基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法技术

本发明专利技术公开了基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，该方法首先将裂隙按隙宽分类，然后进行矢量化，绘制各种类型裂隙及总裂隙的玫瑰花图，接着基于玫瑰花图对裂隙分组，拟合裂隙方向的统计分布，最后实现岩石裂隙从图像中获取信息到玫瑰花图绘制、裂隙分组以及分布函数拟合分析。本发明专利技术还包括裂隙宽度的分类、各类裂隙及总裂隙的玫瑰花图绘制、裂隙分组以及各类裂隙和总裂隙的分布函数拟合。本发明专利技术借助ArcGIS和Matlab程序强大的数据处理功能,快速实现裂隙方向数据的自动提取、玫瑰花图绘制以及分布函数的拟合，为裂隙方向的几何描述提供一种新的分析方法，同时为水文模型里的快速水箱和慢速水箱裂隙流计算提供依据。

【技术实现步骤摘要】
基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法
本专利技术属于裂隙方向性研究，具体涉及基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法。
技术介绍
断裂现象在岩体中分布很普遍，断裂构造破坏了岩体的连续完整性，裂隙是岩体中的软弱结构面，是控制岩体力学特征的最重要因素，同时也是岩体中地下水等流体的通道，因此，裂隙对水工建筑物的岩基稳定与渗漏、矿井安全、岩溶地区的水资源分布都有很大影响，岩溶裂隙是岩溶地区水文地质结构的核心组成部分，研究裂隙的发育特征、分布规律具有十分重要的意义。裂隙的方向性对岩体的工程性质及水力性质影响尤其重要，它是岩体形成各向异性、非均匀性和不连续性的重要几何特征之一。自然界的岩体裂隙分布是很复杂的，对裂隙的几何描述是非常具有挑战性的一项工作。但岩体裂隙并不是无序的，裂隙的方向性研究正是解决这一切的突破口，也引起了国内外专家学者的广泛共识。近年来，对裂隙结构面方向性在内的裂隙几何特征的研究取得了长足的进步。20世纪70年代以来，国内外专家学者对裂隙结构面的方向性进行了大量研究。Mardia(1972)认为裂隙结构面的方向性应该用Fisher分布描述；Gaziev和Tilden(1979)用概率统计方法研究结构面后则认为其一般服从正态分布；Miller和Borgman(1985)通过利用快速的傅里叶变换的频谱分析法研究裂隙的性质发现，裂隙结构面的倾向和倾角一般服从指数分布或者正态分布；Long和Billaux(1987)研究野外实测裂隙时发现裂隙的方向服从正态分布。考虑到岩体裂隙的多样性，数量一般都很庞大，快速编制出裂隙玫瑰花图以识别裂隙的优势发育方向对岩体的稳定性、地下水渗流研究都有着极其重要的意义。裂隙玫瑰花图是裂隙方向统计数据的主要表达方式之一，能直观地反映诸如节理、断层等地质数据的优选方向和总体分布特征，过去大多采用人工统计手工绘制的方式实现，效率低。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术采用人工绘制裂隙玫瑰花图效率低的问题，本专利技术提供一种基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法。技术方案：基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，所述方法基于ArcGIS和Matlab进行图像处理和数据分析，包括裂隙分类、矢量化、裂隙方向玫瑰花图绘制和分组以及分布函数的拟合，包括以下步骤：(1)裂隙图像处理，包括通过ArcGIS裂隙矢量化和提取裂隙几何信息；(2)裂隙方向玫瑰花图绘制，以圆心为起点，逆时针连接各组裂隙对应方向线段的端点，得到裂隙的玫瑰花图；(3)裂隙方向分布模拟，包括对裂隙进行分布函数的拟合，得到分布函数的参数值，所述分布函数包括正态分布。进一步的，步骤(1)具体步骤如下：(1.1)在裂隙图像上选择控制点对裂隙剖面进行人工配准；(1.2)设置裂隙剖面图数据框属性；(1.3)裂隙矢量化及裂隙的几何信息提取，采取对裂隙剖面进行跟踪要素数字化的方法来完成矢量化。根据裂隙宽度划分裂隙类型，建立相对应的线文件，绘制出不同宽度的裂隙。步骤(2)裂隙方向玫瑰花图绘制步骤如下：(2.1)玫瑰花图的基本图形为半圆，对上半圆每10°为一区间进行裂隙分组并统计每组裂隙的条数，计算每组裂隙的平均方向，也包括采用区间中值作为平均方向；(2.2)以x轴为起始方向划分出刻度，表示裂隙的方向，半圆半径按比例分成等分，代表裂隙条数，玫瑰花图的半径长对应的裂隙数目略多于或等于最多裂隙数目；(2.3)以圆心为起点，以各组裂隙数目对应的长度为线段长度，以各组裂隙的平均方向为方向，得到各组裂隙对应方向线段的端点，然后按照逆时针方向，顺次连接圆心和这些端点组成的平面点序列，得到裂隙的玫瑰花图。更进一步的，步骤(1.1)中裂隙剖面的左右边界设置为-869cm～2293cm,上下边界设置为-90cm～756cm,裂隙剖面的四个顶点作为边界控制点。步骤(1.3)所述的裂隙类型包括四种，包括大裂隙、中裂隙、小裂隙和微小裂隙：宽度为3.5cm～0.95cm的为大裂隙，0.95cm～0.425cm的为中裂隙，0.425cm～0.1cm的小裂隙，≤0.1cm的为微小裂隙。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著的效果在于：第一，本专利技术为了水文模型里的快速水箱和慢速水箱裂隙流计算提供依据，对裂隙宽度差异大的剖面按隙宽对裂隙进行了分类；第二，借助ArcGIS对野外拍摄到的裂隙图像矢量化并提取出裂隙几何信息，利用Matlab程序实现了对裂隙方向数据的自动统计、玫瑰花图绘制，裂隙方向分组以及裂隙分布函数的拟合。附图说明图1是本专利技术的步骤流程图；图2是实施例中利用ArcGIS绘制的裂隙剖面图；图3是二维系统中裂隙在岩体位置的控制参数示意图；图4是本实施例的大、中、小、微小裂隙的玫瑰花图；图5是本实施例的整体裂隙的玫瑰花图；图6是本实施例的大、中、小、微小裂隙方向服从正态分布的概率密度函数图；图7是本实施例的整体裂隙方向服从正态分布的概率密度函数图。具体实施方式为了详细的说明本专利技术所公开的技术方案，下面结合具体实施例和说明书附图做进一步的阐述。随着ArcGIS和Matlab程序的出现，其强大的数据处理功能和工程计算库函数丰富等特点为工程领域数值计算与数据处理研究提供了一种新方法。本专利技术采用ArcGIS与Matlab程序相结合来研究裂隙的方向性，对野外拍摄到的裂隙图像使用ArcGIS进行矢量化并提取出裂隙的几何信息，利用Matlab程序编制玫瑰花图，为裂隙的方向分组提供依据，并进一步分析裂隙方向的统计分布特征。本专利技术具体实施过程如下：1、裂隙图像矢量化1.1裂隙剖面图前期处理对野外拍摄到的裂隙图像首先选取控制点进行人工配准，裂隙剖面图的左右边界设置为-869cm～2293cm，上下边界设置为-90cm～756cm，选择裂隙剖面的四个顶点作为边界控制点进行配准(见图2)。具体操作步骤如下：(1)在Arcmap中打开“剖面”图，并将剖面左下角端点设置为起始点；(2)打开“转到XY工具”，将单位设置成“cm”。依次输入四个顶点的XY坐标值，设定四个点即(-869，-90)、(-869,756)、(2293,756)、(2293，-90)作为边界控制点；(3)打开Arcmap中的“地理配准”工具，在其工具栏上点击“添加控制点”工具；(4)将剖面图的四个顶点分别对应配准至设定好的四个点上；(5)点击“地理配准”工具栏里的“校正”工具，将配准后的图像保存至文件夹中，输出格式为Tif格式。1.2设置裂隙剖面数据框属性(1)打开“剖面”所在图层的“数据框属性”对话框，点击“坐标系”，设定与剖面相匹配的实际坐标系统；(2)随后打开“常规”选项，设定剖面所在的图层以“cm”为单位显示；经过剖面图的配准、数据框属性设定完成后，将对配准后的剖面图进行裂隙的矢量化。1.3裂隙矢量化以及裂隙几何信息提取为了确保裂隙矢量化的精确性，我们采取对裂隙剖面进行跟踪要素数字化的方法来完成矢量化。由于所选取剖面的裂隙宽度差异大，为了水文模型里的快速水箱和慢速水箱裂隙流计算提供依据，对裂隙按隙宽进行了分类。根据裂隙宽度区间的分布规律，先确定每种类型裂隙的宽度范围。其中，宽度在1cm以上的多为横向裂隙，数量较少；裂隙宽度越接近0.1cm，数量越多。因此细化宽度小的裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，所述方法基于ArcGIS和Matlab进行图像处理和数据分析，包括裂隙宽度的分类、裂隙矢量化、各类裂隙和总裂隙的玫瑰花图绘制、裂隙分组与分布函数的拟合，其特征在于：包括以下步骤：(1)裂隙图像处理：包括通过ArcGIS裂隙矢量化和提取裂隙信息；(2)裂隙方向玫瑰花图绘制，以圆心为起点，逆时针连接各组裂隙对应方向线段的端点，得到裂隙的玫瑰花图；(3)裂隙方向分布模拟，包括对裂隙进行分布函数的拟合，求解分布函数参数值。

