本發(fā)明涉及一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法，屬于工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)面測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
巖體內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面不僅使巖體表現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性，而且還直接影響著巖體的力學(xué)與滲流特征。由于結(jié)構(gòu)面的存在，巖體表現(xiàn)出明顯的不均一性、非連續(xù)性與各向異性等特點(diǎn)。因此，如何精確快速獲取巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息，一直是巖土工程與工程地質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。
巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息采集可分為接觸式與非接觸式測量兩大類。接觸式測量包括應(yīng)用較為廣泛的測線法與測窗法，由于是人工直接測量，獲得的結(jié)構(gòu)面信息相對準(zhǔn)確全面且成本低廉，但是缺點(diǎn)是工作量大、周期長、精度低等。對于位于高陡懸崖處露頭，接觸式測量難以展開，且在惡劣環(huán)境下(冰雪、降雨等)存在安全隱患。近年來，隨著光電測量技術(shù)長足進(jìn)步，又發(fā)展出多種新型的非接觸式測量方法，如井下電視、攝影測量和三維激光掃描技術(shù)等，尤其是三維激光掃描技術(shù)，已有大量學(xué)者在工程實(shí)踐中進(jìn)行了嘗試與應(yīng)用。由于三維激光掃描技術(shù)能夠獲取巖體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于面狀出露的結(jié)構(gòu)面識別也較為簡單，現(xiàn)有的基于三維激光掃描技術(shù)的結(jié)構(gòu)面測量方法僅披露了巖體結(jié)構(gòu)面識別的大概過程，并且該識別方法完全依賴于人工識別，不能快速、高效、精確地識別出結(jié)構(gòu)面，沒有給出巖體結(jié)構(gòu)面識別與信息提取的具體計(jì)算方法與實(shí)現(xiàn)手段；同時由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大，目前的一些結(jié)構(gòu)面智能識別算法的時間和空間復(fù)雜度相對較高，對應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件要求高，影響其推廣應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法，能夠大幅提升現(xiàn)有結(jié)構(gòu)面識別技術(shù)的識別能力、識別精度和識別速度。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法，包括以下步驟：
(1)采集巖體結(jié)構(gòu)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
(2)對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪預(yù)處理；
(3)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)處理；
(4)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)法向量；
(5)利用平整性檢測算法，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測并標(biāo)記巖體表面的不平整區(qū)域；
(6)采用區(qū)域生長法識別結(jié)構(gòu)面；
(7)提取結(jié)構(gòu)面信息。
步驟(3)所述對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)處理，具體包括以下過程：對于掃描點(diǎn)間距＜1cm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用三維插值方法進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)處理；對于掃描點(diǎn)間距≥1cm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用規(guī)則地址網(wǎng)格檢索算法將其按規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行有序存儲。
步驟(4)所述的計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)法向量，具體包括以下過程：對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個節(jié)點(diǎn)，取其4鄰域和自身共5個節(jié)點(diǎn)作為點(diǎn)陣，其中自身節(jié)點(diǎn)權(quán)重為2，其余節(jié)點(diǎn)權(quán)重為1；利用最小二乘法，擬合得到一個平面并求得該平面法向量，用此法向量作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中該節(jié)點(diǎn)的法向量。
