CN107144243A - 一种测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统 - Google Patents
一种测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统，所述方法包括：获取直剪试验前后的岩体结构面点云数据；对获得的点云数据进行预处理后，以直剪实验前的结构面作为固定面，以直剪试验后的结构面作为浮动面，采用点对齐形式选取结构面特征相同的点进行对齐，并在对齐的基础上进行3D比较得到固定面和浮动面中相应的点的高度偏差，并根据得到的高度偏差确定高度偏差大于0的点云数及其占总数的百分比W；根据获得的百分比W和读取的直剪试验前岩体结构面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，其中S’＝S×W。
Description
技术领域
本发明涉及岩体力学试验领域，并且更具体地，涉及一种基于3D对齐技术测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统。
背景技术
岩体结构面抗剪强度参数的确定是十分常规的岩体力学试验，它是岩体最重要的力学参数之一，常见的抗剪强度参数测量有四种方法：模拟试验、参数反演、经验估算方法和直剪试验。我们采用原理简单、成本低、试验周期短的直剪试验获取剪切结构面。
剪切面积的测量对确定岩体结构面抗剪强度参数至关重要。目前已知的结构面剪切面积测量方法有以下两种：剪切面网格化方法和图像处理方法。现有剪切面网格化方法是将剪切面轮廓根据肉眼判断刻录在透明纸上，然后再将刻录好的透明纸印在最小方格为1×1mm的网格纸上，采用大于最小网格一半部分记为1个网格数，小于最小网格数一半忽略不计的方式，统计剪切轮廓部分的网格数即为剪切面积(单位为mm2)。而图像处理方法是基于剪切前后剪切部分颜色变为浅色的特征，对结构面进行垂直拍照，将图片转为灰阶图，并根据一定灰度阀值将剪切部分转化为黑白图用刻度尺量取白色部分的面积即剪切面积。综合来看，剪切面网格化方法通过网格纸刻录数网格的方法求取剪切面积受人为控制，误差较大、工效很低，而且只适用于小尺寸的结构面，对于大尺寸、大批量的结构面而言，所需的人力和时间成本更大；而图像处理方法则在对岩体的颜色的处理上存在一定局限性，对于浅色岩石如花岗岩，由于岩石本身就是浅色，这种凭剪切前后剪切部分颜色变为浅色的方法不适用，而且对于深色岩体而言，该方法本身就是间接测量，会引入了新的误差，没有从结构面剪切的本质上解决问题。综上所述，以上两种方法都存在一定的缺陷。
发明内容
为了解决背景技术存在的上述问题，更加准确地测量岩体结构面剪破坏面积，本发明提供一种测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统。其中，测量岩体结构面剪切破坏面积的方法包括：
步骤1、采用三维激光扫描设备获取直剪试验前后的岩体结构面点云数据；
步骤2、对获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装；
步骤3、以直剪试验前的岩体的结构面作为固定面，以直剪试验后的岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行对齐；
步骤4、在步骤3中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等于0mm的部分是没有被剪切部分；
步骤5、根据步骤4中生成的固定面和浮动面中相应点的高度偏差，得到高度偏差大于0mm的点云数及其占点云总数的百分比W；以及
步骤6、根据步骤5获得的百分比W和读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
进一步地，所述方法还可以输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
进一步地，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行点对齐时，点对齐精度要求小于1mm。
进一步地，所述固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
进一步地，所述方法中对获取的点云数据进行的预处理包括去噪。
进一步地，采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种测量岩体结构面剪切破坏面积的系统，所述系统包括：
点云数据采集单元，其采用三维激光扫描设备获取对岩体结构面进行直剪试验前后的点云数据；
点云数据采集单元，其采用三维激光扫描设备获取对岩体结构面进行直剪试验前后的点云数据；
点云数据预处理单元，其对获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装；
岩体结构面3D对齐单元，其以直剪实验前岩体的结构面作为固定面，以直剪实验后岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的结构面特征相同的点进行对齐；
3D比较单元，其在岩体结构面3D对齐单元中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等于0mm的部分是没有被剪切部分；
剪切破坏面积确定单元，其根据3D比较单元中得到的固定面和浮动面相应的点的高度偏差，得到高度偏差大于0的点占总数的百分比W，所述百分比W即为岩体结构面剪切破坏面积占结构面实际面积的百分比，并结合读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
