[發(fā)明專利]一種巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖快速智能繪制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010822754.0
• 申請(qǐng)日: 2020-08-05
• 公開（公告）號(hào): CN114078171A
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡高建;劉杰;張賀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 紹興文理學(xué)院
• 主分類號(hào): G06T11/00
• 分類號(hào): G06T11/00;G06T11/20;G06T17/00;H04N13/156;G06T7/80;G06T7/62;G06T7/66;G06F8/20
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1.一種巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖快速智能繪制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測量快速獲取，過程如下：

1.1：根據(jù)觀測區(qū)域巖體范圍與空間位置，選取表面節(jié)理發(fā)育較好且無障礙物的巖體作為攝影測量區(qū)域，將標(biāo)桿垂直的立于測量區(qū)域一側(cè)，用于標(biāo)定最后生成的三維圖像上任意兩點(diǎn)間的距離；

1.2：在巖體表面選取一塊露頭的、區(qū)域比較大、比較平滑的結(jié)構(gòu)面作為標(biāo)定點(diǎn)，用羅盤測量出傾向及傾角，并做標(biāo)記，用于后處理時(shí)圖像的方位真實(shí)化；

1.3：使用高分辨率相機(jī)，在選定區(qū)域正前方左、右位置，對(duì)巖體依次拍照，兩次拍攝時(shí)，鏡頭離所測巖體的距離D及兩次成像位置之間的距離B滿足關(guān)系B＝D/8～D/5；

1.4：測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后，取回標(biāo)桿，返回室內(nèi)作進(jìn)一步后處理操作；

1.5：將野外攝影測量所獲取的左、右視圖導(dǎo)入到軟件分析系統(tǒng)，采用基準(zhǔn)標(biāo)定、像素點(diǎn)匹配、圖像變形偏正糾正等方法對(duì)左、右視圖中的像素點(diǎn)進(jìn)行匹配，合成巖體表面三維實(shí)體模型；

1.6：根據(jù)標(biāo)桿尺寸以及羅盤量出的標(biāo)定點(diǎn)產(chǎn)狀，進(jìn)行三維實(shí)體模型方位、尺寸和距離的真實(shí)化；

1.7：基于真實(shí)化的實(shí)體模型，識(shí)別定位出每條結(jié)構(gòu)面，并導(dǎo)出結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)信息；

(2)巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖智能繪制系統(tǒng)研發(fā)。

2.如權(quán)利要求1所述的巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖快速智能繪制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖智能繪制系統(tǒng)研發(fā)的過程如下：

巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖和走向玫瑰花圖智能繪制系統(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(jì)方法，共包括6個(gè)模塊，分別為：數(shù)據(jù)智能導(dǎo)入模塊、模糊等價(jià)聚類算法智能計(jì)算模塊、極點(diǎn)圖智能繪制模塊、結(jié)構(gòu)面智能統(tǒng)計(jì)分析模塊、數(shù)據(jù)智能輸出模塊和走向玫瑰花圖智能繪制模塊；

2.1：數(shù)據(jù)智能導(dǎo)入模塊

用于將數(shù)字?jǐn)z影測量獲得的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，智能導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中；

2.2：模糊等價(jià)聚類算法智能計(jì)算模塊

基于模糊等價(jià)聚類算法，智能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的模糊等價(jià)聚類，過程如下：

2.2.1：設(shè)結(jié)構(gòu)面的實(shí)測樣本數(shù)為N，第i個(gè)樣本表示為(x_i1，x_i2)，x_i1為結(jié)構(gòu)面傾向，x_i2為結(jié)構(gòu)面傾角，其模糊關(guān)系矩陣R為：

矩陣中的元素r_ij為第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本間的相似系數(shù)，表征其兩者間的相似程度；r_ij越大表示樣本i與樣本j越相似；