步驟(5)所述利用平整性檢測算法，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測并標(biāo)記巖體表面的不平整區(qū)域，具體包括以下過程：采用遍歷方式，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)在x方向和y方向上各進(jìn)行一次整體掃描：
在x方向上進(jìn)行掃描的過程中，設(shè)當(dāng)前掃描至第i行的第k個節(jié)點(diǎn)，k>1，計(jì)算第i行第k-1個節(jié)點(diǎn)和第k個節(jié)點(diǎn)的法向量的夾角θ1，若夾角θ1超過預(yù)設(shè)閾值則將該第i行的第k個節(jié)點(diǎn)的生長屬性標(biāo)記為1，納入不可生長范圍，否則將生長屬性標(biāo)記為0；
在y方向上進(jìn)行掃描的過程中，設(shè)當(dāng)前掃描至第j列的第k個節(jié)點(diǎn)，k>1，計(jì)算第j列第k-1個節(jié)點(diǎn)和第k個節(jié)點(diǎn)的法向量的夾角θ1′，若夾角θ1′超過預(yù)設(shè)閾值則將該第i行第j列的第k個節(jié)點(diǎn)的生長屬性標(biāo)記為1，納入不可生長范圍，否則將生長屬性標(biāo)記為0。
步驟(6)所述采用區(qū)域生長法識別結(jié)構(gòu)面，具體采用以下步驟實(shí)現(xiàn)：
(6-1)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，選取首個生長屬性為0的節(jié)點(diǎn)作為種子節(jié)點(diǎn)Ai，將Ai作為生長中心，將生長區(qū)域和堆棧各初始化為一個空集；
(6-2)將生長中心8鄰域節(jié)點(diǎn)中生長屬性為0的節(jié)點(diǎn)壓入堆棧；
(6-3)當(dāng)生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于3時，用種子節(jié)點(diǎn)Ai的法向量表示生長區(qū)域的法向量；當(dāng)生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于3時，用生長區(qū)域中所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成平面的法向量表示生長區(qū)域的法向量；分別計(jì)算堆棧中各節(jié)點(diǎn)的法向量與生長區(qū)域的法向量的夾角θ2i；
(6-4)利用法則Ⅰ和法則Ⅱ?qū)Χ褩Ｖ械墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，若找到同時滿足法則Ⅰ和法則Ⅱ的節(jié)點(diǎn)，則將該節(jié)點(diǎn)納入生長區(qū)域，同時把它當(dāng)做新的生長中心，并將其從堆棧中刪除；
所述法則Ⅰ為：該節(jié)點(diǎn)為堆棧中夾角θ2i最小的節(jié)點(diǎn)；
所述法則Ⅱ?yàn)椋涸摴?jié)點(diǎn)為夾角θ2i小于預(yù)設(shè)閥值的節(jié)點(diǎn)；
(6-5)重復(fù)步驟(6-2)到(6-4)，直至堆棧為空或堆棧中沒有同時滿足法則Ⅰ和Ⅱ的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)面生長結(jié)束，將本次生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)生長屬性標(biāo)記為1；
(6-6)重復(fù)步驟(6-1)到(6-5)，直至點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有節(jié)點(diǎn)的生長屬性為1，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不同結(jié)構(gòu)面的生長，識別結(jié)束。
步驟(7)所述提取結(jié)構(gòu)面信息具體包括提取以下信息：
(a)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息：通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到用矩陣形式表示的平面：
其中(xi,yi,zi)為結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)，i∈[1,n]，a、b和c分別為結(jié)構(gòu)面平面方程的參數(shù)；令
則擬合找到向量A，使得取得最小值，即擬合得到結(jié)構(gòu)面平面方程a×x+b×y+c＝z及其法向量(a,b,c)；
根據(jù)下述公式求取大地坐標(biāo)系中同一巖體結(jié)構(gòu)面的傾向α和傾角β：
(b)結(jié)構(gòu)面間距信息：根據(jù)兩平行平面垂直距離計(jì)算公式計(jì)算相鄰結(jié)構(gòu)面間距：
P1：Ax+By+Cz+D1＝0
P2：Ax+By+Cz+D2＝0
其中，P1為平面1方程，P2為平面2方程，dP1P2為相鄰兩結(jié)構(gòu)面垂直距離；
(c)結(jié)構(gòu)面尺寸信息：將結(jié)構(gòu)面各節(jié)點(diǎn)投影至xoy平面，計(jì)算其在xoy平面的面積Sxoy，再利用投影關(guān)系Sxoy＝S×cos(γ)計(jì)算結(jié)構(gòu)面面積S，其中γ為結(jié)構(gòu)面與xoy平面的夾角，由該結(jié)構(gòu)面的法向量確定；
