基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法技术

一种基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，所述方法包括以下步骤：(1)现场结构面几何参数测量；(2)结构面数字摄影精细测量；(3)结构面数据分析与处理；(4)结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析。本发明专利技术采用数字摄影测量方法获得结构面几何参数，利用K均值聚类方法进行了结构面分组，并在各组结构面迹长统计分析的基础上，结合野外现场测量结果，确定了边坡各组岩体结构面迹长的统计分布规律与统计特征值，计算结构面贯通率系数，提供一种露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法。

【技术实现步骤摘要】
基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法
本专利技术涉及一种露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，特别的是本专利技术是采用数字摄影测量方法获得了结构面几何参数，利用K均值聚类方法进行了结构面分组，在各组结构面迹长统计分析的基础上，结合野外现场测量结果，确定边坡各组岩体结构面迹长的统计分布规律与统计特征值，野外现场调查与室内统计分析相结合，显著提高了露天矿山边坡岩体结构面规模确定的可靠性，本专利技术属于工程

技术介绍
结构面是边坡岩体中由力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层构成的不连续面，岩体的变形与稳定性主要取决于结构面的发育条件。露天矿山边坡的稳定性受岩体结构面控制，结构面的产状、规模、组合型式及其与边坡面的空间组合关系决定了矿山边坡潜在的破坏模式。露天矿山边坡的工程岩体中发育有不同规模的结构面，不同规模结构面对矿山边坡稳定性影响的程度和范围是不同的，需要开展结构面规模和露天矿山边坡规模的匹配性分析。一般来说，露天矿山边坡的规模是比较好确定的，但是结构面规模测量却存在不小的问题。虽然，在前人研究中有关岩体结构面产状测量较多，但针对岩体节理规模快速测定的研究较少。结构面发育规模一般通过迹长来表示，它是指结构面在露头表面出露的长度。目前，工程中常用测线法或窗口统计法来测量，即通过皮尺和罗盘人工现场逐一测量结构面几何信息(迹长、倾向、倾角、间距、隙宽等)。由于岩体结构面具有分布广、数量多、随机性强的特点，仅仅依据这种低效、费力、耗时的常规方法难以满足工程需求，特别是遇到陡崖、险坡等现场条件，这类测量方法便难以实施。岩体结构面三维网络模拟是研究岩体结构特征的重要手段，为了获得准确的岩体结构面三维网络模型，必须保证结构面规模统计模型的正确性。然而，受常规测量方法测量数据的局限性，很难保证结构面规模测量结果的准确性。依据结构面规模与边坡规模的匹配关系，可以将结构面划分为贯穿性结构面、非贯穿性结构面两大类。边坡可能沿着贯穿性结构面及其组合发生整体滑移或楔体破坏，这时边坡的稳定性称为总体边坡的整体稳定性。若总体边坡整体稳定性较好，但贯穿性结构面可能与非贯穿结构面和小规模结构面组合构成潜在滑动面，边坡可能沿着该组合滑动面发生变形破坏，此时边坡的稳定性称为总体边坡的局部稳定性。贯穿性、非贯穿性结构面类型的判定对边坡稳定性评价有着重要意义，但是目前并没快速、精确的方法进行测定。因此，针对目前岩体结构面规模研究的局限性，亟需提出一套完整的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法。
技术实现思路
