[發(fā)明專利]一種結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖快速自動繪制方法

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• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN114092583A
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡高建;劉杰;張賀
• 申請（專利權(quán)）人: 紹興文理學院
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06T11/20;G06T17/00;G06T7/80;G06T7/66;G06T7/62;G06K9/62;G06K9/00;G06F8/20
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1.一種結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖快速自動繪制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)結(jié)構(gòu)面三維激光掃描快速獲取，過程如下：

1.1：根據(jù)掃描目標和場地條件，選擇掃描機位點，架設(shè)三腳架，架設(shè)中要確保儀器按照一定的掃描路線可以完整的獲取邊坡巖體的三維空間點云信息，同時要盡可能保證三腳架臺面水平，并放置控制靶；

1.2：放置掃描儀主機在三腳架臺面，固定旋鈕，通過粗調(diào)腳架及微調(diào)掃描儀底座使主機氣泡居中，設(shè)置掃描儀端口參數(shù)；

1.3：啟動掃描控制軟件，配置掃描儀相關(guān)參數(shù)，進入掃描儀控制界面，規(guī)劃掃描角度，根據(jù)掃描目標設(shè)置掃描范圍，調(diào)整相機配置參數(shù)，獲取掃描目標圖像；

1.4：固定掃描范圍，獲取掃描間距，設(shè)定采樣間距，開始數(shù)據(jù)獲取，并實時查看掃描點云數(shù)據(jù)及彩色信息情況，根據(jù)掃描成果隨時調(diào)整掃描參數(shù)設(shè)定；

1.5：導出結(jié)構(gòu)面點云數(shù)據(jù)；

(2)結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖自動繪制系統(tǒng)研發(fā)。

2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖快速自動繪制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖自動繪制系統(tǒng)研發(fā)的過程如下：

結(jié)構(gòu)面極點圖和傾向玫瑰花圖自動繪制系統(tǒng)采用C++ Builder開發(fā)工具編程，采用逐步求解的結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計方法，包括6個模塊，分別為：點云數(shù)據(jù)自動處理模塊、近鄰傳播算法自動計算模塊、極點圖自動繪制模塊、結(jié)構(gòu)面自動統(tǒng)計分析模塊、數(shù)據(jù)自動輸出模塊和傾向玫瑰花圖自動繪制模塊，過程如下；

2.1：點云數(shù)據(jù)自動處理模塊

用于將三維激光掃描獲得的結(jié)構(gòu)面點云數(shù)據(jù)，自動進行處理，獲得以單位法向量表示的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，過程如下；

2.1.1：自動導入結(jié)構(gòu)面點云數(shù)據(jù)；

2.1.2：計算拓撲構(gòu)造后的點云中當前點與相鄰點的距離與距離均值，通過距離閾值對點云數(shù)據(jù)中噪聲點進行識別、剔除；

2.1.3：根據(jù)三維激光掃描儀自身空間坐標位置和現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀方位，確定點云數(shù)據(jù)的空間三維坐標；

2.1.4：基于下半球等角度投影方法進行點云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；

2.1.5：將以傾向α_d和傾角β_d表示的節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以節(jié)理單位法向量表示的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，設(shè)α_n和β_n分別為結(jié)構(gòu)面單位法向量的傾伏向和傾伏角，對于任意結(jié)構(gòu)面的單位法向量表示為X＝(x₁，x₂，x₃)，此時半球面上每個點都對應(yīng)一個節(jié)理產(chǎn)狀，公式為：

X＝(x₁，x₂，x₃) (1)

α_d∈(0，360)，β_d∈(0，90) (4)

2.1.6：得到以單位法向量表示的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)；

2.2：近鄰傳播算法自動計算模塊

基于近鄰傳播算法，自動實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的聚類分析，過程如下：

2.2.1：設(shè)結(jié)構(gòu)面的實測樣本數(shù)量為N，每個樣本數(shù)據(jù)的傾向為X_i，傾角為Y_i，i∈(1，N)；以每個樣本數(shù)據(jù)的傾向X_i，傾角Y_i作為一個聚類，確定一個初始聚類中心，共得到N個初始聚類中心；

2.2.2：通過相似性度量準則，遍歷所有樣本數(shù)據(jù)，計算每個樣本數(shù)據(jù)距離聚類中心的距離，并將每個樣本數(shù)據(jù)分配到距離它最近的聚類中心，得到N組數(shù)據(jù)；

2.2.3：對于每組數(shù)據(jù)，通過特征模量分析方法，求解計算每組數(shù)據(jù)的聚類中心，假設(shè)某組內(nèi)存在l個數(shù)據(jù)，則聚類中心按如下方法求解：