得到結(jié)構(gòu)面面積S后，用面積大小與其相等的等效圓代替該結(jié)構(gòu)面，用結(jié)構(gòu)面各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)的均值作為該圓的圓心；其半徑大小滿足以下面積公式，
S＝πr2
求得等效圓半徑r，以表征結(jié)構(gòu)面的尺寸信息。
本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：
(1)本發(fā)明的一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法刪減了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面識別中的三角重構(gòu)環(huán)節(jié)，極大提高了算法的運(yùn)算速度；
(2)本發(fā)明的一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法引入節(jié)點(diǎn)法向量的概念，并成功利用其特性進(jìn)行了巖體結(jié)構(gòu)面識別；
(3)本發(fā)明的一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法引入平整性檢測這一環(huán)節(jié)，模擬人工排除不平整區(qū)域的過程，與區(qū)域生長法結(jié)合，極大提高了區(qū)域生長收斂速度；
(4)本發(fā)明的一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的精確智能識別，進(jìn)一步根據(jù)識別結(jié)果自動系統(tǒng)地計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)信息(產(chǎn)狀、間距與尺寸等)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提供了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取方法，參照圖1，包括以下步驟：
(1)采集巖體結(jié)構(gòu)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)：尋找出露完整、植被稀少、所處位置交通便利的巖體結(jié)構(gòu)面露頭，在適宜的溫度與濕度下，開展野外三維激光掃描實(shí)驗(yàn)，選擇平整堅(jiān)硬的地面架設(shè)三腳架，保證儀器能平穩(wěn)工作，根據(jù)露頭范圍、空間條件及其精度要求，選擇合適的掃描距離；
(2)利用基于Matlab平臺的算法，對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪預(yù)處理；
(3)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)處理，具體包括以下過程：對于掃描精度高(掃描點(diǎn)間距＜1cm)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用三維插值方法進(jìn)行網(wǎng)格化預(yù)處理；對于掃描精度低(掃描點(diǎn)間距≥1cm)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用規(guī)則地址網(wǎng)格檢索算法將其按規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行有序存儲。
(4)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)法向量，具體包括以下過程：對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個節(jié)點(diǎn)，取其4鄰域和自身共5個節(jié)點(diǎn)作為點(diǎn)陣，其中自身節(jié)點(diǎn)權(quán)重為2，其余節(jié)點(diǎn)權(quán)重為1；利用最小二乘法，擬合得到一個平面并求得該平面法向量，用此法向量作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中該節(jié)點(diǎn)的法向量。
(5)利用平整性檢測算法，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測并標(biāo)記巖體表面的不平整區(qū)域，具體包括以下過程：采用遍歷方式，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)在x方向和y方向上各進(jìn)行一次整體掃描：
在x方向上進(jìn)行掃描的過程中，設(shè)當(dāng)前掃描至第i行的第k個節(jié)點(diǎn)，k>1，計(jì)算第i行第k-1個節(jié)點(diǎn)和第k個節(jié)點(diǎn)的法向量的夾角θ1，若夾角θ1超過預(yù)設(shè)閾值則將該第i行的第k個節(jié)點(diǎn)的生長屬性標(biāo)記為1，納入不可生長范圍，否則將生長屬性標(biāo)記為0；
在y方向上進(jìn)行掃描的過程中，設(shè)當(dāng)前掃描至第j列的第k個節(jié)點(diǎn)，k>1，計(jì)算第j列第k-1個節(jié)點(diǎn)和第k個節(jié)點(diǎn)的法向量的夾角θ1′，若夾角θ1′超過預(yù)設(shè)閾值則將該第i行第j列的第k個節(jié)點(diǎn)的生長屬性標(biāo)記為1，納入不可生長范圍，否則將生長屬性標(biāo)記為0。
