CN109708570A - 用于掌子面结构面的信息采集与分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于掌子面结构面的信息采集与分析方法，其包含：通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取掌子面的三维数据；对采集到的三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为掌子面的面模型；依据结构面基本特征，识别出面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。本发明能够全面的采集掌子面的三维数据，能够获得全面的结构面信息，实现掌子面结构面识别及结构面产状计算，进而通过结构面的走向自动延伸，实现掌子面短距离地质播报。本发明为非接触式测量，能够保证测量人员的安全作业，测量结果受作业环境影响较小，适应性强。

Description

用于掌子面结构面的信息采集与分析方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体地说，涉及一种用于掌子面结构面的信息采集与分析方法及装置。

背景技术

在隧道施工过程中，通常需要提前采集掌子面的结构面信息，进一步掌握隧道施工处的地质状态，从而保证施工人员的安全性以及隧道施工的合理性。目前，最常用的结构面信息采集方法为人工量测法，通过地质罗盘采集到的岩体数据来分析隧道衬砌的受力状态。同时，记录隧道掌子面及周围开挖面的节理、裂隙等地质特征，采集掌子面的可见光图像，经资料综合整理，最后形成地质编录。地质编录的方法一般是通过工程技术人员直接肉眼观察并进行相应的记录，是针对目标岩体的整体概况进行统计记录，而不能反映出结构面的全部特征信息，故而无法对隧道施工做出指导性意见。

因此，本发明提供了一种用于掌子面结构面的信息采集与分析方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于掌子面结构面的信息采集与分析方法，所述方法包含以下步骤：

通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据；

对采集到的所述三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型；

依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到所述掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

根据本发明的一个实施例，通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据的步骤中，还包含以下步骤：

在预设位置处，将具备三维激光功能的扫描仪放置在稳定装置上，对所述掌子面进行扫描；

通过所述扫描仪接收到的红外光波的相移来确定所述扫描仪与所述掌子面上被测点的三维坐标；

通过所述扫描仪接收到的激光束的强度来确定所述掌子面上被测点的反射率，以通过所述反射率确定所述被测点的颜色坐标。

根据本发明的一个实施例，对采集到的所述三维数据进行预处理的步骤中，还包含以下步骤：

将所述三维坐标以及所述颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述所述三维坐标以及所述颜色坐标；

将所述预设三维点进行平移，使得所述预设三维点的形心与原点重合；

对所述预设三维点进行缩放操作，使得各三维点到原点的平均距离为预设固定值。

根据本发明的一个实施例，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型的步骤中，还包含以下步骤：

利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对所述曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到所述面模型。

根据本发明的一个实施例，依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面的步骤中，还包含以下步骤：

在预设距离阈值内，寻找可构成平面的三角面片，并对寻找到的三角面片进行邻接分析，筛选出具备连通可能的三角面片；

对筛选出的三角面片进行过滤处理，将不满足预设尺寸阈值要求的三角面片进行剔除处理，得到所述面模型中的结构面。

根据本发明的一个实施例，对识别到的结构面进行产状计算的步骤中，还包含以下步骤：

通过识别到的结构面法向量与倾向和与倾角之间的数学关系，计算出当前结构面的倾向以及倾角；

通过计算得到的当前结构面的倾向以及倾角，计算得到当前结构面的走向。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于掌子面结构面的信息采集与分析装置，所述装置包含：

获取模块，其用于通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据；

面模型模块，其用于对采集到的所述三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型；

分析模块，其用于依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到所述掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

根据本发明的一个实施例，所述获取模块包含：

扫描仪，其具备三维激光功能，放置在预设位置处的稳定装置上，对所述掌子面进行扫描；

三维坐标单元，其用于通过所述扫描仪接收到的红外光波的相移来确定所述扫描仪与所述掌子面上被测点的三维坐标；

颜色坐标单元，其用于通过所述扫描仪接收到的激光束的强度来确定所述掌子面上被测点的反射率，以通过所述反射率确定所述被测点的颜色坐标。

根据本发明的一个实施例，所述面模型模块包含预处理单元，其配置为：

将所述三维坐标以及所述颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述所述三维坐标以及所述颜色坐标；