【技术特征摘要】
1.基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，所述方法基于ArcGIS和Matlab进行图像处理和数据分析，包括裂隙宽度的分类、裂隙矢量化、各类裂隙和总裂隙的玫瑰花图绘制、裂隙分组与分布函数的拟合，其特征在于：包括以下步骤：(1)裂隙图像处理：包括通过ArcGIS裂隙矢量化和提取裂隙信息；(2)裂隙方向玫瑰花图绘制，以圆心为起点，逆时针连接各组裂隙对应方向线段的端点，得到裂隙的玫瑰花图；(3)裂隙方向分布模拟，包括对裂隙进行分布函数的拟合，求解分布函数参数值。2.根据权利要求1所述的基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，其特征在于：步骤(1)具体步骤如下：(1.1)在裂隙图像上选择控制点对裂隙剖面进行人工配准；(1.2)设置裂隙剖面图数据框属性；(1.3)裂隙矢量化及裂隙几何信息提取，对裂隙剖面进行跟踪要素数字化处理，且完成矢量化，根据裂隙宽度划分裂隙类型，建立相对应的线文件，绘制不同宽度的裂隙。3.根据权利要求1所述的基于ArcGIS和Matlab的裂隙方向性研究方法，其特征在于：步骤(2)裂隙方向玫瑰花图绘制步骤如下：(2.1)玫瑰花图的基本图形为半圆，对上半圆每10°为一区...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋丽，陈喜，蔡炼彬，
申请(专利权)人：江苏师范大学，河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32