CN117803386B - 物理力学参数三维空间重构方法及装置 - Google Patents

物理力学参数三维空间重构方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种物理力学参数三维空间重构方法及装置，将研究区域划分为若干取样单元，在每个取样单元内进行打孔作业，在钻孔内部安装传感器，整理传感器数据获取该单元内的点位物理力学参数，通过三维插值函数填充取样单元内所有位置的物理力学参数，将若干取样单元的物理力学参数汇总得到整个研究区域的物理力学参数。通过将完整的研究区域拆分为若干个取样单元，采用统一的方法采集一定数量的物理力学参数，通过三维插值法将取样单元其他位置的物理力学参数进行补全。由于取样单元之间的采集方式和计算方式没有区别，因此可以降低取样过程中的复杂程度。可以使得根据一个计算方法，计算不同大小，不同精度要求的数据。

Description

物理力学参数三维空间重构方法及装置
技术领域
本发明涉及地层物理学参数勘探技术领域，尤其是涉及一种物理力学参数三维空间重构方法及装置。
背景技术
地层内部物理力学参数对于环境保护、地址工程、土壤修复、水资源保护等方面提供重要依据。并且在研究饱和度和基质吸力的关系、地层在长期气候作用下的影响、微生物与植被结合加固后土壤渗透性的变化和地址对将于环境的承受能力等方面，需要的是长时间的检测，并且在外界环境发生变化，例如下雨后的情况对地层内部物理力学参数实时的影响是很重要的。行业内通常采用大模型，根据研究区域的大小以及精度决定采取的计算方式。普适性较弱，无法做到使用一套模型去适配大部分物理力学参数的重构。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种物理力学参数三维空间重构方法及装置，解决不能够依靠单个模型简单便捷的获取研究区域的物理力学参数进而实现实时监测的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提出一种物理力学参数三维空间重构方法，该方法包括：
S1、将研究区域划分为若干取样单元；
S2、在每个取样单元内进行打孔作业；
S3、在钻孔内部安装传感器；
S4、整理传感器数据获取该单元内的点位物理力学参数；
S5、通过三维插值函数填充取样单元内所有位置的物理力学参数；
S6、将若干取样单元的物理力学参数汇总得到整个研究区域的物理力学参数。
在优选的方案中，每个取样单元具有4个钻孔，每个钻孔内部安装3个以上的传感器，由此组成12个以上的节点。
在优选的方案中，水平方向选用线性插值，垂直方向采用非线性插值，由此得到三维插值函数为：
S(x，y；z)＝b0+b1x+b2y+b3z+b4xy+b5yz+b6zx+b7xyz+b8z2+b9z2x+b10z2y+b11z2xy (1-1)；
有节点条件，在(x＝xi：y＝yi，z＝zi)处，有：
S(xi，yi，zi)＝ui(i＝0，1，2，…，11) (1-2)；
将所有节点上的物理力学参数记作Y：
Y＝[u0，u1，u2，…，u11]T (1-3)；
利用式(1-1)和(1-2)将各个节点坐标关系列为矩阵A：
将式(1-1)中的待定参数组成一个阵列X：
X＝[b0，b1，b2，…，b11]T (1-5)；
则由式(1-3)、式(1-4)及式(1-5)，可以将(1-2)式写成：
Y＝AX (1-6)；
为求得式(1-5)中12个待定系数，需要利用不少于12个节点信息，为了求得式(1-5)中待定参数，可利用公式(1-7)进行求解：
X＝(ATA)-1ATY (1-7)。
在优选的方案中，当钻孔内部获取物理力学参数的点位数量在3个以上，且不为3的倍数时，位于中间位置的的节点数据可以被相邻的上下两个取样单元共同使用。