将所述预设三维点进行平移，使得所述预设三维点的形心与原点重合；

对所述预设三维点进行缩放操作，使得经缩放后的预设三维点到原点的平均距离为预设固定值。

根据本发明的一个实施例，所述面模型模块包含三角剖分单元，其配置为：

利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对所述曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到所述面模型。

本发明提供的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法能够全面的采集掌子面的三维数据，能够获得全面的结构面信息，实现掌子面结构面识别及结构面产状计算，进而通过结构面的走向自动延伸，实现掌子面短距离地质播报。本发明为非接触式测量，能够保证测量人员的安全作业，测量结果受作业环境影响较小，适应性强。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法流程图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法详细流程图；以及

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

掌子面结构面携带的信息是掌子面结构面划分以及岩体稳定性分析的研究数据基础，它对于围岩稳定性分析以及支护选型具有指导性意义。因此，准确、全面地获取结构面的实际信息具有相当大的工程实际意义。当前常用的获取掌子面结构面信息的技术主要为罗盘接触式量测法。

罗盘接触式量测法是目前隧道施工领域结构面信息采集最常用的方法。现场勘测人员使用罗盘和皮尺对勘测现场的人工可测处的岩体结构面进行逐个量测并记录。该方法的优点是单点测量精度较高，但其缺点也比较明显：由于人工可采集的信息有限且采集效率较低，故该方法难以获得掌子面的全部结构面信息，同时对于掌子面的数据采集为近距离的接触式测量，存在一定的风险，尤其在恶劣的天气环境下，更加难以保证勘测人员的安全。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法流程图。

如图1所示，在步骤S101中，通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取掌子面的三维数据。在实施例中，通过设置调整三维激光扫描仪的位置姿态，实现对扫描仪视场范围对掌子面的全覆盖，获取全局的大量掌子面三维点云数据。每个点云数据包含掌子面目标点的三维坐标信息(X，Y，Z)和颜色信息(R，G，B)。

具体来说，可以在预设位置处，将具备三维激光功能的扫描仪放置在稳定装置上，对掌子面进行扫描。接着，通过扫描仪接收到的红外光波的相移来确定扫描仪与掌子面上被测点的三维坐标。最后，通过扫描仪接收到的激光束的强度来确定掌子面上被测点的反射率，以通过反射率确定被测点的颜色坐标。

采集到掌子面的三维信息后，在步骤S102中，对采集到的三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为掌子面的面模型。在实施例中，对采集到的掌子面点云数据进行归一化预处理，将点云数据限制在一个需要的范围，以提高后续处理结果的精度。然后，利用点云三维表面重建技术将散乱的掌子面三维点云数据转换成掌子面的三角网络模型。

具体来说，预处理的步骤包含：将三维坐标以及颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述三维坐标以及颜色坐标。将预设三维点进行平移，使得预设三维点的形心与原点重合。对预设三维点进行缩放操作，使得各预设三维点到原点的平均距离为预设固定值。

得到面模型的步骤包含：利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到面模型。

得到掌子面的面模型后，在步骤S103中，依据结构面基本特征，识别出面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

在实施例中，利用结构面的最基本特征：“结构面多为近似平面且具有一定规模大小”，以三维激光扫描仪作为中心点，从而可以推测出中心点到某一个结构面中的各个三角面片的距离值也应该近似，而后对相同距离三角面片之间的连通性进行分析，识别查找出掌子面的各结构面。

具体来说，识别结构面的步骤包含：在预设距离阈值内，寻找可构成平面的三角面片，并对寻找到的三角面片进行邻接分析，筛选出具备连通可能的三角面片。然后，对筛选出的三角面片进行过滤处理，将不满足预设尺寸阈值要求的三角面片进行剔除处理，得到面模型中的结构面。

在进行结构面产状计算时，结构面产状通常由结构面倾向、倾角和走向三部分构成，倾向表示岩层在空间的倾斜方向；倾角表示岩层倾斜的角度；走向表示岩层在空间延伸的方向，与倾向垂直。通过结构面的法向量与倾向和倾角之间的对应关系，代入结构面的法向量，计算出倾向和倾角，继而计算出走向，实现掌子面短距离地质预报。

