[發明專利]復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法

在審

• 申請號: 202010691523.0
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111861921A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 賀鵬;姜楓;王剛;孫尚渠;李為騰
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T17/20;G06T7/62
• 代理公司: 濟南旌勵知識產權代理事務所(普通合伙) 31310
• 代理人: 單玉剛

本發明公開了一種復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法，主要包括以下步驟：（1）溶洞內部三維點云坐標信息獲取與點云模型封裝；（2）對點云溶洞模型進行降噪后處理；（3）確定溶洞點云最優化采樣間距；（4）根據溶洞的不規則度，采用統一采樣方法來進行點云降噪自動處理；（5）通過Geomagic進行封裝處理形成封閉曲面，并轉化成stl格式文件，完成實體溶洞的建模過程；（6）利用Geomagic和根據實際計算需求選定的數值計算軟件之間的耦合接口，實現復雜幾何形態溶洞數據的定向傳遞。

技術領域

本發明涉及復雜形態溶洞數值模擬快速建模技術領域，具體說是復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法。

背景技術

近年來，地下工程中地鐵建設如火如荼，隧道開挖前方經過巖溶發育區、地鐵下方穿過巖溶發育區等復雜地質情況屢見不鮮。現階段，通過地球物理方法來探測溶洞的位置已不是難題，而溶洞與隧道位置關系對隧道開挖穩定性的影響卻不得而知。通過模型試驗研究巖溶區與隧道開挖穩定性之間的關系是一個很好的思路，有國內學者利用三維打印技術制備真實形態的溶洞用于模型試驗研究(一種基于3D打印技術的溶洞制備方法與裝置，申請號：201710343216.1)，取得了不錯的研究成果。相比于模型試驗研究，數值模擬技術可基于真實地質情況建模賦參開展相應研究，且具有結果直觀可靠、計算效率高、節約成本的巨大優勢，愈來愈得到廣大科研工作者的青睞。目前在圍巖穩定性分析的數值計算中，多是將溶洞簡化為球體、橢球體、方體等規則幾何形態，而巖溶復雜作用過程導致溶洞幾何形態并非規則幾何體，而是呈現非均勻發育、各向異性及高度不規則性，顯然簡化后的溶洞形狀與實際工程中的溶洞形態不相符合。

開展不規則幾何形態溶洞的數值計算目前仍存在較大困難，主要有以下2個方面：

(1)溶洞探測成果僅為可視化的溶洞幾何模型，無法有效轉化為可計算的數值幾何模型，數據格式的轉化仍存在困難；

(2)溶洞幾何形態復雜多變，多為不規則幾何體，且很多溶洞邊界存在棱角、畸角，與簡化的球體、方體等幾何模型相差甚遠。有限數值計算網格剖分過程中極易產生錯誤，導致數值計算進度難以進行。

綜上所述，如何發明一種復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法已然成為亟需解決的重要難題。

發明內容

本發明的目的主要是解決上述提出的一些技術難題，提供復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法。

為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案：

復雜形態溶洞數值模擬快速建模方法，包括以下步驟：

步驟1采用可通過狹小鉆孔通道進入溶洞內部的激光探測系統C-ALS，進行整個溶洞內部壁面的三維點云坐標測量，采用點云處理軟件將點云模型封裝形成真實形態溶洞模型；

步驟2溶洞點云模型理論上應為連續、光滑的點云曲面，但實際獲取的點云經常附帶噪點等畸變點，在Geomagic Studio點云處理平臺中，可通過設置體外孤點敏感度或手動刪除溶洞點云模型中較為明顯的噪點，尤其是孤立的點云噪點群及附屬噪點群，可降低溶洞點云釘狀物及附屬幾何體的產生概率，得到處理后的精度較高的點云溶洞模型；

步驟3確定溶洞點云最優化采樣間距，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：

即不規則溶洞平均半徑為：

豎直方向點云間平均距離為：

水平方向點云間平均距離為：