2.2.2：計(jì)算相似系數(shù)r_ij：

式中，i＝1，2...N；j＝1，2...N；c為計(jì)算參數(shù)(0≤c≤1)，適當(dāng)選取c值使得r_ij在[0，1]中分散開來；

2.2.3：求解閉包t(R)：

R²＝RR

R⁴＝R²R²

… (3)

2.2.4：進(jìn)行結(jié)構(gòu)面分組判斷：模糊矩陣乘法運(yùn)算步驟與普通矩陣乘法相似，不同的是，并非先兩項(xiàng)相乘后再相加，而是先取小后取大；若C＝AB，則C中的元素n級(jí)模糊關(guān)系矩陣R，即為n個(gè)R連乘；即

當(dāng)Rⁿ＝Rⁿ⁺¹＝Rⁿ⁺²＝…時(shí) (5)

有，模糊等價(jià)矩陣t(R)＝Rⁿ (6)

取定截集水平λ∈[0，1]，若t(R)中r_ij≥λ，則結(jié)構(gòu)面i和j屬于同一類；即

r_ij≥λ (7)

2.3：極點(diǎn)圖智能繪制模塊

根據(jù)聚類結(jié)果和結(jié)構(gòu)面分組結(jié)果，智能繪制出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀極點(diǎn)圖；

2.3.1：采用下半球等角度投影方法繪制極點(diǎn)圖；

2.3.2：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(duì)于任意結(jié)構(gòu)面的單位法向量表示為X＝(x₁，x₂，x₃)，此時(shí)半球面上每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)理產(chǎn)狀，公式為：

X＝(x₁，x₂，x₃) (8)

α_d∈(0，360)，β_d∈(0，90) (11)

2.3.3：得到以單位法向量表示的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)；

2.3.4：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圖，A’點(diǎn)為該平面法線的赤面投影；結(jié)合赤平投影原理圖，計(jì)算出A’在赤平投影圖上的坐標(biāo)x_n和y_n，公式如下：

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

2.3.6：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(biāo)出E、S、W、N；

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

2.3.8：智能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖的繪制；

2.4：結(jié)構(gòu)面智能統(tǒng)計(jì)分析模塊

用于對(duì)聚類后的結(jié)構(gòu)面智能統(tǒng)計(jì)分析，獲取每組結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、跡長、間距和斷距的均值和方差，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(jì)算每個(gè)分區(qū)區(qū)間M_m：

2.4.4：確定樣本落在每個(gè)分區(qū)區(qū)間里的概率，先利用計(jì)算機(jī)循環(huán)語言統(tǒng)計(jì)落在每一個(gè)區(qū)間的樣本個(gè)數(shù)N_m，結(jié)合樣本總數(shù)N，計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差：

2.4.7：根據(jù)概率P_m值，智能繪制出每組結(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)智能輸出模塊

智能輸出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的分類信息，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：走向玫瑰花圖智能繪制模塊

根據(jù)走向玫瑰花圖繪制方法，智能繪制出結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖，過程如下；

2.6.1：將測量所得的節(jié)理走向數(shù)據(jù)，換算成北東和北西方向，按節(jié)理走向方位角大小依次排序，每隔α＝10°角度進(jìn)行分組，每組命名T_i；

T_i＝{α，α+9°} (19)

α＝10(i-1) (20)

i∈(1，10)∪(27，36) (21)

2.6.2：統(tǒng)計(jì)每組節(jié)理的數(shù)目和每組節(jié)理的平均走向

i∈(1，10)∪(27，36) (23)

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_T；

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

2.6.5：對(duì)每組節(jié)理T_i，按平均走向?yàn)榉轿唤牵诎雸A上做出記號(hào)，自圓心向圓周記號(hào)點(diǎn)半徑方向，按組內(nèi)數(shù)目和比例尺L_T定出一點(diǎn)該點(diǎn)即表示該組節(jié)理平均走向和節(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：智能繪制出節(jié)理走向玫瑰花圖。