如图1所示，采用具备三维激光扫描的仪器快速、自动、实时获取掌子面表面三维数据，包括空间坐标信息和颜色信息，随后经过点云数据预处理、三维表面重建、结构面识别、结构面产状计算等步骤实现对掌子面结构面的信息采集。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法详细流程图。

如图2所示，具体实现步骤如下：

首先进行掌子面三维点云数据获取，将三维激光扫描仪放置在三脚架上，扫描仪与掌子面之间设置一定的距离，以保证扫描仪的视场范围覆盖整个掌子面，以保证获取全局、大量的掌子面点云数据。

通过测量接收到的红外光波的相移来确定扫描仪距被测点的三维坐标(X，Y，Z)。通过测量接收到的激光束的强度来确定目标点的反射率，该反射率用于计算每个对应点相应的颜色信息(R，G，B)。

然后，对掌子面点云数据预处理，对采集到的点云坐标(X，Y，Z)和颜色坐标(R，G，B)都采用各向同性缩放的归一化变换，将点云数据限制在一个需要的范围，以提高后续处理结果的精度。归一化的具体方法：首先将点云坐标(X，Y，Z)和颜色坐标(R，G，B)放置在同一个不带模板参数的类里面，然后用点(x，y，z)来同时描述点云坐标(X，Y，Z)和颜色坐标(R，G，B)。然后对点进行平移，使其形心位于原点，然后对点进行缩放使得经缩放后的预设三维点到原点的平均距离为1。

接着，进行掌子面三维表面重建，利用点云三维表面重建技术将散乱的掌子面三维点云数据转换成掌子面的面模型。具体的三维表面重建技术：利用Delaunay(Delaunaytriangulation algorithm)三角剖分将散乱的掌子面点云数据剖分成一系列的曲面三角形网格，然后对初步生成的Delaunay三角网进行边缘优化，剔除凸包外界部分生成的病态三角，提高三角形网格的质量，为接下来的结构面识别提供良好的数据基础。

然后进行结构面的识别，利用结构面的最基本特征：“结构面多为近似平面且具有一定规模大小”，以三维激光扫描仪作为中心点，从而可以推测出中心点到某一个结构面中的各个三角面片的距离值也应该近似。基于这一思想，首先设置距离阈值找到所有可能构成平面的三角面片。然后对满足距离要求的三角面片进行邻接分析，筛选出能够连通构成结构面的三角面片，最后对结构面较小的面片进行过滤剔除，完成结构面的识别。

最后进行结构面产状计算，结构面产状通常包含结构面倾向α、倾角β和走向θ三个部分，倾向表示岩层在空间的倾斜方向，取值范围为0～360°；倾角表示岩层倾斜的角度，取值范围为0～90°；走向表示岩层在空间延伸的方向，与倾向垂直，相差90°。通过结构面的法向量与倾向和倾角之间对应的数学关系，计算出结构面的倾向和倾角，继而计算出结构面走向。通过结构面的走向的自动延伸，实现掌子面短距离地质预报。

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于掌子面结构面的信息采集与分析装置结构框图。如图3所示，信息采集与分析装置300包含获取模块301、面模型模块302以及分析模块303。其中，获取模块301包含扫描仪3011、三维坐标单元3012以及颜色坐标单元3013。面模型模块302包含预处理单元3021以及三角剖分单元3022。

其中，获取模块301通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取掌子面的三维数据。

获取模块301可以采用扫描仪3011，具备三维激光功能，放置在预设位置处的稳定装置上，对掌子面进行扫描。

三维坐标单元3012通过扫描仪3011接收到的红外光波的相移来确定扫描仪3011与掌子面上被测点的三维坐标。

颜色坐标单元3013通过扫描仪3011接收到的激光束的强度来确定掌子面上被测点的反射率，以通过反射率确定被测点的颜色坐标。

在实际应用中，三维坐标单元3012以及颜色坐标单元3013的功能可以集成在扫描以内，由扫描仪完成三维坐标以及颜色坐标的确定。扫描仪输出的三维点云数据格式为(X，Y，Z，R，G，B)，前三位表示三维坐标信息，后三位表示颜色坐标信息。