为了解决露天矿山边坡岩体节理规模精细快速取值问题，本专利技术提供一种露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，采用数字摄影测量方法获得结构面几何参数，利用K均值聚类方法进行了结构面分组，并在各组结构面迹长统计分析的基础上，结合野外现场测量结果，确定了边坡各组岩体结构面迹长的统计分布规律与统计特征值，计算结构面贯通率系数。为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下的技术方案：一种基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，所述方法包括以下步骤：(1)现场结构面几何参数测量；(2)结构面数字摄影精细测量，过程如下：2.1：根据观测边坡岩体范围与空间位置，选取岩体露头面尽量新鲜且无障碍物的边坡作为摄影测量区域；2.2：根据选取测量区域，将标杆垂直的立于测量区域一侧，用于标定最后生成的三维图像上任意两点间的距离；2.3：在岩体表面选取一块露头的、区域比较大、比较平滑的结构面作为标定点，用罗盘测量出倾向及倾角，并做标记，用于后处理时图像的方位真实化；2.4：使用高分辨率相机，在选定区域正前方左、右位置，对岩体依次拍照，两次拍摄时，镜头离所测岩体的距离D及两次成像位置之间的距离B满足关系B＝D/8～D/5；2.5：测点数据采集完成后，取回标杆，返回室内作进一步后处理操作；(3)结构面数据分析与处理，过程如下：3.1：将野外摄影测量所获取的左、右视图导入到软件分析系统；3.2：对左、右视图中的像素点进行匹配，合成岩体表面三维实体模型；3.3：根据标杆尺寸以及罗盘量出的标定点产状，进行三维实体模型方位、尺寸和距离的真实化；3.4：基于真实化的实体模型，使用电脑鼠标进行交互式操作来实现每个结构面的识别、定位以及几何信息真实参数的获取，所诉几何信息真实参数包括产状、迹长和间距，并导出结构面数据信息；(4)结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析。进一步，所述步骤(4)中，结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析的过程如下：4.1：将现场结构面产状接触式测量确定的K组结构面倾向A0*，倾角B0*，作为每个聚类确定一个初始聚类中心，得到K个初始聚类中心；4.2：根据相似性度量准则计算每个样本数据距聚类中心的距离；将每个样本数据分配到距它最近的聚类中心，得到K组数据；4.3：对于每组结构面，采用特征模量分析方法求解每组数据的聚类中心，假设某组内存在l个数据，求解它们的聚类中心采用如下：首先，采用如下公式计算矩阵S式中(xi，yi，zi)为任意结构面的单位法向量，i＝1,2，…，l；然后，求解矩阵S的特征值(τ1，τ2，τ3)及其对应的特征向量(ξ1，ξ2，ξ3)，τ1＜τ2＜τ3，最大特征值对应的特征向量ξ3为组内l个向量的平均向量，该平均向量作为新的聚类中心；4.4：按照4.2～4.3重复计算，直到所有聚类中心的位置都固定，结构面数据的组别分配也随之固定；4.5：将4.4得到的以单位法向量表示的结构面产状数据转换为以倾向、倾角表示的结构面产状数据；4.6：将4.5得到的每组结构面对应的迹长数据进行统计分析，计算结构面迹长的平均值m与标准差σ，计算迹长数据的稳健区间[m-σ,m+σ]；4.7：判断K组结构面的初始聚类中心对应的迹长L0*，是否落在稳健区间[m-σ,m+σ]范围内，若在该范围内，结构面聚类分析完成；若不在该范围内，说明初始聚类数目K估计不正确，需要对K值进行修改，将新的聚类数目K1，K1＝K+1，带入4.1，重新按照4.1～4.6进行聚类，直到初始聚类中心的迹长L0*，落在稳健区间[m-σ,m+σ]范围内；4.8：根据4.7得到的最后结构面分组情况，计算结构面倾向、倾角、迹长的概率分布；4.9：根据4.8得到的最后结构面迹长、倾角统计平均值Lm和Bm，计算结构面贯通率系数λ，节理贯通率系数λ>β倍数的断层为贯穿结构面，β的取值范围为0.85～0.95；节理贯通率系数λ≤β倍数的断层为非贯穿结构面。