在优选的方案中，在S3步骤中根据传感器获取的物理力学参数包括：风化程度、容重、吸水率、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、承载力、颗粒粒径分布、密度、孔隙度、渗透系数。
在优选的方案中，根据所需要测量的物理力学参数具体的数量准备不同种类的传感器安装在节点上不同位置。
在优选的方案中，需要在S2安装传感器后回填钻孔1周～2周后再进行数据的获取。
在优选的方案中，在S4步骤中，传感器获取到的物理力学参数通过无线发射装置实时传输至数据处理装置。
在优选的方案中，在S6步骤后，将填充后的研究区域的物理力学参数汇入终端，终端可以将接收到的数据呈现在显示装置上。
并且提出了一种物理力学参数三维空间重构装置，该装置包括：
物理力学参数获取模块，用于获取研究区域的物理力学参数；
数据远程实时传输模块，用于将获取到的物理力学参数发送至研究中心；
模型建立模块，用于将获取的物理力学参数建立数值模型；
可视化模块，用于将处理填充后的物理力学数据以可视化的形式实时展现。
该发明的有益效果：本申请通过将完整的研究区域拆分为若干个取样单元，采用统一的方法采集一定数量的物理力学参数，通过三维插值法将取样单元其他位置的物理力学参数进行补全。由于取样单元之间的采集方式和计算方式没有区别，因此可以降低取样过程中的复杂程度。根据不同大小的研究区域和不同的精度要求对取样单元进行计算，研究区域越大，取样单元的数量越多，精度要求越高，取样单元的数量就越多。这样的设计可以使得根据一个计算方法，计算不同大小，不同精度要求的数据。最后将若干取样单元汇总成完整的研究区域的物理力学参数。
在研究区域地层内部设置传感器的方式实时采集研究区域的物理力学参数，将数据通过数据远程实时传输装置上传云端后由自主开发的插值算法对数据空白区域进行模拟建模得到研究区域完整的物理力学参数，最后可通过荧幕、混合显示眼镜实现实时监测研究区域的物理力学参数。对研究饱和度和基质吸力的关系、地层在长期气候作用下的影响、微生物与植被结合加固后土壤渗透性的变化和地址对将于环境的承受能力等需要持续关注且需要获取实时数据的领域具有帮助。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明物理力学参数三维空间重构方法的流程示意图；
图2是本发明传感器在笛卡尔坐标系中布置位置的示意图；
图3是本发明物理力学参数三维空间重构方法的示意图；
图4是本发明物理力学参数三维空间重构的结构示意图；
具体实施方式
如图1所示，该物理力学参数三维空间重构方法包括以下步骤：
S1、将研究区域划分为若干取样单元；
S2、在每个取样单元内进行打孔作业；
S3、在钻孔内部安装传感器；
S4、整理传感器数据获取该单元内的点位物理力学参数；
S5、通过三维插值函数填充取样单元内所有位置的物理力学参数；
S6、将若干取样单元的物理力学参数汇总得到整个研究区域的物理力学参数。
在此实施例中，通过将完整的研究区域拆分为若干个取样单元，采用统一的方法采集一定数量的物理力学参数，通过三维插值法将取样单元其他位置的物理力学参数进行补全。由于取样单元之间的采集方式和计算方式没有区别，因此可以降低取样过程中的复杂程度。根据不同大小的研究区域和不同的精度要求对取样单元进行计算，研究区域越大，取样单元的数量越多，精度要求越高，取样单元的数量就越多。这样的设计可以使得根据一个计算方法，计算不同大小，不同精度要求的数据。最后将若干取样单元汇总成完整的研究区域的物理力学参数。
在其中一个具体实施例中，每个取样单元具有4个钻孔，每个钻孔内部安装3个以上的传感器，由此组成12个以上的节点。
在其中一个具体实施例中，水平方向选用线性插值，垂直方向采用非线性插值，由此得到三维插值函数为：
S(x，y，z)＝b0+b1x+b2y+b3z+b4xy+b5yz+b6zx+b7xyz+b8z2+b9z2x+b10z2y+b11z2xy (1-1)；
有节点条件，在(x＝xi，y＝yi，z＝zi)处，有：