面模型模块302对采集到的三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型。

预处理单元3021配置为：将三维坐标以及颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述三维坐标以及颜色坐标。将预设三维点进行平移，使得预设三维点的形心与原点重合。对预设三维点进行缩放操作，使得经缩放后的预设三维点到原点的平均距离为预设固定值。

三角剖分单元3022配置为：利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到面模型。

分析模块303依据结构面基本特征，识别出面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

本发明提供的用于掌子面结构面的信息采集与分析方法能够全面的采集掌子面的三维数据，能够获得全面的结构面信息，实现掌子面结构面识别及结构面产状计算，进而通过结构面的走向自动延伸，实现掌子面短距离地质播报。本发明为非接触式测量，能够保证测量人员的安全作业，测量结果受作业环境影响较小，适应性强。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于掌子面结构面的信息采集与分析方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据；

对采集到的所述三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型；

依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到所述掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据的步骤中，还包含以下步骤：

在预设位置处，将具备三维激光功能的扫描仪放置在稳定装置上，对所述掌子面进行扫描；

通过所述扫描仪接收到的红外光波的相移来确定所述扫描仪与所述掌子面上被测点的三维坐标；

通过所述扫描仪接收到的激光束的强度来确定所述掌子面上被测点的反射率，以通过所述反射率确定所述被测点的颜色坐标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对采集到的所述三维数据进行预处理的步骤中，还包含以下步骤：

将所述三维坐标以及所述颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述所述三维坐标以及所述颜色坐标；

将所述预设三维点进行平移，使得所述预设三维点的形心与原点重合；

对所述预设三维点进行缩放操作，使得经缩放后的预设三维点到原点的平均距离为预设固定值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型的步骤中，还包含以下步骤：

利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对所述曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到所述面模型。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面的步骤中，还包含以下步骤：

在预设距离阈值内，寻找可构成平面的三角面片，并对寻找到的三角面片进行邻接分析，筛选出具备连通可能的三角面片；

对筛选出的三角面片进行过滤处理，将不满足预设尺寸阈值要求的三角面片进行剔除处理，得到所述面模型中的结构面。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对识别到的结构面进行产状计算的步骤中，还包含以下步骤：

通过识别到的结构面法向量与倾向和倾角之间的数学关系，计算出当前结构面的倾向以及倾角；

通过计算得到的当前结构面的倾向以及倾角，计算得到当前结构面的走向。

7.一种用于掌子面结构面的信息采集与分析装置，其特征在于，所述装置包含：

获取模块，其用于通过三维激光扫描方式，对掌子面进行全覆盖式的扫描，获取所述掌子面的三维数据；

面模型模块，其用于对采集到的所述三维数据进行预处理，通过三维表面重建技术将经过预处理后的三维数据转换为所述掌子面的面模型；

分析模块，其用于依据结构面基本特征，识别出所述面模型中的结构面，并对识别到的结构面进行产状计算，得到所述掌子面的走向信息以实现掌子面短距离地质预报。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取模块包含：

扫描仪，其具备三维激光功能，放置在预设位置处的稳定装置上，对所述掌子面进行扫描；

三维坐标单元，其用于通过所述扫描仪接收到的红外光波的相移来确定所述扫描仪与所述掌子面上被测点的三维坐标；

颜色坐标单元，其用于通过所述扫描仪接收到的激光束的强度来确定所述掌子面上被测点的反射率，以通过所述反射率确定所述被测点的颜色坐标。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述面模型模块包含预处理单元，其配置为：

将所述三维坐标以及所述颜色坐标放置在同一个不带模板参数的类里，用预设三维点同时描述所述三维坐标以及所述颜色坐标；

将所述预设三维点进行平移，使得所述预设三维点的形心与原点重合；

对所述预设三维点进行缩放操作，使得经缩放后的预设三维点到原点的平均距离为预设固定值。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述面模型模块包含三角剖分单元，其配置为：

利用三角剖分算法，将经过预处理后的三维数据剖分成曲面三角形网格，对所述曲面三角形网格进行边缘优化，剔除不均匀的三角，得到所述面模型。