一种基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法

摘要

本发明公开了一种基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法。它包括如下步骤：采用三维激光扫描仪对岩体进行扫描，获取具有RGB值的点云；将点云导入专业处理软件进行处理；利用产状面模板或在三维激光点云上提取不共线的三个点，对岩体结构面进行快速识别；岩体结构面识别完成后将结构面延伸后进行相互切割形成定位或半定位三维块体；块体的空间位置及规模确定后，可对块体进行分析，指导工程支护设计。本发明具有快速、精确识别岩体结构面，识别过程简单易操作，实用性强，能指导工程支护设计的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及三维激光扫描及三维地质建模技术领域，更具体地说它是基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法。

背景技术

三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，它利用非接触式高速激光测量，以点云的形式获取地形或物体表面复杂几何图形的三维数据。该技术突破了传统的单点测量方法，最大特点就是采集密度高，速度快、精度高、逼近原形、扫描距离远。目前，将三维激光扫描仪采集的点云传输到专用的三维激光扫描后期数据处理软件中进行点云数据的拼接、缩减、抽稀及去噪，生成三角高程格网，再利用三角高程格网有效地建立立体模型，可以用于地形图测绘、土石方体积测量、地表边坡及地下洞室编录、边坡变形监测、桥梁变形监测、桥梁病害检测以及模型修正等方面。

工程岩体稳定性问题常表现为岩体结构面相互切割形成的块体失稳，要评价块体稳定性需获得完整、可靠的岩体结构面信息。长久以来，国内外众多专家学者对于获取岩体结构面几何信息的方法进行了不同的尝试和研究探索。三维激光扫描技术成熟以后，国内外的一些专家学者已经将其应用在岩体结构面获取方面。Siekfo等用激光扫描仪扫描了岩体边坡，得到了岩体表面三维激光点云数据，取得了一些初步成果。Slob等对激光扫描点云数据进行三角网格重建，认为每一个三角面片产状代表一个结构面产状，再使用模糊K均值法对结构面进行分组。Leto等把相连三角形面片法向夹角小于设定阈值的三角形面片进行聚类，当聚类三角面片面积大于设定阈值时认为该聚类为结构面。Hummah等研究了如何利用模糊群聚方法实现结构面自动识别。何秉顺等和施星波通过手工选取扫描数据点，然后再根据数据点拟合平面，实现半自动识别岩体结构面。刘昌军等对三维激光点云数据进行三角形网格化重构，对岩体结构面进行拟合，并用模糊C平均群聚方法对其产状进行聚类，还用不同颜色表示结构面的聚类结果。Riquelme提出了基于激光扫描三维点云的利用k最近邻算法(k-nearest neighbor,KNN)主成分分析(principal component analysis,PCA)识别和定义岩质边坡露头面不同平面代数方程的一种新方法，并进行了参数的敏感性分析。

以上利用三维激光扫描技术进行岩体结构面识别大多基于各类算法，需要很强的数学功底，过程复杂，不直观。且岩体结构面识别之后未对其进行延伸并相互切割，不能快速形成块体进而对其进行分析，对工程支护设计的指导作用不强。

因此，现亟需开发一种识别过程简单、能快速识别岩体结构面的方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法，利用三维激光扫描技术，在达索3DE平台，采用几何法，在已测得产状的情况下利用产状面模板，未测得产状的情况下利用不共线的三点构建平面，快速、精确识别岩体结构面，识别过程简单，一般地质工程师均可操作，实用性强；岩体结构面识别之后，再根据块体理论将岩体结构面假定为平面且贯穿整个区域，将结构面延伸后进行相互切割形成定位或半定位三维块体，从而确定了块体的空间位置及规模，再对块体进行分析，指导工程支护设计。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采用三维激光扫描仪对岩体进行扫描，获取具有RGB值的点云；

步骤二：将点云导入3DE平台，利用3DE平台点云编辑功能，进行点云数据的拼接及去噪处理；

步骤三：利用产状面模板或在三维激光点云上提取不共线的三个点，对岩体结构面进行快速识别；

步骤四：岩体结构面识别完成后，通过修改结构面长度及宽度参数将结构面进行延伸，再利用3DE平台修剪功能将结构面进行相互切割，形成定位或半定位三维块体，确定三维块体的空间位置及规模；