S(xi，yi，zi)＝ui(i＝0，1，2，…，11) (1-2)；
将所有节点上的物理力学参数记作Y：
Y＝[u0，u1，u2，…，u11]T (1-3)；
利用式(1-1)和(1-2)将各个节点坐标关系列为矩阵A：
将式(1-1)中的待定参数组成一个阵列X：
X＝[b0，b1，b2，…，b11]T (1-5)：
则由式(1-3)、式(1-4)及式(1-5)，可以将(1-2)式写成：
Y＝AX (1-6)；
为求得式(1-5)中12个待定系数，需要利用不少于12个节点信息，为了求得式(1-5)中待定参数，可利用公式(1-7)进行求解：
X＝(ATA)-1ATY (1-7)。
在此实施例中，利用函数插值以及几何方程计算公式，可以将土体单元的所有参量用节点列阵及相关的函数差值来表示，下面进行具体的推导：
p0＝1，p1＝x，p2＝x2；
q0＝1，q1＝y，q2＝y2；
r0＝1，r1＝z，r2＝z2；
令G＝{Fijk|Fijk＝piqirk，0≤i，j，k≤2}易知G为多项式集。现将G中元素展开，并且取如下所示12项线性无关多项式以此构成公式(1-1)的12项多项式。
G0＝1，G1＝x，G2＝y，G3＝z，G4＝xy，G5＝yz，
G6＝zx，G7＝xyz，G8＝z2，G9＝z2x，G10＝z2y，G11＝z2xy。
实施例1：
图2中取立方体边长为2m，则12个节点的坐标分别为：
a0(-1，-1，-1)，a1(-1，-1，0)，a2(-1，-1，1)，a3(-1，1，-1)，a4(-1，1，0)，a5(-1，1，1)，a6(1，-1，-1)，a7(1，-1，0)，a8(1，-1，1)，a9(1，1，-1)，a10(1，1，0)，a11(1，1，1).。
12个节点的物理力学参数，例如渗透压(S)分别为(单位：kPa)：
S(a0)＝200，S(a1)＝245，S(a2)＝315，S(a3)＝320，S(a4)＝345，S(a5)＝370，S(a6)＝340，S(a7)＝355，S(a8)＝370，S(a9)＝355，S(a10)＝370，S(a11)＝395。
利用公式(1-7)求解可得：
b0＝328.7500，b1＝33.7500，b2＝28.7500，b3＝29.3750，b4＝-21.2500，b5＝-6.8750，b6＝-11.8750，b7＝9.3750，b8＝4.3750，b9＝-1.8750，b10＝-1.8750，b11＝4.3750。
将求得待定系数带入式(1-1)得式(1-8)：
S(x，y，z)＝328.75+33.75x+28.75y+29.375z-21.25xy-6.875yz-11.875zx+9.375xyz+4.375z2-1.875z2x-1.875z2y+4.375z2xy (1-8)。
则式(1-8)为求得的三维空间插值函数。
在其中一个具体实施例中，当钻孔内部获取物理力学参数的点位数量在3个以上，且不为3的倍数时，位于中间位置的的节点数据可以被相邻的上下两个取样单元共同使用。
在其中一个具体实施例中，在S3步骤中根据传感器获取的物理力学参数包括：风化程度、容重、吸水率、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、承载力、颗粒粒径分布、密度、孔隙度、渗透系数。
在其中一个具体实施例中，根据所需要测量的物理力学参数具体的数量准备不同种类的传感器安装在节点上不同位置。在此设计中，每个钻孔的侧壁不同位置可以安装不同种类的传感器，传感器之间的距离使用者可以根据所需要的精度自行决定，本申请不做过多赘述。
在其中一个具体实施例中，需要在S2安装传感器后回填钻孔1周～2周后再进行数据的获取。在此设计中，由于打孔对节点的物理力学参数造成了影响，因此在回填后1周～2周后的时间物理力学参数恢复后进行采集得到的数据比较准确。