进一步地，所述系统还包括3D比较报告创建单元，其用于输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
进一步地，3D比较单元中采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行点对齐时，点对齐精度要求小于1mm。
进一步地，所述剪切破坏面积确定单元中的固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
进一步地，岩体结构面3D对齐单元采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
综上所述，本发明提出的测量岩体结构面剪切破坏面积的方法和系统采用逆向工程方法，基于3D对齐技术用三维激光扫描获得结构面剪切破坏前后点云数据并对比，在相关软件环境中进行剪切前后3D点云数据对齐，进一步分析结构面剪切破坏面高度的差异，表现为拟合的相对高度偏差，根据高度偏差判断结构面哪些部位被剪切，得到高度偏差大于0的点占总数的百分比W，并给出了计算直剪实验岩体结构面剪切破坏面积S’的计算方法，即岩体结构面剪切破坏面积为百分比W与直剪前岩体结构面面积S的乘积，其相对于现有技术具有如下优势：
技术更为先进：现有剪切面网格化方法是将剪切面轮廓刻录在网格纸上、而图像处理方法是基于剪切前后剪切部分颜色的变化特点，两种方法的手段较为传统，实际测量误差难以避免。本发明基于采集结构面点云数据和对齐技术，精度可以达到毫米级甚至丝米级(0.1mm级)，相比而言，求取的剪切面积更加精确；
适用范围更广：相比已有方法，本发明引入的岩体结构面点云数据3D对齐，测定剪切破坏面积，自动化程度较高，能适应野外和室内各种工作环境，在水利水电、地质勘测、道桥建设、采矿业等行业均可应用，在工程实践和科研教学中也皆可应用；
效率更高：对于大批量、大尺寸的岩性较多的岩体剪切破坏面积测量，已有的方法难以快速实现。本发明中三维激光扫描技术采集结构面点云数据效率非常高，对于一组结构面点云数据的处理、对齐、结构面剪切破坏面积测定等工作可以在5-10分钟内完成。节省了大量劳动成本，降低了劳动强度，操作过程更简单、试验周期更短，周期可缩短70％以上；
结果更为可靠：相比已有方法的人为干预过程较多、且引入新误差等问题，本发明操作过程自动化程度较高，大大降低了人为因素影响，结果经得住考验，精度更高，技术更为稳定。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是本发明具体实施方式的测量岩体结构面剪切破坏面积的方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式的岩体结构面进行3D比较的高度偏差分布图；以及
图3是本发明具体实施方式的测量岩体结构面剪切破坏面积的系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1是本发明具体实施方式的测量岩体结构面剪切破坏面积的方法的流程图。如图1所示测量岩体结构面剪切破坏面积的方法100从步骤101开始。
在步骤101，采用三维激光扫描设备获取直剪试验前后的岩体结构面点云数据。
在步骤102，对步骤101获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装。
在步骤103，以直剪试验前的岩体的结构面作为固定面，以直剪试验后的岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行对齐。
在步骤104，在步骤103中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等于0mm的部分是没有被剪切部分。
在步骤105，根据步骤104中生成的固定面和浮动面中相应点的高度偏差，得到高度偏差大于0mm的点云数及其占点云总数的百分比W；以及
图2是本发明具体实施方式的岩体结构面进行3D比较的高度偏差分布图。如图2所示，高度偏差大于0的点云数占点云总数的百分比随着偏差数值的不同而发生变化。
在步骤106，根据步骤105获得的百分比W和读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
优选地，所述方法还可以输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
优选地，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行点对齐时，点对齐的精度要求小于1mm。在本实施例中，由于选取的三维激光扫描技术的点云分辨率为1mm，因此点对齐的精度要求小于1mm。但在实际操作中，有三维激光扫描技术的点云分辨率能够达到丝米级，即精度为0.1mm，因此，当三维激光扫描设备的点云分辨率为0.1mm时，直剪试验前后结构面特征相同的点对齐的精度也可以达到0.1mm。
优选地，所述固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
优选地，所述方法中对获取的点云数据进行的预处理包括去噪。
优选地，采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
图3是本发明具体实施方式的基于3D对齐技术测量岩体结构面剪切破坏面积的系统的结构图。如图3所示，本发明提供的测量岩体结构面剪切破坏面积的系统300包括点云数据采集单元301、点云数据预处理单元302、岩体结构面3D对齐单元303、3D比较单元304、剪切破坏面积确定单元305和3D比较报告创建单元306。
点云数据采集单元301，其采用三维激光扫描设备获取对岩体结构面进行直剪试验前后的点云数据；
点云数据预处理单元302，其对获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装；