2.2.4：首先，按如下公式計算矩陣S

式中：(x_i，y_i，z_i)為任意結(jié)構(gòu)面的單位法向量，i∈(1，l)；

2.2.5：其次，求解矩陣S的特征值(τ₁，τ₂，τ₃)和特征向量(ξ₁，ξ₂，ξ₃)，其中τ₁＜τ₂＜τ₃，最大特征值對應(yīng)的特征向量ξ₃為組內(nèi)l個向量的平均向量，將ξ₃作為新的聚類中心；

2.2.6：針對所有樣本數(shù)據(jù)，重復計算每個樣本數(shù)據(jù)距離聚類中心的距離、矩陣S以及特征值和特征向量，直到所有聚類中心的位置都固定，確定出結(jié)構(gòu)面的分組；

2.2.7：將以單位法向量表示的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以傾向、傾角表示的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)；

2.2.8：對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算結(jié)構(gòu)面傾角的平均值m與標準差σ，計算傾角數(shù)據(jù)的穩(wěn)健區(qū)間[m-σ，m+σ]；

2.2.9：判斷樣本數(shù)據(jù)的初始聚類中心的傾向X_i和傾角Y_i是否落在穩(wěn)健區(qū)間穩(wěn)健區(qū)間[m-σ，m+σ]，若是，則聚類分析完成；若不是，則需要對樣本數(shù)據(jù)重新聚類，直到初始聚類中心的傾向X_i和傾角Y_i均落在穩(wěn)健區(qū)間內(nèi)[m-σ，m+σ]；

2.3：極點圖自動繪制模塊

根據(jù)聚類結(jié)果和結(jié)構(gòu)面分組結(jié)果，自動繪制出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀極點圖，過程如下；

2.3.1：基于結(jié)構(gòu)面法向產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)面空間赤平投影圖的縱剖面原理，設(shè)A’點為該平面法線的赤面投影，結(jié)合赤平投影原理，計算出A’在赤平投影圖上的坐標x_n和y_n，公式如下：

2.3.2：求解出所有結(jié)構(gòu)面法線的赤平投影坐標點(x_n，y_n)；

2.3.3：繪制一條直徑為單位長度的基圓，繪制出鉛直和水平兩條直徑，并標出E、S、W、N；

2.3.4：將所有結(jié)構(gòu)面的赤平投影坐標(x_n，y_n)，繪制在基圓圖上；

2.3.5：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面極點圖的自動繪制；

2.4：結(jié)構(gòu)面自動統(tǒng)計分析模塊

用于對聚類后的結(jié)構(gòu)面自動進行統(tǒng)計分析，獲取每組結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、跡長、間距、斷距的均值和方差，過程如下：

2.4.1：確定樣本分區(qū)區(qū)間m；

2.4.2：求解樣本極差

2.4.3：計算每個分區(qū)區(qū)間M_m：

2.4.4：確定樣本落在每個分區(qū)區(qū)間里的概率，先利用計算機循環(huán)語言統(tǒng)計落在每一個區(qū)間的樣本個數(shù)N_m，結(jié)合樣本總數(shù)N，計算樣本數(shù)概率P_m：

2.4.5：求解樣本均值

2.4.6：求解樣本方差S²，其中S為標準差：

2.4.7：根據(jù)概率P_m值，自動繪制出每組結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、跡長、間距和斷距的概率分布形態(tài)；

2.5：數(shù)據(jù)自動輸出模塊

自動輸出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的分組信息，包括每組結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、跡長、間距和斷距的均值和方差；

2.6：傾向玫瑰花圖自動繪制模塊

根據(jù)傾向玫瑰花圖繪制方法，自動繪制出結(jié)構(gòu)面傾向玫瑰花圖，過程如下；

2.6.1：將節(jié)理傾向數(shù)據(jù)，按節(jié)理傾向方位角大小依次排序，每隔θ＝10°角度進行分組，每組命名D_j；

D_j＝{θ，θ+9°} (13)

θ＝10(j-1) (14)

j∈(1，36) (15)

2.6.2：統(tǒng)計每組節(jié)理的數(shù)目和每組節(jié)理的平均傾向

j∈(1，36) (17)

2.6.3：根據(jù)作圖的大小和各組節(jié)理數(shù)目，選取一定長度的線段代表一組節(jié)理，確定線段的比例尺L_D；

2.6.4：以等于按比例尺L_D表示的、數(shù)目最多的一組節(jié)理的線段長度為半徑作圓，過圓心作南北線及東西線，在圓周上標明方位角；

2.6.5：對每組節(jié)理D_j，按平均傾向為方位角，在半圓上做出記號，自圓心向圓周記號點半徑方向，按組內(nèi)數(shù)目和比例尺L_D定出一點該點即表示該組節(jié)理平均傾向和節(jié)理數(shù)目；

2.6.6：順次連接和如其中某組節(jié)理數(shù)為零，則連線回到圓心，再由圓心引出與下一組相連；

2.6.7：繪制出結(jié)構(gòu)面傾向玫瑰花圖。