在其中一个具体实施例中，在S4步骤中，传感器获取到的物理力学参数通过无线发射装置实时传输至数据处理装置。在此设计中，数据传输装置的具体类型使用者可以根据传输的频率和距离自行选择，本申请不做过多赘述。
在其中一个具体实施例中，在S6步骤后，将填充后的研究区域的物理力学参数汇入终端，终端可以将接收到的数据呈现在显示装置上。在此设计中，实验数据可以以一定的格式传输至对应的显示软件上，具体的选择本申请不做限定，本申请优选以esv格式传输至显示终端上，利用unity软件可以将实验模型以及接收到的实时数据呈现在混合显示眼镜或大屏幕上，并借此实现实时监测数据。。
在此实施例中，在研究区域地层内部设置传感器的方式实时采集研究区域的物理力学参数，将数据通过数据远程实时传输装置上传云端后由自主开发的插值算法对数据空白区域进行模拟建模得到研究区域完整的物理力学参数，最后可通过荧幕、混合显示眼镜实现实时监测研究区域的物理力学参数。对研究饱和度和基质吸力的关系、地层在长期气候作用下的影响、微生物与植被结合加固后土壤渗透性的变化和地址对将于环境的承受能力等需要持续关注且需要获取实时数据的领域具有帮助。
并且提出了一种物理力学参数三维空间重构装置，该装置包括：
物理力学参数获取模块，用于获取研究区域的物理力学参数；
数据远程实时传输模块，用于将获取到的物理力学参数发送至研究中心；
模型建立模块，用于将获取的物理力学参数建立数值模型；
可视化模块，用于将处理填充后的物理力学数据以可视化的形式实时展现。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物理力学参数三维空间重构方法，其特征是在于，该方法包括：
S1、将研究区域划分为若干取样单元；
S2、在每个取样单元内进行打孔作业；
S3、在钻孔内部安装传感器；
S4、整理传感器数据获取该单元内的点位物理力学参数；
S5、通过三维插值函数填充取样单元内所有位置的物理力学参数；
S6、将若干取样单元的物理力学参数汇总得到整个研究区域的物理力学参数；
每个取样单元具有 4 个钻孔，每个钻孔内部安装 3 个以上的传感器，由此组成 12个以上的节点；
水平方向选用线性插值，垂直方向采用非线性插值，由此得到三维插值函数为：
（1-1）；
有节点条件，在处，有：
（1-2）；
将所有节点上的物理力学参数记作 Y：
（1-3）；
利用式（1-1）和（1-2）将各个节点坐标关系列为矩阵 A：
（1-4）；
将式（1-1）中的待定参数组成一个阵列 X：
（1-5）；
则由式（1-3）、式（1-4）及式（1-5），可以将（1-2）式写成：
Y=AX （1-6）；
为求得式（1-5）中 12 个待定系数，需要利用不少于 12 个节点信息，为了求得
式（1-5）中待定参数，可利用公式（1-7）进行求解：
（1-7）；
当钻孔内部获取物理力学参数的点位数量在 3 个以上，且不为 3 的倍数时，位于中间位置的节点数据可以被相邻的上下两个取样单元共同使用；
在S3 步骤中根据传感器获取的物理力学参数包括：风化程度、容重、吸水率、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、承载力、颗粒粒径分布、密度、孔隙度、渗透系数；
根据所需要测量的物理力学参数具体的数量准备不同种类的传感器安装在节点上不同位置。
2.根据权利要求 1 所述的物理力学参数三维空间重构方法，其特征是在于，需要在S3安装传感器后回填钻孔 1 周~2 周后再进行数据的获取。
3.根据权利要求 1 所述的物理力学参数三维空间重构方法，其特征是在于，在
S4 步骤中，传感器获取到的物理力学参数通过无线发射装置实时传输至数据处理装置。
4.根据权利要求 1 所述的物理力学参数三维空间重构方法，其特征是在于，在
S6 步骤后，将填充后的研究区域的物理力学参数汇入终端，终端可以将接收到的数据呈现在显示装置上。
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