再进一步，所述步骤(1)中，现场结构面几何参数测量的过程如下：1.1：通过露天矿山边坡分级分析确定所需研究的边坡研究范围，测量边坡高度H，观察研究范围内岩体结构面发育的总体特征；1.2：依据观察到的结构面发育总体特征，初步判断边坡岩体由k0组结构面构成，采用地质罗盘、钢卷尺(或激光测距仪)对每组结构面产状、迹长进行测量，产状包括倾向A0和倾角B0，至少获得9个测点数据；1.3：对于倾角小于等于80°的结构面，每组结构面产状数据依据结构面倾角大小，剔除最大2个值、最小2个值，计算其余5个产状、迹长数据的算术平均值，即倾向A0*，倾角B0*、迹长L0*，倾向A0*，倾角B0*视为代表该组结构面总体规律的产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)现场结构面几何参数测量；(2)结构面数字摄影精细测量，过程如下：2.1：根据观测边坡岩体范围与空间位置，选取岩体露头面尽量新鲜且无障碍物的边坡作为摄影测量区域；2.2：根据选取测量区域，将标杆垂直的立于测量区域一侧，用于标定最后生成的三维图像上任意两点间的距离；2.3：在岩体表面选取一块露头的、区域比较大、比较平滑的结构面作为标定点，用罗盘测量出倾向及倾角，并做标记，用于后处理时图像的方位真实化；2.4：使用高分辨率相机，在选定区域正前方左、右位置，对岩体依次拍照，两次拍摄时，镜头离所测岩体的距离D及两次成像位置之间的距离B满足关系B＝D/8～D/5；2.5：测点数据采集完成后，取回标杆，返回室内作进一步后处理操作；(3)结构面数据分析与处理，过程如下：3.1：将野外摄影测量所获取的左、右视图导入到软件分析系统；3.2：对左、右视图中的像素点进行匹配，合成岩体表面三维实体模型；3.3：根据标杆尺寸以及罗盘量出的标定点产状，进行三维实体模型方位、尺寸和距离的真实化；3.4：基于真实化的实体模型，使用电脑鼠标进行交互式操作来实现每个结构面的识别、定位以及几何信息真实参数的获取，所诉几何信息真实参数包括产状、迹长和间距，并导出结构面数据信息；(4)结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)现场结构面几何参数测量；(2)结构面数字摄影精细测量，过程如下：2.1：根据观测边坡岩体范围与空间位置，选取岩体露头面尽量新鲜且无障碍物的边坡作为摄影测量区域；2.2：根据选取测量区域，将标杆垂直的立于测量区域一侧，用于标定最后生成的三维图像上任意两点间的距离；2.3：在岩体表面选取一块露头的、区域比较大、比较平滑的结构面作为标定点，用罗盘测量出倾向及倾角，并做标记，用于后处理时图像的方位真实化；2.4：使用高分辨率相机，在选定区域正前方左、右位置，对岩体依次拍照，两次拍摄时，镜头离所测岩体的距离D及两次成像位置之间的距离B满足关系B＝D/8～D/5；2.5：测点数据采集完成后，取回标杆，返回室内作进一步后处理操作；(3)结构面数据分析与处理，过程如下：3.1：将野外摄影测量所获取的左、右视图导入到软件分析系统；3.2：对左、右视图中的像素点进行匹配，合成岩体表面三维实体模型；3.3：根据标杆尺寸以及罗盘量出的标定点产状，进行三维实体模型方位、尺寸和距离的真实化；3.4：基于真实化的实体模型，使用电脑鼠标进行交互式操作来实现每个结构面的识别、定位以及几何信息真实参数的获取，所诉几何信息真实参数包括产状、迹长和间距，并导出结构面数据信息；(4)结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析。2.如权利要求1所述的基于数字摄影测量的露天矿山边坡岩体节理规模快速精细取值方法，其特征在于，所述步骤(4)中，结构面产状K均值聚类与结构面规模统计分析的过程如下：4.1：将现场结构面产状接触式测量确定的K组结构面倾向A0*，倾角B0*，作为每个聚类确定一个初始聚类中心，得到K个初始聚类中心；4.2：根据相似性度量准则计算每个样本数据距聚类中心的距离；将每个样本数据分配到距它最近的聚类中心，得到K组数据；4.3：对于每组结构面，采用特征模量分析方法求解每组数据的聚类中心，假设某组内存在l个数据，求解它们的聚类中心采用如下：首先，采用如下公式计算矩阵S式中(xi，yi，zi)为任意结构面的单位法向量，i＝1,2，…，l；然后，求解矩阵S的特征值(τ1，τ2，τ3)及其对应的特征向量(ξ1，ξ2，ξ3)，τ1＜τ2＜τ3，最大特征值对应的特征向量ξ3为组内l个向量的平均向量，该平均向量作为新的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡高建，雍睿，杜时贵，刘杰，杨小聪，李泽，夏才初，刘文连，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33