CN106803281A - 一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法，其步骤主要包括：获取开挖边坡坡面的三维激光扫描点云数据；用Ransac算法提取边坡岩体的结构面几何信息；采用空间几何、Flood Fill算法与编码归类方法提取由结构面构成的岩石块体；重构岩块三维数字模型并对岩块体积和块度分布信息进行计算和统计。本发明可以自动化提取开挖坡面的岩石块体信息，直观反映结构面切割形成的块体发育程度，克服了人工测量耗时耗力的弊端；可以根据提取的岩块统计信息来评价岩体完整性程度，为开挖边坡的支护设计提供依据。

Description

一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法

技术领域

本发明属于边坡工程技术领域，具体涉及一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法。

背景技术

开挖边坡揭露的岩石块体及开挖坡面岩体的完整性和稳定性评估对边坡的加固支护方案设计具有重要的意义。

对于开挖边坡揭露的岩石块体，传统方法主要基于人工测量或建立随机结构面网络提取块体。由于开挖坡面结构面发育，由结构面组合形成的块体数量巨大，传统的人工测量方法无法统计开挖坡面所有岩石块体的块度分布，而且通常开挖边坡一个梯段的开挖高度达到15~20m，大多数结构面和结构面组合形成的块体人工无法测量；对于建立随机结构面网络提取块体的方法，由于输入的结构面是根据统计结果随机生成的，搜索得到的岩石块体并不能代表开挖坡面出现的真实块体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法，可以真实获取开挖坡面揭露的岩石块体形状和块度分布，克服了人工测量效率低、误差大、边坡坡面大多数部位无法直接测量的弊端，可为开挖边坡的支护设计提供依据。

本发明的原理在于：采用三维激光扫描仪技术对边坡岩体露头面进行快速非接触测量，获取岩体露头面的空间三维坐标信息。利用Ransac算法提取岩体的结构面几何信息，采用空间几何、Flood Fill算法与编码归类方法提取由结构面形成的岩石块体，并计算块体体积和统计块度分布。

一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法，包括以下步骤：

1)在待测量的开挖边坡坡面上布设不少于3个控制点，并记录控制点的全球坐标；

2)获取开挖坡面的不同扫描角度的多幅激光扫描点云数据；

3)通过控制点将获取的多幅点云数据拼接成一副完整的点云数据，并根据控制点将完整点云坐标转换到全球坐标下；

4)采用Ransac算法提取岩体结构面几何信息，进而获取结构面的方程和结构面对应的点云数据；

5)根据结构面方程计算两结构面相交的交线方程，通过结构面上的点和交线方程的关系判断两个结构面是否相邻且相交，并且通过结构面上的点和交线方程的关系删除不相邻的结构面；计算两个相邻且相交结构面的交线段两个端点坐标，然后通过编码归类方法将相邻且相交的结构面提取出来构成块体；

6)将整个点云封闭，通过Flood Fill算法将封闭后的点云划分为内部和外部空间，内部充满Flood Fill填充点，外部没有点，通过判断块体内部是否有点来区分真实块体和虚假块体，仅保留真实块体；

7)采用编码过滤方法检查并剔除重复计算的块体；

8)重复步骤（5）-（7），提取开挖坡面出现的所有真实岩石块体；

9)在三维空间生成平面相交而成的三维数字块体模型；

10)统计岩块的体积和块度分布。

与现有技术相比，本发明方法的优点是：

1.本发明采用三维激光扫描技术通过非接触式获取开挖坡面的空间信息，极大的降低了传统方法人工作业的劳动量以及危险性，同时避免了人工测量中的主观性，在提高效率的同时大大的提高了测量精度。

2.本发明可以实现全自动化提取开挖坡面出现的所有的真实岩石块体。传统的开挖边坡块体人工测量分析方法效率低下，而且只能测量坡脚块体。本发明实现了开挖坡面发育的结构面及结构面组合形成的岩石块体的全自动提取，效率和精度较高。

3.本发明在整个操作过程中，是在最原始的点云数据基础上操作，无需像其他点云处理方法需要进行点云三角化建模，避免了封闭点云数据三角化时误连、错连的情况，具有更广泛的适用范围。

4.本发明所提取的块体都是真实块体，具有真实的三维位置信息，体积信息，相比传统方法中建立随机结构面网络提取块体的方法，本发明具有更高的准确度和真实性。

5.本发明可以自动化提取开挖坡面的岩石块体信息，直观反映结构面切割形成的块体发育程度，克服了人工测量耗时耗力的弊端；可以根据提取的岩块统计信息来评价岩体完整性程度，为开挖边坡的支护设计提供依据。

