结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法技术

一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)在对岩石结构面进行取样时，以边长为dcm的正方形为单位取样区域，Δd为每次推进长度，其中，Δd＜d＜D，对岩石结构面进行全覆盖取样；4)完成对样品结构面以边长为d的正方形为取样单元；5)记录(4)中

Full Cover Sampling Method for 3-D Surface Morphology of Structural Surface

A full coverage sampling method for 3-D surface topography of structural planes includes the following steps: 1) acquiring 3-D laser scanning images of structural planes from large-scale rock structural plane samples by hand-held 3-D laser scanner and coexisting in STL format; 2) digitalizing the images acquired in 1) using MATLAB, and expressing the rough information of rock structural planes by X, Y and Z coordinates; When sampling rock discontinuities, the sampling area is a square with DCM edge length and D is the length of each advance, in which d < d < D, the rock discontinuities are sampled with full coverage; 4) the sampling unit is a square with D edge length (5) in the record (4);

【技术实现步骤摘要】
结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法
本专利技术涉及一种对大型岩石结构面的取样方法，通过使采样单元相互重叠，逐步推进取样，从而增大样本容量，且保证采样单元之间粗糙信息不丢失，从而使获得的样本集能更好的代表结构面整体。适用于对大型岩石结构面取样的场合。
技术介绍
研究表明，岩体的稳定性很大程度受岩石结构面的影响。而岩石结构面的力学性质与岩石结构面的表面粗糙度密切相关。Barton等最早提出利用结构面表面粗糙度系数(JRC)来量化结构面表面粗糙度，并提出10条标准粗糙度轮廓曲线及JRC-JCS模型。此后，如何计算JRC值便成为国内外学者研究的热点。目前对计算轮廓线JRC2d值方法的研究逐渐成熟，主要计算方法有：经验估算法、统计参数法、直边法&修正直边法和分形维数法等。此后学者们将研究方向逐渐从对轮廓线JRC2d的研究转向对结构面JRC3d的研究，并取得丰硕的成果。目前学者们提出了大量的结构面JRC3d的表征方法：Rs表征法、F(θ)表征法、Z2s表征法、表征法、表征法、三维分形维数D、BAP表征法、SRv表征法等。但目前学者们的研究主要集中在对结构面粗糙度系数表征方法的研究上，对样品岩体结构面的取样方法的研究尚且不多。而对结构面的取样方法的合理性与否对研究者求得结构面粗糙度系数JRC值能否很好的代表结构面表面几何形态有很大的影响。目前对岩体结构面取样方法的研究主要有以下几种：(1)随机取样法，是在结构面表面随机划取等面积的小型结构面样本，利用大量小型结构面的粗糙信息表征结构面整体粗糙信息。该取样方法获得的样本量较大，但样本覆盖的均匀性不够良好，因此样本代表性不够高，且该类方法在结构面模型的取样中的研究鲜有报道。(2)均匀取样法：游志诚等利用样本无数条剖面线的二维粗糙度系数(JRC2d)的平均近似值来近似代替样本结构面的三维粗糙度系数(JRC3d)：即以每个结构面岩样表面中心为中心点，从0°开始，每隔5°作为一组剪切面，共36个剪切面，每个剪切面上以1mm左右的间距切100条剖面线，随后利用结构面上大量轮廓线的粗糙信息来表征结构面整体的粗糙信息。(3)代表性取样法：2013年黄曼等提出的基于分层取样法的小尺寸模型结构面代表性取样方法，通过把100cm*100cm的模型试样均匀划分为100个10cm*10cm小网格，将研究对象从大的样品结构面转化给小的取样区间，在所选取的原岩结构面试样上标定实验方向，根据标定方向，对原岩结构面试样进行粗糙度系数定量统计测量，求得该尺寸各个测段的粗擦度系数特征值JRC0和统计均值并标记每个测段的JRC0值。根据四分位法计算得到P0-25，P25-75，P75-100，三个区间的JRC统计值和方差值，并由公式求得每层样本的层权，以此确定各层的样本量，随后在每层随机抽取相应数量的样本。该方法是利用高代表性的小区域结构面样本来代表结构面整体。以上研究均以部分样本小区域结构面或轮廓线代替样本结构面作为研究对象，虽然能利用样本集较好的表征结构面整体，但在由于样本代表性还不足够高、样本覆盖的均匀程度不够良好等原因，仍无法最大限度的表征结构面整体粗糙程度。
技术实现思路
