面向岩体结构面提取的3D Hough变换点云分割方法

通过三维激光扫描技术可快速获取地质对象高精度空间信息,有效弥补了传统地质编录方法存在工作强度大、作业危险性高等问题,应用前景广阔。目前,对三维激光扫描地质编录技术的研究主要集中于岩体结构面提取方法方面,但现有方法存在提取结果不完整、准确度低等问题。本文提出了一种融合3D Hough变换和区域生长的点云分割方法,针对随机选取区域生长种子点稳健性不足的问题,通过结合法向量的3D Hough变换提高种子点选取稳健性,实现岩体结构面的自动提取。实验证明,本方法能有效区分产状差距微小或大小不同的结构面,对主要结构面提取的准确率较高。     

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...     

基于FCN的岩石混凝土裂隙几何智能识别

裂隙几何的精准、高效识别是建立岩石混凝土材料非连续力学模型的基础。传统算法,如阈值分割、边缘检测与区域生长法等,基于有限经验,工作量大且识别精度低。人工智能识别迥异于人类经验,可自我循环、可自我正反馈甚至可实现自我学习。人造类材料中混凝土性能最接近于岩石,具有相似的裂纹几何分布特征。针对天然岩石与混凝土裂隙识别,尝试提出基于全卷积神经网络的智能识别算法。首先建立基于混凝土3种应用场景(建筑结构、路面及隧道表面)的裂隙数据集,经过卷积操作、池化操作与反卷积操作实现了误差值的迅速收敛。引入新的卷积核参数,架构新的全卷积网络,基于像素的二分类问题,利用查准率与查全率对识别模型进行评价,全卷积神经网络识别算法评价指标较好。进而结合矢量化算法,实现了裂隙几何长度、宽度及面积的实时统计。最后对边缘检测、大律法、区域生长法及全卷积神经网络算法进行了验证,任意选取5组图像进行识别,新算法提取的裂隙与标签图在定性上最相近,并且在定量上查全率与查准率也极大优于传统算法。全卷积神经网络随着自我学习的深入还可不断提高识别精度,降低误差,未来在岩石、混凝土等工程领域的应用具有巨大生命力。     

露天高陡边坡结构数字识别与破坏模式分析

岩体是由结构面和岩石组成的复合地质体,结构面的存在会在一定程度上降低岩体质量和露天矿山边坡稳定性。本文总结了常见的边坡破坏模式,以某露天高陡边坡为研究对象,开展基于Sirovision系统的岩体结构面调查与统计分析工作,获取了研究区域内48条结构面。采用K-means聚类算法得到3组优势结构面产状,发现区域边坡有发生楔形体破坏的可能,经计算楔形体在3种不同工况下的安全系数满足规范要求,表明区域边坡处于较为稳定状态。     

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.     

节理岩体结构面连通性研究及其应用

岩体结构面通过几何学和力学两方面影响岩体稳定性。因此，可将结构面连通性研究分解为2类问题：（1）反映空间方位效应及岩体水力学特性的几何学连通性；（2）反映岩体强度的力学连通性：从两方面能更全面的反映岩体结构面的工程性质。首先采用单测线法对节理岩体结构面进行统计测量，对获取的结构面的产状和迹长进行取样偏差校正和蒙特卡洛模拟，从而形成结构面网络模型。然后，对网络模型进行分析与计算，得到结构面在几何学意义上的连通性：并由网络模型寻求真正的优势控制性结构面。最后，以此类优势结构面为基础，与其他随机结构面进行耦合分析，结合岩桥破坏机制，运用动态规划方法搜索抗剪力最小路径，得到更符合工程实际的结构面在力学意义上的连通率。     

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.     

基于激光点云数据的岩体结构面全自动模糊群聚分析及几何信息获取

 岩体结构面的优势产状和几何信息是评价岩体结构面发育的重要指标,而传统的罗盘测量方法往往无法测量高陡边坡和危险边坡,且无法精确获取岩体结构面几何信息等。三维激光测量技术可以远距离获取裸露岩体坡面的高精度三维激光点云数据,进而可获取结构面的几何信息和实现全自动模糊群聚统计分析。对高精度激光点云数据进行三角网重构,计算重构的三角网平面方程的法向向量及产状,利用模糊C平均群聚方法对结构面产状进行群聚分类,并采用不同颜色表示结构面的群聚分类结果。在此基础上应用IDL语言编制基于海量激光点云数据的岩体结构面自动统计分析软件FSS,将该方法应用于怀柔桥梓镇一裸露岩石边坡结构面优势产状的统计分析中,统计结果表明,该方法具有快速和远距离测量的优点,且结构面群聚分类结果可靠、合理。     