6.本发明可为开挖坡面岩石块体稳定性分析和完整性评价提供几何基础数据，适用于采矿工程，水利水电交通工程和岩土工程等领域的开挖边坡岩石块体稳定性分析与开挖坡面岩体完整性评价。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的照片及控制点布置图；

图3为本发明实施例的扫描仪布置示意图；

图4为本发明实施例的激光扫描点云图；

图5为本发明实施例提取块体流程示意图，其中，a为结构面编码排序，b为提取结构面交线，c为剔除虚假块体，d为提取真实块体；

图6为本发明实施实例提取的岩石块体的三维重构。

附图中：1—扫描岩体外表面；2—控制点；3—扫描边坡范围；4—扫描仪；5—扫描仪激光射线；6—岩体结构面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步说明。

如图2-6所示，一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法，包括如下步骤：

（1）在开挖边坡坡面扫描区域布置控制点（见图2），理论上只需要3个控制点，实际操作中可以布设3个以上的控制点以减小拼接误差。对于控制点的选取可以是突出的石头角点，可以是油漆标识的测点，也可以是扫描仪配套的标靶；

利用全站仪，测量控制点坐标，形成控制点全球坐标文件；

（2）在边坡正前方，从不同站点对岩体进行扫描（见图3），以确保所有岩体都可以扫描到，获取开挖坡面的不同站点的多幅激光扫描点云数据；

（3）使用点云处理软件，将不同站点的多幅点云数据通过控制点拼接在一起，并根据控制点将点云坐标转换到全球坐标下，形成一幅完整的岩体点云数据模型（见图4）及数据文件；

（4）通过Ransac算法，全自动提取出岩体结构面的几何信息，进而获取结构面方程和结构面上对应的点云数据，所有提取的结构面按照结构面大小进行编码排序。在本示意图5（a）中为平面1-5；

（5）如图5（b）所示，首先根据结构面方程计算两结构面相交的交线方程，通过结构面上的点和交线方程的关系判断两个结构面是否相邻且相交，并且通过结构面上的点和交线方程的关系删除不相邻的结构面。根据空间几何求出两两相邻且相交的结构面的交线段的两个端点坐标（图中虚线为交线段），然后通过编码归类方法将两两相交的结构面提取出来构成块体。此时块体由6个交线段端点表示，最后将角点处的三个点合并为1个点，最终由四个端点代表块体。在本示意图中，平面1、2、3，平面2、3、5以及平面1、3、4都构成了块体，前两个为真实块体，最后一个为虚假块体，因此下一步需要区分真实块体和虚假块体及删除重复计算块体；

（6）如图5（c）所示，首先将整个点云数据封闭起来，利用Floodfill算法将点云内部填满点，此时凸起的真实块体内部充满点，而凹陷的虚假块体内部没有点，通过块体内部是否有点来区分真实块体和虚假块体。

（7）通过步骤（6），得到所有真实块体，这一步将使用编码过滤剔除被重复计算的块体。如果两个块体中，有两个面的编码是一样的，可判定该块体被计算两次。如图5（d）所示，最终可以得到由四个端点代表的真实块体。

（8）重复步骤（5）-（7），提取开挖坡面出现的所有真实岩石块体（见图6的B1~B9），计算出开挖坡面所有块体的体积，将计算的块体体积进行统计，通过计算块体体积与岩体区域体积比，得到边坡扫描区域岩体的块度分布，根据块度分布评价岩体的完整性。

将扫描岩体的三维点云数据、结构面数据、块体数据等存入数据库，以备查用。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种开挖边坡岩块信息提取与三维重构方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)在待测量的开挖边坡坡面上布设不少于3个控制点，并记录控制点的全球坐标；

2)获取开挖坡面的不同扫描角度的多幅激光扫描点云数据；

3)通过控制点将获取的多幅点云数据拼接成一副完整的点云数据，并根据控制点将完整点云坐标转换到全球坐标下；

4)采用Ransac算法提取岩体结构面几何信息，进而获取结构面的方程和结构面对应的点云数据；

5)根据结构面方程计算两结构面相交的交线方程，通过结构面上的点和交线方程的关系判断两个结构面是否相邻且相交，并且通过结构面上的点和交线方程的关系删除不相邻的结构面；计算两个相邻且相交结构面的交线段两个端点坐标，然后通过编码归类方法将相邻且相交的结构面提取出来构成块体；

6)将整个点云封闭，通过Flood Fill算法将封闭后的点云划分为内部和外部空间，内部充满Flood Fill填充点，外部没有点，通过判断块体内部是否有点来区分真实块体和虚假块体，仅保留真实块体；

7)采用编码过滤方法检查并剔除重复计算的块体；

8)重复步骤（5）-（7），提取开挖坡面出现的所有真实岩石块体；

9)在三维空间生成平面相交而成的三维数字块体模型；

10)统计岩块的体积和块度分布。