步骤五：块体的空间位置及规模确定后，对块体进行分析，指导工程支护设计。

在上述技术方案中，在步骤一中，岩体包括隧洞、边坡。

本发明具有如下优点：

(1)本发明采用几何法在已测得产状的情况下利用产状面模板，未测得产状的情况下利用不共线的三点构建平面，实现了基于三维激光扫描数据的岩体结构面快速、精确识别，识别过程简单，一般地质工程师均可操作，实用性强；克服了现有技术基于三维激光扫描技术采用各类算法进行岩体结构面识别，过程复杂，不直观的缺点；

(2)本发明根据块体理论将岩体结构面假定为平面且贯穿整个区域，在快速、精确识别岩体结构面的基础上，将结构面延伸后进行相互切割形成定位或半定位三维块体，从而确定了块体的空间位置及规模，可分析块体形态、计算块体体积及求解块体交线的最大高度，对工程支护设计具有重要的指导作用；克服了现有技术基于三维激光扫描技术对岩体结构面识别之后，相关分析并未涉及，对工程支护设计的指导作用不强的缺点。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明实施例中的三维激光点云导入3DE平台的结构示意图。

图3为本发明实施例中利用产状面模板识别岩体结构面的结构示意图。

图4为本发明实施例中产状面模板的示意图。

图5为本发明实施例中将结构面延伸切割形成块体的结构示意图。

图6为本发明实施例中进行建筑物顶部块体分析的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种基于三维激光扫描技术岩体块体分析方法，包括如下步骤：

步骤一：采用三维激光扫描仪对岩体进行扫描，获取具有RGB值(其中，RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色)的点云；

步骤二：将点云导入专业处理软件进行处理(如，将点云导入3DE平台，进行点云数据的拼接及去噪处理，使点云数据合理、美观)；

步骤三：利用产状面模板或在三维激光点云上提取不共线的三个点，对岩体结构面进行快速识别；

步骤四：岩体结构面识别完成后，通过修改结构面长度及宽度参数将结构面进行延伸，再利用3DE平台修剪功能将结构面进行相互切割，形成定位或半定位三维块体，即可确定三维块体的空间位置及规模；

步骤五：块体的空间位置及规模确定后，可对块体进行分析，指导工程支护设计(如图1所示)；在三维激光扫描技术进行岩体结构面识别基础上将结构面延伸后相互切割形成了块体，进而对块体进行分析，指导工程支护设计，识别过程简单，可操作性强，实用性强，对工程支护设计具有重要的指导作用。

进一步地，在步骤一中，岩体包括隧洞、边坡等。

其中，上述3DE平台为现有技术，为3DEXPERIENCE的简称，是基于单一数据源的3D建模、仿真、协同数据管理及信息智能应用平台。

实施例

现以本发明应用于某隧洞为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其他岩体具有指导作用。

一种基于三维激光扫描技术某隧洞的岩体块体分析方法，其具体操作步骤如下：

1)采用FARO150激光扫描仪(为现有技术)对隧洞、边坡等岩体进行扫描；

2)将具有RGB值的三维激光扫描点云导入3DE平台，进行点云数据拼接、缩减、抽稀及去噪，如图2所示(图2中可以看出：在3DE平台中显示的三维激光点云)；

3)在已知结构面产状的情况下，通过产状面模板对结构面进行识别如图3所示(图3中可以看出：利用产状模板对二个结构面进行识别)；其中，产状面模板是利用3DE平台制作模板的功能根据产状的特点制备而成，其制备方法为现有技术)；本实施例的产状面模板如图4所示(图4为本实施例产状面模板；图4中，X、Y、Z表示平面直角坐标系，为现有技术)，输入元素为一个点及XY平面(其中，XY平面，为平面直角坐标系中的X面、Y面，为现有技术)，由倾向、倾角、长、宽四个参数控制；当结构面产状未知时，则可在结构面点云上提取不在同一直线上的三个点，亦可快速确定结构面；

4)根据块体理论，假定结构面为平面且贯穿整个区域，将结构面延伸之后相互切割形成定位或半定位三维块体，如图5所示(图5为将结构面F1、F2、F3进行延伸后相互切割形成块体)；

5)分析块体在建筑物顶部的形态、体积及块体交线的最大高度如图6所示(图6为利用建筑物顶板对块体进行切割，分析块体体积及交线最大高度)，指导工程支护设计。块体的体积及交线的最大高度就可以指导工程支护，不同体积块体支护方式不同。

结论：本实施例实现了基于三维激光扫描数据的岩体结构面快速、精确识别，识别过程简单，一般地质工程师均可操作，实用性强；分析块体形态、计算块体体积及求解块体交线的最大高度，对工程支护设计具有重要的指导作用。

其它未说明的部分均属于现有技术。