T5/00;G06T17/20;G06T7/62
• 代理公司: 濟(jì)南旌勵(lì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31310
• 代理人: 單玉剛

1.復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，包括以下步驟：溶洞內(nèi)部三維點(diǎn)云坐標(biāo)信息獲取與點(diǎn)云模型封裝、點(diǎn)云溶洞模型降噪后處理、確定溶洞點(diǎn)云最優(yōu)化采樣間距、采用統(tǒng)一采樣方法進(jìn)行點(diǎn)云降噪自動(dòng)處理、實(shí)體溶洞的建模、利用耦合接口實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形態(tài)溶洞數(shù)據(jù)的定向傳遞；

所述的溶洞內(nèi)部三維點(diǎn)云坐標(biāo)信息獲取與點(diǎn)云模型封裝是通過激光探測(cè)系統(tǒng)C-ALS軟件來完成；

所述的點(diǎn)云溶洞模型降噪后處理是基于Geomagic Studio點(diǎn)云處理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)；

所述的確定溶洞點(diǎn)云最優(yōu)化采樣間距首先將溶洞三維尺度平均值作為溶洞直徑；

所述的點(diǎn)云降噪自動(dòng)處理統(tǒng)一采樣方法需根據(jù)采樣倍徑和模型畸變程度相關(guān)關(guān)系獲得；

所述的實(shí)體溶洞的建模需要通過Geomagic進(jìn)行封裝處理形成封閉曲面，并轉(zhuǎn)化成stl格式文件，才能完成實(shí)體溶洞的建模；

所述的耦合接口需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算需求選定的數(shù)值計(jì)算軟件來設(shè)計(jì)。

2.如權(quán)利要求1所述的確定地下溶洞內(nèi)部邊界的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，C-ALS系統(tǒng)獲取的初始點(diǎn)云模型基本可還原真實(shí)溶洞的復(fù)雜形態(tài)，但實(shí)際獲取的點(diǎn)云經(jīng)常附帶噪點(diǎn)等畸變點(diǎn)。

3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，可通過設(shè)置體外孤點(diǎn)敏感度或手動(dòng)刪除溶洞點(diǎn)云模型中較為明顯的噪點(diǎn)，尤其是孤立的點(diǎn)云噪點(diǎn)群及附屬噪點(diǎn)群，從而得到處理后的精度較高的點(diǎn)云溶洞模型。

4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，已知點(diǎn)云間平均間距與溶洞平均半徑、遞進(jìn)旋轉(zhuǎn)角度成正比，之后求取豎直和水平方向點(diǎn)云間距平均值，即可得到溶洞點(diǎn)云平均間距表達(dá)式

5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，所述的采樣倍徑和模型畸變程度相關(guān)關(guān)系由以下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取，當(dāng)采樣倍徑小于1倍平均間距時(shí)，噪點(diǎn)降低比率較低，極容易出現(xiàn)溶洞模型的畸變，導(dǎo)致溶洞模型自交面及孤點(diǎn)畸變點(diǎn)的產(chǎn)生；當(dāng)取樣倍徑大于2倍平均間距時(shí)，溶洞模型和真實(shí)形態(tài)相差過大，不足以反應(yīng)真實(shí)的溶洞模型；因此，當(dāng)取樣倍徑為1至2倍平均間距之間時(shí)，溶洞模型很少或基本不會(huì)出現(xiàn)幾何畸變。

6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，所述的數(shù)值計(jì)算耦合接口在本案例中需要基于Geomagic和Comsol數(shù)值計(jì)算軟件。

7.利用權(quán)利要求1-6任一所述的如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜形態(tài)溶洞數(shù)值模擬快速建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1采用可通過狹小鉆孔通道進(jìn)入溶洞內(nèi)部的激光探測(cè)系統(tǒng)C-ALS，進(jìn)行整個(gè)溶洞內(nèi)部壁面的三維點(diǎn)云坐標(biāo)測(cè)量，采用點(diǎn)云處理軟件將點(diǎn)云模型封裝形成真實(shí)形態(tài)溶洞模型；

步驟2溶洞點(diǎn)云模型理論上應(yīng)為連續(xù)、光滑的點(diǎn)云曲面，但實(shí)際獲取的點(diǎn)云經(jīng)常附帶噪點(diǎn)等畸變點(diǎn)，在Geomagic Studio點(diǎn)云處理平臺(tái)中，可通過設(shè)置體外孤點(diǎn)敏感度或手動(dòng)刪除溶洞點(diǎn)云模型中較為明顯的噪點(diǎn)，尤其是孤立的點(diǎn)云噪點(diǎn)群及附屬噪點(diǎn)群，可降低溶洞點(diǎn)云釘狀物及附屬幾何體的產(chǎn)生概率，得到處理后的精度較高的點(diǎn)云溶洞模型；

步驟3確定溶洞點(diǎn)云最優(yōu)化采樣間距，首先將溶洞三維尺度平均值作為溶洞直徑，而且已知溶洞單一維度投影面積為S_x，等效為同面積半徑為R_x的圓，則等效半徑R_x：

即不規(guī)則溶洞平均半徑為：

豎直方向點(diǎn)云間平均距離為：

水平方向點(diǎn)云間平均距離為：

點(diǎn)云間平均間距與溶洞平均半徑、遞進(jìn)旋轉(zhuǎn)角度成正比，求取豎直和水平方向點(diǎn)云間距平均值，即溶洞點(diǎn)云平均間距為：

步驟4根據(jù)溶洞的不規(guī)則度，采用統(tǒng)一采樣方法來進(jìn)行點(diǎn)云降噪自動(dòng)處理，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采樣倍徑小于1倍平均間距時(shí)，噪點(diǎn)降低比率較低，極容易出現(xiàn)溶洞模型的畸變，導(dǎo)致溶洞模型自交面及孤點(diǎn)畸變點(diǎn)的產(chǎn)生；當(dāng)取樣倍徑大于2倍平均間距時(shí)，溶洞模型和真實(shí)形態(tài)相差過大，不足以反應(yīng)真實(shí)的溶洞模型；因此，當(dāng)取樣倍徑為1至2倍平均間距之間時(shí)，溶洞模型很少或基本不會(huì)出現(xiàn)幾何畸變；

步驟5通過Geomagic進(jìn)行封裝處理形成封閉曲面，并轉(zhuǎn)化成stl格式文件，完成實(shí)體溶洞的建模過程；

步驟6利用Geomagic和根據(jù)實(shí)際計(jì)算需求選定的數(shù)值計(jì)算軟件之間的耦合接口，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形態(tài)溶洞數(shù)據(jù)的定向傳遞，在數(shù)值計(jì)算軟件中對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行高精度的網(wǎng)格劃分，開展數(shù)值計(jì)算研究。