基于三维点云的岩体结构面信息快速化识别方法研究

岩体中结构面调查和产状分析是开展工程岩体稳定性分析的基础工作之一,为解决传统测线方法获取岩体结构面产状信息存在的效率低、风险高、主观性高和数据共享难等问题,采用MATLAB计算平台,针对复杂岩体表面三维点云数据开展岩体结构面自动识别算法研究,提出基于敏感性参数近邻点数k、夹角阈值j和过滤因子f的结构面识别算法.首先基于...     

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

 为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标 。 即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比, 体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及 的计算。以工程应用实例,展示 的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的 ,结果表明：基于 评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面 随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究 与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外, 可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

基于激光点云数据的索引与可视化综述

旨在针对三维激光扫描仪获取海量点云数据管理操作困难、存储不便,导致后续数据处理操作复杂、可视化不便等问题进行探讨。对近几年大量文献关于点云索引与可视化的文献进行研究,本文综合分析当前研究点云数据处理和可视化的几个过程,研究表明：(1)点云数据可视化之前需要经过点云去噪、点云精简、点云配准、点云分割、点云索引和三维建模等步骤才能更好地达到可视化效果;(2)当前,三维点云索引按照划分方式主要分为八叉树索引、格网索引、R树索引、KD树索引,上述单一索引虽各有优点,但是面对海量点云数据时均存在缺陷,需要构建混合索引以提高索引效率。     

岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法

岩体结构面粗糙度系数JRC影响着岩体的变形、破坏以及渗流特性,其数据采集与评价取值问题一直是岩石力学领域的热点和难点。目前研究方法多集中于二维,无法体现JRC的三维特性;即使现有的三维评价方法,也多数仅从几何数据单方面入手,没有考虑JRC的各向异性。鉴于此,提出基于光亮面积百分比BAP的岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法。首先,运用三维激光扫描技术,建立岩体结构面三维数字模型;其次,通过模拟虚拟光源,在岩体结构面表面产生光亮与阴影,并生成图片;然后,基于图像分割技术,设置灰度阈值,提取大于灰度阈值的光亮部分面积,并计算岩体结构面的光亮面积百分比;最后,结合R. Tse和D. M. Cruden提出的JRC计算公式,考虑剪切或渗流方向,得出岩体结构面三维粗糙度系数估算公式。以鱼简河水库工程为例,实验结果表明：(1) 在光源照射角度相等的情况下,光亮面积百分比与岩体结构面三维粗糙度系数成正比关系。(2) 通过对比分析,光源照射角度过大(70°～85°)或过小(5°～35°)时,易产生误差,入射角介于35°～70°范围内时为最佳入射角。(3) 基于该工程数据推导出JRC3D与BAP之间的估算公式。通过验证,试样Y10,Y11,Y12根据R. Tse和D. M. Cruden公式所得到的JRC3D分别为16.47,16.81,16.69,根据新估算公式计算的JRC3D分别为17.20,17.40,17.17,具有较好的一致性。     

三维岩体点云数据地质信息提取方法

三维激光扫描技术具有连续、自动和快速获取目标物表面信息的能力.文章提供了一种方法,采用此技术获取目标岩体结构的高精点云数据,并基于开源C++编程库PCL封装算法,在点云数据中识别并分割结构面,从而提取岩体结构面的产状和几何信息.经边坡防护工程实践,该方法的可靠性和适用性较强.尤其在传统的测量方法难以施展的高陡危岩地区,可为地质岩体的规模和结构面特征精确调查提供有力参考.     

基于无人机技术获取岩体结构面信息应用前景

提取边坡岩体结构面几何信息,分析结构面分布组合规律是研究岩质边坡变形规律与破坏机理的基础.传统的采集方法工作效率极低,无人机摄影测量技术具有非接触、高效率的突出优势,建立的三维实景模型可以全方位展示岩质边坡实际状态,易于解译其中携带的地质参数.目前,许多学者开展了应用该项技术获取岩体结构面几何信息的研究工作,取得了丰硕...     

