基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法

摘要

本发明提供了一种基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法，首先采集隧道壁的点云数据，然后确定潜在结构面线条，接着判定隧道两侧潜在结构面线条是否属于同一隧道线状出露结构面，如果是则确定该平面的平面方程及法向量，最后得到隧道线状出露结构面的产状。本发明为隧道工程中对线状出露结构面的确定提供了一种判定新思路，并基于这种结构面的平面定义进行产状测量，能够实现快速、精确、高效地获取结构面产状信息的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法，属于工程地质勘察领域的线状出露结构面测量技术。

背景技术

岩体由结构面和结构体组成，由于结构面的存在使岩体具有一定的结构，其结构特性是岩体力学行为、变形和破坏形式的主要控制因素，因此，在岩土工程与工程地质等领域，一般从岩体结构特征方面对岩体的稳定性进行评价。目前对于岩体结构的测量主要采取测线法和统计窗法等，虽然这些传统测量方法目前较为常用且采集到的结构面信息也较为准确全面，但是传统调查方法普遍存在工作量大、工作周期长和费用高等不足，如遇高陡边坡或难以开展现场调查边坡就更加难以使用传统调查方法，因此，如何快速，精确，高效地获取结构面信息成为亟待解决的问题。

随着近年来三维激光扫描技术的兴起和国家公路、铁路建设，许多专家学者采用该技术在隧道工程中对岩体结构进行快速采集，由于三维激光扫描技术仅能获取岩体表面的点云数据，对于面状出露的结构面识别较为简单，“一种基于三维激光扫描技术的结构面测量方法”(申请号：201510025427.1)中较为详细的阐述了面状结构识别的过程，然而在实际应用中调查发现，隧道开挖后，结构面往往受到开挖影响在隧道壁只是以线状形态出露，很难找出不共线的三点确定该结构面，显然遇到这种情况时，三维激光扫描技术在面状结构面的识别方法就不再适用，造成三维激光扫描技术在工程应用上的瓶颈。如何在隧道工程中也可以做到快速识别线状结构面产状信息，仍是一个亟待解决的难点问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法，一方面结合三维激光扫描技术的独特优势弥补传统测量方法的不足，另一方面首次提出在隧道工程针对线状出露结构面的识别方法，这种方法的提出具有较强的科学研究价值和工程实践意义。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法，包括以下步骤：

(1)用三维激光扫描仪对隧道内部进行点云数据采集，所述点云数据包括隧道壁上的点的位置信息和颜色信息；

(2)利用采集到的点云数据确定潜在结构面线条；

(3)以过隧道顶点的纵向切面为对称面，将对称面一侧的潜在结构面线条依次与对称面另一侧的潜在结构面线条进行比较，判定对称面两侧的潜在结构面线条是否属于同一隧道线状出露结构面，如果是，则进入步骤(4)；

(4)利用隧道线状出露结构面上的点的位置信息，拟出该隧道线状出露结构面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0，其中A、B、C和D为方程参数且A、B和C不同时为0，则隧道线状出露结构面的法向量的坐标为(A,B,C)；

(5)通过法向量确定该隧道线状出露结构面的产状。

步骤(2)所述利用采集到的点云数据确定潜在结构面线条，具体是利用采集到的点云数据再现隧道壁地质环境，结合颜色信息勾勒出潜在结构面线条。

步骤(3)所述判定对称面两侧的潜在结构面线条是否属于同一隧道线状出露结构面，具体通过结构面的发育特征来判断，所述发育特征包括结构面的空间延伸性，结构面的填充物质，结构面的粗糙度。

步骤(3)所述隧道线状出露结构面的产状包括：

隧道线状出露结构面的走向

隧道线状出露结构面的走向线与法向量的夹角

隧道线状出露结构面的倾向

隧道线状出露结构面的倾角

其中，E、S、W和N分别表示方位东、南、西和北。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明基于三维激光扫描技术的独特优势，能够弥足传统测量方法的不足，基于激光的相关特性，隧道内的光亮程度不会影响点云数据的采集，能够节省采集时所需的照明设备；

(2)本发明为隧道工程中对线状出露结构面的确定提供了一种判定新思路，并基于这种结构面的平面定义进行产状测量，能够实现快速、精确、高效地获取结构面产状信息的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的点云数据采集示意图。

图2是本发明实施例的线装节理示意图。

图3是本发明实施例的线装节理及其上的点的示意图。

图4是本发明时实例的隧道线状出露结构面示意图。

图中，1-三维激光扫描仪，2-线状节理，3-隧道线状出露结构面上的点，4-隧道线状出露结构面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于三维激光扫描技术测量隧道线状出露结构面的方法，包括以下步骤：

(1)参照图1，用三维激光扫描仪1对隧道内部进行点云数据采集，所述点云数据包括隧道壁上的点的位置信息和颜色信息；基于激光的相关特性，隧道内的光亮程度并不会影响点云采集；

(2)利用采集到的点云数据确定潜在结构面线条：参照图2，将采集到的点云数据输入计算机，在计算机中利用采集到的点云数据再现隧道壁地质环境，实现3D实景复制，结合点云采集时激光反射的敏感度和颜色信息，可以初步判断出线状节理2，一般即为结构面与隧道壁面交线，在隧道两壁通常会有类似对称线状节理出现，将线状节理2作为潜在结构面线条；

(3)以过隧道顶点的纵向切面为对称面，将对称面一侧的潜在结构面线条依次与对称面另一侧的潜在结构面线条进行比较，具体可通过结构面的发育特征来判断，发育特征包括结构面的空间延伸性，结构面的填充物质，结构面的粗糙度等，判定对称面两侧的潜在结构面线条是否属于同一隧道线状出露结构面，如果是，则进入步骤(4)；

(4)参照图3，利用隧道线状出露结构面上的点3的位置信息(点的总数大于2)，利用计算机拟出如图4所示的该隧道线状出露结构面4，隧道线状出露结构面4的平面方程Ax+By+Cz+D＝0，其中A、B、C和D为方程参数且A、B和C不同时为0，则隧道线状出露结构面的法向量的坐标为(A,B,C)。其中不会成立，因为时A、B和C同时为0，不存在这样的平面方程。

(5)通过法向量确定该隧道线状出露结构面的产状。

所述隧道线状出露结构面的产状包括：

隧道线状出露结构面的走向

隧道线状出露结构面的走向线与法向量的夹角

隧道线状出露结构面的倾向

隧道线状出露结构面的倾角

其中，E、S、W和N分别表示方位东、南、西和北。