技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于邊坡工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開(kāi)挖邊坡巖塊信息提取與三維重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

開(kāi)挖邊坡揭露的巖石塊體及開(kāi)挖坡面巖體的完整性和穩(wěn)定性評(píng)估對(duì)邊坡的加固支護(hù)方案設(shè)計(jì)具有重要的意義。

對(duì)于開(kāi)挖邊坡揭露的巖石塊體，傳統(tǒng)方法主要基于人工測(cè)量或建立隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)提取塊體。由于開(kāi)挖坡面結(jié)構(gòu)面發(fā)育，由結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體數(shù)量巨大，傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法無(wú)法統(tǒng)計(jì)開(kāi)挖坡面所有巖石塊體的塊度分布，而且通常開(kāi)挖邊坡一個(gè)梯段的開(kāi)挖高度達(dá)到15~20m，大多數(shù)結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體人工無(wú)法測(cè)量；對(duì)于建立隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)提取塊體的方法，由于輸入的結(jié)構(gòu)面是根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨機(jī)生成的，搜索得到的巖石塊體并不能代表開(kāi)挖坡面出現(xiàn)的真實(shí)塊體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種開(kāi)挖邊坡巖塊信息提取與三維重構(gòu)方法，可以真實(shí)獲取開(kāi)挖坡面揭露的巖石塊體形狀和塊度分布，克服了人工測(cè)量效率低、誤差大、邊坡坡面大多數(shù)部位無(wú)法直接測(cè)量的弊端，可為開(kāi)挖邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本發(fā)明的原理在于：采用三維激光掃描儀技術(shù)對(duì)邊坡巖體露頭面進(jìn)行快速非接觸測(cè)量，獲取巖體露頭面的空間三維坐標(biāo)信息。利用Ransac算法提取巖體的結(jié)構(gòu)面幾何信息，采用空間幾何、Flood Fill算法與編碼歸類(lèi)方法提取由結(jié)構(gòu)面形成的巖石塊體，并計(jì)算塊體體積和統(tǒng)計(jì)塊度分布。

一種開(kāi)挖邊坡巖塊信息提取與三維重構(gòu)方法，包括以下步驟：

1)在待測(cè)量的開(kāi)挖邊坡坡面上布設(shè)不少于3個(gè)控制點(diǎn)，并記錄控制點(diǎn)的全球坐標(biāo)；

2)獲取開(kāi)挖坡面的不同掃描角度的多幅激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

3)通過(guò)控制點(diǎn)將獲取的多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一副完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制點(diǎn)將完整點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全球坐標(biāo)下；

4)采用Ransac算法提取巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息，進(jìn)而獲取結(jié)構(gòu)面的方程和結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

5)根據(jù)結(jié)構(gòu)面方程計(jì)算兩結(jié)構(gòu)面相交的交線方程，通過(guò)結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)和交線方程的關(guān)系判斷兩個(gè)結(jié)構(gòu)面是否相鄰且相交，并且通過(guò)結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)和交線方程的關(guān)系刪除不相鄰的結(jié)構(gòu)面；計(jì)算兩個(gè)相鄰且相交結(jié)構(gòu)面的交線段兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過(guò)編碼歸類(lèi)方法將相鄰且相交的結(jié)構(gòu)面提取出來(lái)構(gòu)成塊體；

6)將整個(gè)點(diǎn)云封閉，通過(guò)Flood Fill算法將封閉后的點(diǎn)云劃分為內(nèi)部和外部空間，內(nèi)部充滿Flood Fill填充點(diǎn)，外部沒(méi)有點(diǎn)，通過(guò)判斷塊體內(nèi)部是否有點(diǎn)來(lái)區(qū)分真實(shí)塊體和虛假塊體，僅保留真實(shí)塊體；

7)采用編碼過(guò)濾方法檢查并剔除重復(fù)計(jì)算的塊體；

8)重復(fù)步驟（5）-（7），提取開(kāi)挖坡面出現(xiàn)的所有真實(shí)巖石塊體；

9)在三維空間生成平面相交而成的三維數(shù)字塊體模型；

10)統(tǒng)計(jì)巖塊的體積和塊度分布。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是：

1.本發(fā)明采用三維激光掃描技術(shù)通過(guò)非接觸式獲取開(kāi)挖坡面的空間信息，極大的降低了傳統(tǒng)方法人工作業(yè)的勞動(dòng)量以及危險(xiǎn)性，同時(shí)避免了人工測(cè)量中的主觀性，在提高效率的同時(shí)大大的提高了測(cè)量精度。

2.本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化提取開(kāi)挖坡面出現(xiàn)的所有的真實(shí)巖石塊體。傳統(tǒng)的開(kāi)挖邊坡塊體人工測(cè)量分析方法效率低下，而且只能測(cè)量坡腳塊體。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖坡面發(fā)育的結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面組合形成的巖石塊體的全自動(dòng)提取，效率和精度較高。

3.本發(fā)明在整個(gè)操作過(guò)程中，是在最原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上操作，無(wú)需像其他點(diǎn)云處理方法需要進(jìn)行點(diǎn)云三角化建模，避免了封閉點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角化時(shí)誤連、錯(cuò)連的情況，具有更廣泛的適用范圍。

4.本發(fā)明所提取的塊體都是真實(shí)塊體，具有真實(shí)的三維位置信息，體積信息，相比傳統(tǒng)方法中建立隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)提取塊體的方法，本發(fā)明具有更高的準(zhǔn)確度和真實(shí)性。