为了弥补已有的对结构面粗糙度系数研究中的取样方法所获取的岩石结构面的样本区域无法最大限度的表征岩石结构面粗糙信息、样本容量低，样本覆盖不均匀等缺点，本专利技术提出一种全覆盖的取样方法，极大增加了样本容量，使样本能够最大限度表征岩石结构面的粗糙信息且样本能够覆盖整个结构面。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品，大小为Dcm*Dcm，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，将图片的底面旋转到水平面后，以样品图片的左下角为原点，相邻两边为X轴、Y轴，建立三维坐标系，以点的Z轴数值表示该点的起伏高度。通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)在对岩石结构面进行取样时，以边长为dcm的正方形为单位取样区域，Δd为每次推进长度，其中Δd＜d＜D，对岩石结构面进行全覆盖取样，方法为：令正方形四个角点坐标为(xi，yi)、(xi+d，yi)、(xi+d，yi+d)、(xi，yi+d)、其中xi＝Δd*m，yi＝Δd*n，m、n均为整数，利用MATLAB编程记录采样区域内样本结构面的粗糙信息；4)使3)中m＝1，此时n依次取值为依次类推，使m依次取值为即完成对样品结构面以边长为d的正方形为取样单元，Δd为单位推进长度的次取样；5)记录(4)中个单位取样区域的结构面粗糙信息，此时便完成了对岩石结构面的全覆盖取样。本专利技术的有益效果主要表现在：(1)利用全覆盖取样方法所获得的样本容量较大，能够更好的表征结构面整体的粗糙信息。(2)采用全覆盖取样方法取样时，采样单元之间存在一定长度的重叠，可以保证采样单元之间粗糙信息丢失的缺点。附图说明图1是样本结构面。图2是结构面三维全覆盖的取样方法的图解(D＝100cm、d＝10cm、Δd＝2cm)。图3是利用均匀取样法和全覆盖取样法对结构面进行取样，所获取的样本数量对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图3，一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品(100cm*100cm)，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，获取结构面表现起伏形态的三维点云数据。将图片的底面摆正，以样品图片的左下角为原点，相邻两边为X轴、Y轴，建立三维坐标系，以点的Z轴数值表示该点的起伏高度。通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)以X-Y平面上结构面的投影为工作平面，以投影的左下角点为原点，建立平面直角坐标系。设置取样单元为边长10cm的正方形，单次推进长度为2cm。令正方形四个角点坐标为(xi，yi)、(xi+10，yi)、(xi+10，yi+10)、(xi，yi+10)、其中xi＝2*m，yi＝2*n，(m、n∈[0、45]，m、n均为整数)，利用MATLAB编写程序，遍取结构面上在X-Y投影落在该区域内的所有点{(xj，yj)|xj∈(xi，xi+10)，yj∈(yi，yi+10)}，并记录这些点的三维坐标信息；4)使3)中m＝1，此时n依次取值为0、1、2、3...45(图2(a))，依次类推，使n依次取值为0、1、2、3...45(图2(b))。即可完成对样品结构面以边长为10cm的正方形为取样区域，2cm为单位推进长度的N＝2116次取样。利用MATLAB记录N＝2116个单位取样区域内的点云数据，利用点云数据表示样本结构面粗糙信息，此时便完成了对岩石结构面的全覆盖取样。5)为了体现在获取样本容量上本专利技术方法较均匀取样法的优越性，令采样单元长度为d＝10cm，分别利用均匀取样法和全覆盖取样法对结构面进行取样，所获取的样本数量对比如图3：从图3中可以看出在采样单元长度相同时，全覆盖取样法获取的样本数量远大于均匀取样法，且全覆盖取样法可通过改变单次推进长度(Δd)的大小，调整所获取的样本数量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品，大小为Dcm*Dcm，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，将图片的底面旋转到水平面后，以样品图片的左下角为原点，相邻两边为X轴、Y轴，建立三维坐标系，以点的Z轴数值表示该点的起伏高度，通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)在对岩石结构面进行取样时，以边长为dcm的正方形为单位取样区域，Δd为每次推进长度，其中，Δd＜d＜D，对岩石结构面进行全覆盖取样，方法为：令正方形四个角点坐标为(xi，yi)、(xi+d，yi)、(xi+d，yi+d)、(xi，yi+d)、其中xi＝Δd*m，yi＝Δd*n，

【技术特征摘要】
1.一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品，大小为Dcm*Dcm，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，将图片的底面旋转到水平面后，以样品图片的左下角为原点，相邻两边为X轴、Y轴，建立三维坐标系，以点的Z轴数值表示该点的起伏高度，通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)在对岩石结构面进行取样时，以边长为dcm的正方形为单位取样区域，Δd为每...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄曼，马成荣，罗战友，徐常森，张贺，杜时贵，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33