北山沙枣园花岗岩岩体不同尺度结构面几何特征研究

花岗岩是我国高放废物处置库的候选围岩,其中发育的多尺度结构面对处置库的密闭性有关键影响。以北山沙枣园岩体为研究区域,选择II,III,IV～V级结构面为研究对象,在调研的基础上,采用野外测量的方法,获取多尺度结构面的迹长和产状参数。运用数理统计方法分析多尺度结构面迹长分布,相较于指数分布,幂律分布更符合多尺度结构面的迹长分布,呈现尺度无关的标度统一性,标度为2.236。采用基于粒子群算法的K-means聚类算法,分析多尺度结构面的优势产状,II级结构面的优势走向在NW320°附近,倾角为56°～76°,III级结构面的优势走向为NW304°～314°和NE43.5°,倾角分别为71.3°～72.9°和82.3°,IV～V级结构面最优结构面走向为NE38.8°～41.5°,优势倾角为70.0°～70.9°,呈现尺度相关的差异性。基于结构面"梯子"形态产生机制,结合大尺度结构面走滑应变生成次级结构面的模型,提出"梯子–剪切"模式,解释不同尺度结构面组合形态原因,建立沙枣园岩体多尺度结构面的成生联系。     

无人机在高放废物处置预选区不同尺度结构面调查中的应用

对于高放废物处置预选区的不同尺度结构面有效调查,是进行稳定性分析、渗流模拟等研究的前提。传统的地调手段—"跑野外",为追索典型构造行迹,翻山越岭,有时一无所获,难窥全貌,更难获取完整的形貌与参数。考虑到传统勘测的不足,引入高精度无人机摄影测量技术开展预选区内不同尺度岩体结构面的调查应用。基于高程模型DEM与正射影像DOM中的不同尺度结构面识别并对预选区某地下实验室候选场址断裂及其影响范围划定进行了测试,通过复核检验,证实无人机摄影测量可以针对不同尺度的结构面开展有效识别与后续数字化统计。无人机摄影测量技术能大大提高工作效率、降低人力成本,尤其是在预选区大区域结构面参数识别提取方面具备一定的实用价值。     

基于联系云的围岩稳定性可拓评价模型

针对围岩稳定性评价具有模糊随机性及评价指标的区间离散分布特点,构建了基于联系云的围岩稳定性可拓评价模型,该模型首先依据评价指标的分类标准确定联系云数字特征,并通过联系云表达物元和标准可拓域,以模拟分析待评样本与评价标准间的关系,进而由云贴近度构建可拓综合评判矩阵,结合主、客观组合权重评定围岩稳定性类别,实现统一定量表征待评样本与等级间的动态联系,并给出待评样本所属等级的可靠度。实例应用及与其他方法对比的结果表明,该模型应用于围岩稳定性评价是有效可行的,为多重不相容指标的随机模糊性不确定分析提供了可能,克服了正态云模型不能有效模拟区间分布数据的缺陷。     

Numerical modeling of discontinuous rock slopes utilizing the 3DDGM (three-dimensional discontinuity geometrical modeling) method

The geometry of discontinuities in a rock mass is one of the most important influences on the behavior and characteristics of that rock mass. The geometry of discontinuities largely determines the stability of the rock mass, as well as appropriate methods for reinforcing and stabilizing that mass. This study introduces the 3DDGM (three-dimensional discontinuity geometrical modeling) method, which is based on the 3DGM (three-dimensional geometrical modeling) algorithm that was developed using the Mathematica software package. The 3DDGM method provides essential input data for the stability analysis of a discontinuous rock mass using block stability assessment techniques or block modeling codes. The 3DDGM method developed in the present work was designed to model discontinuities in rock masses and to provide accurate values for discontinuity parameters (i.e., location, spacing, separation, system, orientation, etc.). This algorithm was developed to increase the accuracy of the discontinuity model based on the Heliot algorithm. The 3DDGM algorithm was tested by applying it to a real case, the sloping discontinuous rock mass at the phase 7 gas flare site in the South Pars Gas Complex in Assalouyeh, Iran, and the algorithm was successful in providing a three-dimensional model of the discontinuities in the rock mass at the site.     