5.本發(fā)明可以自動(dòng)化提取開(kāi)挖坡面的巖石塊體信息，直觀反映結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體發(fā)育程度，克服了人工測(cè)量耗時(shí)耗力的弊端；可以根據(jù)提取的巖塊統(tǒng)計(jì)信息來(lái)評(píng)價(jià)巖體完整性程度，為開(kāi)挖邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

6.本發(fā)明可為開(kāi)挖坡面巖石塊體穩(wěn)定性分析和完整性評(píng)價(jià)提供幾何基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適用于采礦工程，水利水電交通工程和巖土工程等領(lǐng)域的開(kāi)挖邊坡巖石塊體穩(wěn)定性分析與開(kāi)挖坡面巖體完整性評(píng)價(jià)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的照片及控制點(diǎn)布置圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的掃描儀布置示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的激光掃描點(diǎn)云圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提取塊體流程示意圖，其中，a為結(jié)構(gòu)面編碼排序，b為提取結(jié)構(gòu)面交線，c為剔除虛假塊體，d為提取真實(shí)塊體；

圖6為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例提取的巖石塊體的三維重構(gòu)。

附圖中：1—掃描巖體外表面；2—控制點(diǎn)；3—掃描邊坡范圍；4—掃描儀；5—掃描儀激光射線；6—巖體結(jié)構(gòu)面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖2-6所示，一種開(kāi)挖邊坡巖塊信息提取與三維重構(gòu)方法，包括如下步驟：

（1）在開(kāi)挖邊坡坡面掃描區(qū)域布置控制點(diǎn)（見(jiàn)圖2），理論上只需要3個(gè)控制點(diǎn)，實(shí)際操作中可以布設(shè)3個(gè)以上的控制點(diǎn)以減小拼接誤差。對(duì)于控制點(diǎn)的選取可以是突出的石頭角點(diǎn)，可以是油漆標(biāo)識(shí)的測(cè)點(diǎn)，也可以是掃描儀配套的標(biāo)靶；

利用全站儀，測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，形成控制點(diǎn)全球坐標(biāo)文件；

（2）在邊坡正前方，從不同站點(diǎn)對(duì)巖體進(jìn)行掃描（見(jiàn)圖3），以確保所有巖體都可以掃描到，獲取開(kāi)挖坡面的不同站點(diǎn)的多幅激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（3）使用點(diǎn)云處理軟件，將不同站點(diǎn)的多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)控制點(diǎn)拼接在一起，并根據(jù)控制點(diǎn)將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全球坐標(biāo)下，形成一幅完整的巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型（見(jiàn)圖4）及數(shù)據(jù)文件；

（4）通過(guò)Ransac算法，全自動(dòng)提取出巖體結(jié)構(gòu)面的幾何信息，進(jìn)而獲取結(jié)構(gòu)面方程和結(jié)構(gòu)面上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所有提取的結(jié)構(gòu)面按照結(jié)構(gòu)面大小進(jìn)行編碼排序。在本示意圖5（a）中為平面1-5；

（5）如圖5（b）所示，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)面方程計(jì)算兩結(jié)構(gòu)面相交的交線方程，通過(guò)結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)和交線方程的關(guān)系判斷兩個(gè)結(jié)構(gòu)面是否相鄰且相交，并且通過(guò)結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)和交線方程的關(guān)系刪除不相鄰的結(jié)構(gòu)面。根據(jù)空間幾何求出兩兩相鄰且相交的結(jié)構(gòu)面的交線段的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)（圖中虛線為交線段），然后通過(guò)編碼歸類(lèi)方法將兩兩相交的結(jié)構(gòu)面提取出來(lái)構(gòu)成塊體。此時(shí)塊體由6個(gè)交線段端點(diǎn)表示，最后將角點(diǎn)處的三個(gè)點(diǎn)合并為1個(gè)點(diǎn)，最終由四個(gè)端點(diǎn)代表塊體。在本示意圖中，平面1、2、3，平面2、3、5以及平面1、3、4都構(gòu)成了塊體，前兩個(gè)為真實(shí)塊體，最后一個(gè)為虛假塊體，因此下一步需要區(qū)分真實(shí)塊體和虛假塊體及刪除重復(fù)計(jì)算塊體；

（6）如圖5（c）所示，首先將整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)封閉起來(lái)，利用Floodfill算法將點(diǎn)云內(nèi)部填滿點(diǎn)，此時(shí)凸起的真實(shí)塊體內(nèi)部充滿點(diǎn)，而凹陷的虛假塊體內(nèi)部沒(méi)有點(diǎn)，通過(guò)塊體內(nèi)部是否有點(diǎn)來(lái)區(qū)分真實(shí)塊體和虛假塊體。

（7）通過(guò)步驟（6），得到所有真實(shí)塊體，這一步將使用編碼過(guò)濾剔除被重復(fù)計(jì)算的塊體。如果兩個(gè)塊體中，有兩個(gè)面的編碼是一樣的，可判定該塊體被計(jì)算兩次。如圖5（d）所示，最終可以得到由四個(gè)端點(diǎn)代表的真實(shí)塊體。

（8）重復(fù)步驟（5）-（7），提取開(kāi)挖坡面出現(xiàn)的所有真實(shí)巖石塊體（見(jiàn)圖6的B1~B9），計(jì)算出開(kāi)挖坡面所有塊體的體積，將計(jì)算的塊體體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)計(jì)算塊體體積與巖體區(qū)域體積比，得到邊坡掃描區(qū)域巖體的塊度分布，根據(jù)塊度分布評(píng)價(jià)巖體的完整性。

將掃描巖體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)、塊體數(shù)據(jù)等存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以備查用。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。