(6)采用區(qū)域生長法識別結(jié)構(gòu)面，具體采用以下步驟實(shí)現(xiàn)：
(6-1)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，選取首個生長屬性為0的節(jié)點(diǎn)作為種子節(jié)點(diǎn)Ai，將Ai作為生長中心，將生長區(qū)域和堆棧各初始化為一個空集；
(6-2)將生長中心8鄰域節(jié)點(diǎn)中生長屬性為0的節(jié)點(diǎn)壓入堆棧；
(6-3)當(dāng)生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于3時，用種子節(jié)點(diǎn)Ai的法向量表示生長區(qū)域的法向量；當(dāng)生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于3時，用生長區(qū)域中所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成平面的法向量表示生長區(qū)域的法向量；分別計(jì)算堆棧中各節(jié)點(diǎn)的法向量與生長區(qū)域的法向量的夾角θ2i；
(6-4)利用法則Ⅰ和法則Ⅱ?qū)Χ褩Ｖ械墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，若找到同時滿足法則Ⅰ和法則Ⅱ的節(jié)點(diǎn)，則將該節(jié)點(diǎn)納入生長區(qū)域，同時把它當(dāng)做新的生長中心，并將其從堆棧中刪除；
所述法則Ⅰ為：該節(jié)點(diǎn)為堆棧中夾角θ2i最小的節(jié)點(diǎn)；
所述法則Ⅱ?yàn)椋涸摴?jié)點(diǎn)為夾角θ2i小于預(yù)設(shè)閥值的節(jié)點(diǎn)；
(6-5)重復(fù)步驟(6-2)到(6-4)，直至堆棧為空或堆棧中沒有同時滿足法則Ⅰ和Ⅱ的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)面生長結(jié)束，將本次生長區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)生長屬性標(biāo)記為1；
(6-6)重復(fù)步驟(6-1)到(6-5)，直至點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有節(jié)點(diǎn)的生長屬性為1，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不同結(jié)構(gòu)面的生長，識別結(jié)束。至此，能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為N個區(qū)域，每個節(jié)點(diǎn)最多對應(yīng)一個區(qū)域，且每個區(qū)域相對平整(可視為結(jié)構(gòu)面)。在執(zhí)行區(qū)域識別后，由于部分結(jié)構(gòu)面過于零散化，故踢除結(jié)構(gòu)面節(jié)點(diǎn)數(shù)小于設(shè)置閾值W1的小型結(jié)構(gòu)面，避免對后期結(jié)構(gòu)面信息提取及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面劃分造成影響。
之后可進(jìn)一步進(jìn)行整性檢測，檢測并標(biāo)記巖體表面的不平整區(qū)域。
(7)提取結(jié)構(gòu)面信息，具體包括提取以下信息：
(a)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息：通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到用矩陣形式表示的平面：
其中(xi,yi,zi)為結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)，i∈[1,n]，a、b和c分別為結(jié)構(gòu)面平面方程的參數(shù)；令
則擬合找到向量A，使得取得最小值，即擬合得到結(jié)構(gòu)面平面方程a×x+b×y+c＝z及其法向量(a,b,c)；
根據(jù)下述公式求取大地坐標(biāo)系中同一巖體結(jié)構(gòu)面的傾向α和傾角β：
(b)結(jié)構(gòu)面間距信息：根據(jù)兩平行平面垂直距離計(jì)算公式計(jì)算相鄰結(jié)構(gòu)面間距：
P1：Ax+By+Cz+D1＝0
P2：Ax+By+Cz+D2＝0
其中，P1為平面1方程，P2為平面2方程，dP1P2為相鄰兩結(jié)構(gòu)面垂直距離；
(c)結(jié)構(gòu)面尺寸信息：將結(jié)構(gòu)面各節(jié)點(diǎn)投影至xoy平面，計(jì)算其在xoy平面的面積Sxoy，再利用投影關(guān)系Sxoy＝S×cos(γ)計(jì)算結(jié)構(gòu)面面積S，其中γ為結(jié)構(gòu)面與xoy平面的夾角，由該結(jié)構(gòu)面的法向量確定；
得到結(jié)構(gòu)面面積S后，用面積大小與其相等的等效圓代替該結(jié)構(gòu)面，用結(jié)構(gòu)面各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)的均值作為該圓的圓心；其半徑大小滿足以下面積公式，
S＝πr2
求得等效圓半徑r，以表征結(jié)構(gòu)面的尺寸信息。