基于无人机技术获取岩体结构面信息方法研究

岩质边坡的稳定性主要取决于坡体内部结构面的发育特征和性质.获取边坡岩体内部结构面的几何信息,特别是产状数据,对于研究结构面的组合规律及进一步评价边坡的稳定性具有非常重要的意义.传统的结构面采集方法工作效率极低,且对于高陡岩质边坡,技术人员无法到达.无人机摄影测量技术具有非接触、高效率的突出优势,能够有效弥补传统方法的不...     

岩体结构面网络三维模拟的工程应用研究

主要介绍了岩体结构面网络三维模拟技术及其工程方面的研究。利用结构面网络模拟可以建立岩体的结构模型，研究岩体的结构特征，用于岩体质量评价、隔了体搜索等，在岩体力学问题研究中有着重要作用。     

岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析

 岩体结构面形貌存在明显的各向异性和尺寸效应特征。由于结构面本身的复杂性,定量表征其属性仍是该领域的研究难点。鉴于此,考虑岩体结构面的地质本质性特征,应用地质统计学原理,提出采用变异函数参数(基台C和变程 )表示结构面粗糙度(JRCv)的方法;然后采用量纲分析法,给出JRCv表达式。应用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围(100 Pixel×100 Pixel～1 000 Pixel×1 000 Pixel) 32个方向上的JRCv值,分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。研究结果表明：(1) 从表观看,沿分析方向,结构面越粗糙,JRCv值越大,JRCv可以定量表征结构面粗糙度及其各向异性特征;(2) 在结构面分析方向上,随尺寸范围的增大,JRCv值逐渐减小,达到一定范围时,JRCv值趋于稳定,通过分析各方向上JRCv值随尺寸范围的变化趋势,可以确定结构面的临界范围;(3) 结构面各向异性特征受结构面研究范围的影响,当研究范围达到一定尺度时,结构面各向异性特征趋于稳定。该研究成果将为定量分析岩体结构面力学性质强弱方向提供依据,为实验室或原位结构面力学试验选择合理尺寸试件提供一种新方法。     

岩体结构面产状的综合模糊聚类分析

在岩体的力学和水力学分析中,岩体结构面产状的分析是极为重要的基础工作。传统的结构面产状图形分析较粗糙,因此模糊聚类方法得到了一定的应用。分析了模糊等价聚类方法和模糊软划分聚类方法在岩体结构面产状分析中的优缺点,并将上述2种方法结合起来形成岩体结构面产状的综合模糊聚类分析方法,给出具体的计算方法和过程。实例分析表明,结构面产状综合模糊聚类分析方法对结构面产状的分类合理,结果可靠,可根据实际问题灵活运用。     

基于VirtuoZo的岩体结构面几何信息获取研究

针对目前岩体结构面信息获取主要以人工现场接触测量为主,劳动强度大、效率低下的现状,进行基于数字摄影测量工作站--VirtuoZo获取岩体结构面几何信息的研究,以期为岩体结构面几何信息的快速获取开辟新的途径.以边坡为研究对象,以全站仪空间前方交会法进行控制测量,以普通数码相机为摄影工具,应用VirtuoZo进行像物关系模型的建立,获取立体影像并测取边坡岩体结构面特征点的空间坐标;再结合所研究的结构面迹线展示模型和基于空间坐标的产状计算模型,获取结构面的迹长和产状信息.与采用人工罗盘测得的产状信息进行比较,得到基于VirtuoZo的岩体结构面产状信息获取的精度.通过广州保利林语山庄边坡加固工程中岩体结构面几何信息获取和应用实践表明,该方法可行且有广阔的应用前景.     