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足。以长春市某高陡岩质边坡为研究对象,使用无人机进行航空影像数据采集,建立边坡的三维实景模型,并提取结构面产状数据。经与现场实测代表性结构面产状数据对比可知,新方法的精度较高。该方法为快速准确评价高陡岩质边坡稳定性提供了依据。     

双目系统的岩体结构面产状非接触测量方法

 提出一种改进的摄像机姿态获取方法,并据其实现岩体结构面产状的非接触测量。主要步骤为：(1) 将摄像机安置于云台上,令摄像机坐标系与云台坐标系重合,然后将其固定;(2) 通过规范拍摄过程将摄像机姿态参数减少为2个,然后以云台平面产状测量结果换算得到;(3) 通过摄像机姿态参数完成坐标系转换,于岩体三维数字模型上测量并得到结构面产状。对该方法中摄像机姿态测量误差造成的目标岩体结构面产状测量传播误差进行分析,通过对边坡和隧道开挖掌子面岩体的现场试验,发现该方法简便易行、精度与传统测量方法接近并有较大提升空间。此方法可以方便地实现岩体结构面产状完全非接触测量,并有效扩大测量范围、提高测量效率,避免测量人员暴露于裸露岩体下的危险。     

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理，提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点：（1）不连续面（如断层或节理）含于复合单元之中，在划分网格时不予考虑，使网格的生成大大简化：（2）复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元，每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到，而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到；（3）复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似，不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元，因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性，而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。     

采场底板岩层破坏与损伤分析

底板岩层在采动过程中的破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。在基于岩石工程破坏准则，探讨底板岩层破坏定义的前提下，依据现场综合观测资料，采用各向同性弹性损伤双标量模型的两个损伤变量描述底板岩层的裂隙演化，结合位移反分析的结果，研究底板岩层破坏的细观机理，可为开采煤层底板的安全性评价提供依据。     

基于权重融合和云模型的岩爆倾向性预测研究

岩爆倾向性预测是地下工程防灾减灾的基础工作之一。针对现有数学模型在确定岩爆指标综合权重中缺少必要的检验过程以及预测准确度不高的不足,提出了一种岩爆倾向性预测的改进云模型。改进模型通过云理论中的云雾化条件来对指标权重进行融合,进而获取通过检验后的指标综合权重;通过对原始云模型进行修正,运用综合云算法生成等级综合云,弥补了原始云模型对等级区间均值过于敏感的不足。最后将国内外若干岩爆实例用于验证提出模型的科学性和实用性。结果表明:基于云理论的权重融合方法能够获得更为合理的综合权重,提出的改进模型能够较好地应用于岩爆倾向性预测工作中。     

不连续岩体温度场的复合单元模型初步研究

 基于复合单元法原理和不稳定温度场的隐式解法,提出针对不连续岩体温度场的复合单元法。该算法的特点是每个复合单元可以含有任意的不连续面,如断层或节理,且当结构中含有需在计算中离散处理的不连续面时,网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。初步研究针对含1条节理的复合单元模型展开,假定岩块中无对流和辐射影响,推导岩块子单元和不连续面的热传导计算式,得到不连续岩体温度场的复合单元算法基本方程组,然后将该算法整合到传统有限元分析程序中。分别采用传统有限单元和复合单元法模拟热水流过单条裂隙时岩体温度场的变化过程,二者的计算结果非常接近,表明不连续岩体温度场的复合单元算法是合理和有效的,但其配套的温度场等值线后处理程序有待进一步完善。该算法的提出为深部岩体的多场耦合研究提供又一思路。     

岩质边坡结构面实用分类方法研究

已有岩体结构面分类方法多数为定性分类,很少定量给出结构面力学参数,难以在岩土工程设计中应用.而目前各种规范采用的实用分类方法在参数取值及分类指标描述等方面仍需进一步完善.在广泛收集公路、铁路、水利水电、城市建筑边坡岩体结构面试验成果的基础上,通过分析整理,对国标《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)结构面分类方法进行完善和补充,提出了相应的修正意见,提升了该分类方法的科学性与实用性,使岩质边坡设计更趋合理.研究成果可为岩质边坡工程技术规范修订提供参考.