岩体结构面3D对齐单元303，其以直剪实验前岩体的结构面作为固定面，以直剪实验后岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的结构面特征相同的点进行对齐；
3D比较单元304，其在岩体结构面3D对齐单元303中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差小于0mm的部分是没有被剪切部分；
剪切破坏面积确定单元305，其根据3D比较单元304中得到的固定面和浮动面相应的点的高度偏差，得到高度偏差大于0的点占总数的百分比W，所述百分比W即为岩体结构面剪切破坏面积占结构面实际面积的百分比，并结合读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
优选地，所述系统还包括3D比较报告创建单元306，其用于输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
优选地，3D比较单元304中采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行点对齐时，点对齐的精度要求小于1mm。在实际操作中，当三维激光扫描设备的点云分辨率为0.1mm时，直剪试验前后结构面特征相同的点对齐的精度也可以达到0.1mm。
优选地，所述剪切破坏面积确定单元305中的固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
优选地，岩体结构面3D对齐单元303采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (11)
1.一种测量岩体结构面剪切破坏面积的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、采用三维激光扫描设备获取直剪试验前后的岩体结构面点云数据；
步骤2、对获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装；
步骤3、以直剪试验前的岩体的结构面作为固定面，以直剪试验后的岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行对齐；
步骤4、在步骤3中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等于0mm的部分是没有被剪切部分；
步骤5、根据步骤4中得到的固定面和浮动面中相应点的高度偏差，得到高度偏差大于0mm的点云数及其占点云总数的百分比W；以及
步骤6、根据步骤5获得的百分比W和读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还可以输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中采用点对齐形式选取固定面和浮动面特征相同的点进行对齐时，点对齐的精度要求小于1mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中对获取的点云数据进行的预处理包括去噪。
6.根据权利标1所述的方法，其特征在于，采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
7.一种测量岩体结构面剪切破坏面积的系统，其特征在于，所述系统包括：
点云数据采集单元，其采用三维激光扫描设备获取对岩体结构面进行直剪试验前后的点云数据；
点云数据预处理单元，其对获得的点云数据进行预处理，并对预处理后的点云数据加以封装；
岩体结构面3D对齐单元，其以直剪实验前岩体的结构面作为固定面，以直剪实验后岩体的结构面作为浮动面，基于封装后的点云数据建立3D模型，采用点对齐形式选取固定面和浮动面的结构面特征相同的点进行对齐；
3D比较单元，其在岩体结构面3D对齐单元中固定面和浮动面的特征相同的点对齐的基础上进行3D比较，得到固定面和浮动面中相应点的高度偏差，其中，高度偏差大于0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等于0mm的部分是没有被剪切部分；
剪切破坏面积确定单元，其根据3D比较单元中得到的固定面和浮动面相应的点的高度偏差，得到高度偏差大于0的点占总数的百分比W，所述百分比W即为岩体结构面剪切破坏面积占结构面实际面积的百分比，并结合读取的固定面面积S计算岩体结构面剪切破坏面积S’，计算公式如下：
S’＝S×W。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括3D比较报告创建单元，其用于输出固定面和浮动面的特征相同的点进行3D比较生成的表现固定面和浮动面中相应点的高度偏差的表格数据和3D颜色偏差图。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，3D比较单元中采用点对齐形式选取固定面和浮动面的特征相同的点进行对齐时，点对齐精度要求小于1mm。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述剪切破坏面积确定单元中的固定面面积S为剪切平面表面面积，其中，所述固定面面积S计算的方法包括：
根据点云数据，在geomagic软件中选取结构面范围，直接读取结构面面积；或者
对于加工成矩形的结构面，测量长和宽，两者相乘得到面积。
11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，岩体结构面3D对齐单元采用点对齐形式选取的固定面和浮动面特征相同的点的数量大于等于3个。
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