工程岩体三维构模中钻孔数据处理方法

钻探、物探等工程地质勘察数据是揭示工程岩体空间状态的原始数据,其大量原始数据的处理是工程岩体三维构模中存在的主要困难之一。从三维构模的角度出发,将工程岩体按几何特征抽象为连续性岩体、断裂岩体、倒转褶皱岩体和侵入岩体4种结构单元类型。由于钻孔数据是描述工程岩体的重要原始数据,且具有多尺度性的特点,以钻孔数据为例,提出原始数据的纵向概化准则、横向概化准则和纵横向协调准则的处理方法,解决工程岩体多尺度显示问题。根据地质学的地质数据解释方法,结合岩层层状分布的特点,提出工程岩体三维构模中急需的钻孔数据处理方法:原始数据纵向概化准则和原始数据层处理概化方法。利用层处理方法对实测钻孔数据进行概化处理,确定工程岩体所对应的结构单元类型,进而建立组合结构工程岩体三维模型,验证了所提出的钻孔数据处理方法的可行性。     

第一拐点法确定结构面长期强度的研究

在岩石双轴流变试验机上进行了圆柱体标准试件单轴抗压强度试验、结构面常规剪切试验以及结构面剪切蠕变试验,利用蠕变曲线第一拐点法确定了不同粗糙度结构面试件在不同法向应力条件下的长期强度,并将其与结构面的瞬时强度进行了对比。     

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。     

一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法

根据结构面发育的主要特点以及工程实际需要，合理选择划分岩体结构均质区的岩体参数是必要的。在某些特殊情况下，选择结构面密度作为划分均质区的依据更为合适。为此，提出了一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法，即密度分区方法，并通过对西南某大型水电站工程侧裂结构面的密度分区，证明了该方法的可行性。该方法简单、直观、易于操作，有很强的推广实用价值。     

基于遗传算法的岩体结构面的模糊C均值聚类方法

提出了一种基于遗传算法的岩体结构面模糊C均值聚类方法,避免了人为划定分类界限的主观性,解决了模糊C均值聚类算法的局部最优的弱点。同时结合现场实测数据,对应用该方法进行结构面产状分类的具体步骤、参数选取、分组有效性和优势方位判定进行了分析和讨论。     

基于空间智体模型的岩体稳定性分析方法

采动岩体稳定性是解决矿山安全问题的关键所在,但是,由于岩体赋存于复杂的地质环境中,变形破坏特征是地质构造、地下水、采矿方法及环境等诸多不确定性因素共同作用的结果,表现为复杂的非线性动力学特性,故采用单一方法难以表征这种复杂系统特性,需要探求一种新的方法。在现有分析方法分析和总结的基础上,研究开采影响范围内的岩体在外界采矿工程环境变化时表现出的自适应系统行为,建立了基于空间智体的岩体稳定性分析模型,通过采动空间智体的内部属性特征、学习机制和外在行为涌现表征岩体的稳定状态及变形破坏规律,最后进行了实例验证。     

基于激光扫描的高边坡危岩体识别及锚固方法研究

 利用三维激光测量技术获取高陡边坡的高密度点云坐标数据,建立高边坡表面模型。基于三维激光点云数据提取高陡边坡的岩体结构面的产状和几何信息数据。在此基础上,提出危岩块体的识别方法,即将高陡边坡的危岩体点云数据进行构网,形成为块体单元,然后利用虚拟结构面对块体单元进行分割,形成空间块体模型,并根据危岩体失稳类型对空间块体模型进行分类。基于极限平衡理论和各类危岩的破坏机制以及作用在危岩体上荷载组合,建立危岩体锚固计算方法。将该方法应用于东平白佛山边坡的危岩体调查及治理中,根据白佛山边坡危岩体的主要荷载类型(如自重、裂隙水压力和地震力等)及不同类型的危岩体稳定系数,计算不同类型危岩体的最小锚杆数。研究结果表明：(1) 三维激光扫描技术可以远距离、快速获取高陡边坡的空间坐标数据,进而获取岩体结构面的空间信息和产状;(2) 基于危岩体空间坐标数据、结构面空间信息和不同荷载组合,可进行危岩体分类和锚固计算,得到危岩锚固所需的锚杆或锚索数,为危岩锚固治理设计提供依据。工程实例表明,该方法具有较强的适用性和可靠性,有助于高陡边坡危岩体加固方案的设计和优化。