[發明專利]一種巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法

有效

• 申請號: 202011203436.2
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112329595B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 趙煉恒;黃棟梁;祝志恒;李亮;金昶睿;張帥浩;劉樂
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06V20/64
• 分類號: G06V20/64;G06T7/42;G06T15/04
• 代理公司: 長沙歐諾專利代理事務所(普通合伙) 43234
• 代理人: 歐穎;張文君

本發明公開了一種巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法，所述巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法包括以下步驟：步驟一，對巖石節理面的點云數據進行重新采樣得到格柵數據，即離散時域信號；步驟二，使用離散余弦變換算法將離散時域信號轉換為離散頻譜，并統計分析每個頻譜分量的分布特征；步驟三，根據分布特征進行擬合，得到各頻譜分量的經驗關系，且將頻譜的歸一化幅值定義為描述因子，所述經驗關系中包含了待定系數，基于大量樣本頻譜的統計求解出待定系數；步驟四，在分段頻譜控制的基礎上，調整特定頻譜分量的歸一化幅值，代入待定系數，利用離散余弦逆變換算法即可完成巖石節理面幾何形貌的重建。

技術領域

本發明屬于裂隙巖體技術領域，具體涉及一種巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法。

背景技術

巖石節理面的幾何形貌特征是研究其抗剪強度的重要對象。學者們以剪切試驗為基本方法進行了一系列研究工作。Barton等人，基于多個剪切試驗反算結果，提取節理面的輪廓，并提出了經典的巖體Barton-Bandis破壞準則和節理粗糙度系數JRC。后來，Tse和Cruden等人，Yu和Vayssade等人提出了統計指標估算JRC值：均方根(Z₂)和結構函數(SF)。

近年來，數值模擬已經成為研究巖石節理面剪切特性的有效手段。三維掃描和打印技術的發展，使得獲取節理面高精度三維模型成為可能，從而為數值模擬和室內剪切試驗提供大量樣本。但由于目前通過對巖石節理面直接用三維掃描進行采樣獲得數據集的方式花費較高，而科研和教學上又需要更多的數據內容不同卻又具備巖石節理面特征的數據集。關于節理面的定量重建，學者們也有一些研究，除了三維掃描外，還根據特定參數重建虛擬節理面，并研究其對巖石節理剪切性能的影響。通過根據特定參數重建虛擬節理面能夠為科研和教學上節約大量的經費。在這方面，目前主要基于齒狀線拉伸方法和隨機數生成方法重建模型。但是，基于齒狀線拉伸方法和隨機數生成方法重建的節理面與三維掃描結果相差較大。因此，三維節理表面重建方法的研究仍需要新的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法，以解決背景技術中提出的目前主要基于齒狀線拉伸方法和隨機數生成方法重建的巖石節理面與巖石節理面三維掃描結果相差較大的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法，所述巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法包括以下步驟：

步驟一，對巖石節理面的點云數據進行重新采樣得到格柵數據，即離散時域信號；

步驟二，使用離散余弦變換算法將離散時域信號轉換為離散頻譜，并統計分析每個頻譜分量的分布特征；

步驟三，根據分布特征進行擬合，得到各頻譜分量的經驗關系，且將頻譜的歸一化幅值定義為描述因子，所述經驗關系中包含了待定系數，基于大量樣本頻譜的統計求解出待定系數；

步驟四，在分段頻譜控制的基礎上，調整特定頻譜分量的歸一化幅值，代入待定系數，利用離散余弦逆變換算法即可完成巖石節理面幾何形貌的重建。

在一種具體的實施方式中，所述巖石節理面幾何形貌頻譜分析與重建方法還包括在步驟一之前，使用攝影測量技術采集野外巖石節理表面，獲得點云數據。

在一種具體的實施方式中，步驟二和步驟四中，通過頻譜矩陣的歸一化策略改寫二維余弦正變換和逆變換的公式，改寫后的二維余弦正變換和逆變換公式即離散余弦變換算法和離散余弦逆變換算法，包含下列信息：

1)用于頻譜矩陣歸一化的因子z₀：

2)改寫后的二維余弦正變換公式及歸一化后的頻譜矩陣D：