一种块体稳定性的可视化判别方法技术

本发明专利技术公开了一种块体稳定性的可视化判别方法，包括步骤：一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡；二、建立岩质边坡的三维可视化模型；三、确定目标块体的结构面方程；四、确定目标块体的临空面方程；五、确定出闭合块体；六、获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积；七、计算闭合块体的稳定系数。本发明专利技术利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像，并利用三维激光扫描仪获取块体可视化数据，构建岩质边坡的三维可视化模型，并利用结构面与临空面划分出块体的形状，根据块体滑动模式能在现场给出块体的稳定性分析，且适用于岩质边坡或地下洞室等有外露结构面的块体稳定性分析领域，快捷方便。

A visual discrimination method of block stability

【技术实现步骤摘要】
一种块体稳定性的可视化判别方法
本专利技术属于块体稳定性判别
，具体涉及一种块体稳定性的可视化判别方法。
技术介绍
岩体中的块体形状迥异，杂乱无章，地质勘探人员确定关键块体费时费力。因此岩体工程往往以寻找不稳定块体为目标，不稳定块体指在工程力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不施加工程锚固措施，必将失稳的块体。目前，确定不稳定块体的方法有坐标投影图解法、数值方法和赤平极射投影作图法。赤平极射投影作图法具有操作方便、省经费、适合于现场应用等优点，所以在工程地质工作者中得到相当广泛的应用，赤平极射投影作图法简便、直观，仅需圆规、直尺或计算机作图，无需进行复杂的计算，但存在着难以用于多块体分析、难以与数值分析法相结合来更准确地确定块体稳定系数，计算结果不精确等问题；数值方法结果准确，但缺少直观性。而且块体问题通常是三维的，而在现场进行三维弹塑性问题的数值分析，不仅需要计算机及软件条件，而且还要花较长的时间，十分不便；坐标投影图解法的基本方法就是首先根据块体的几何形态确定块体的应力状态，再通过稳定性分析，找出不稳定块体，标投影作图法是以正投影为基础，结合赤平极射投影方法而形成的一种图解方法，但是无法做到现场观测，现场分析。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种块体稳定性的可视化判别方法，利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像，并利用三维激光扫描仪获取块体可视化数据，构建岩质边坡的三维可视化模型，并利用结构面与临空面划分出块体的形状，根据块体滑动模式能在现场给出块体的稳定性分析，且适用于岩质边坡或地下洞室等有外露结构面的块体稳定性分析领域，快捷方便，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种块体稳定性的可视化判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡：利用无人机航拍岩质边坡，获取岩质边坡图像，同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡，获取岩质边坡的点云数据；将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机，计算机对三维激光扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换，得到扫描点的三维直角坐标数据；步骤二、建立岩质边坡的三维可视化模型：计算机根据无人机获取的岩质边坡图像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型；步骤三、确定目标块体的结构面方程，过程如下：步骤301、对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理，得到岩质边坡对应的三角网格曲面，三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点；步骤302、利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置，在每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面，每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的方法均相同；任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下：步骤3021、在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元和相邻三角形面元；步骤3022、根据公式计算初始三角形面元的法向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity1；步骤3023、判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一结构面上：当similarity1>sα时，存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面元的平均向量并根据公式计算平均向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity2，当similarity2>sβ时，初始三角形面元和相邻三角形面元位于同一结构面上，执行步骤3024，当similarity2≤sβ时，删除相邻三角形面元的法向量并执行步骤3024，其中，sα为第一余弦相似度阈值，sβ为第二余弦相似度阈值；当similarity1≤sα时，初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上，将相邻三角形面元视为新的初始三角形面元，将相邻三角形面元对应的生长节点视为初始生长节点，并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元，循环步骤3022，筛选目标块体新的结构面，直至遍历三角网格曲面区域中所有的生长节点，获取三角网格曲面区域中目标块体的所有的结构面；步骤3024、根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点，并形成下一个三角形面元，将下一个三角形面元视为相邻三角形面元，循环步骤3022；步骤303、采用最小二乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合，根据公式确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中，为第j个结构面上第i个扫描点的x轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标，为线性回归方程中常数项的偏回归系数，为线性回归方程中项的偏回归系数，为线性回归方程中项的偏回归系数，且I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正整数；步骤304、根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目标块体的第j个结构面的法向量为步骤305、根据公式计算第j个结构面的倾角βj；然后根据第j个结构面的倾角βj确定第j个结构面的倾向αj，步骤四、确定目标块体的临空面方程：在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数据点，利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模，获取目标块体的临空面方程；步骤五、确定出闭合块体，过程如下：步骤501、将临空面上出露的结构面投影至XOY平面；步骤502、计算一个结构面与其他结构面的交点，删除交点数小于2的结构面，若所有的结构面的交点数均不小于2，则XOY平面上有闭合回路，执行步骤503；否则，XOY平面上无闭合回路，块体为稳定块体；步骤503、计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标，并将该交点坐标的z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标进行比较，当该交点坐标的z轴坐标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标，则该交点位于块体上，闭合回路处对应的任意两个结构面的交线即为块体的棱；当该交点坐标的z轴坐标不小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标，则该交点为无效交点；计算闭合回路处对应的任意三个结构面交点的交点坐标，解出的结果为块体的顶点；临空面的数量与结构面的数量之和为块体的面数；步骤504、将块体的面数、棱数和顶点数代入欧拉定理，若欧拉定理成立，则块体为闭合块体，执行步骤六；若欧拉定理不成立，则块体为非闭合块体；步骤六、获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积；步骤七、计算闭合块体的稳定系数，过程如下：步骤701、确定闭合块体的滑动模式，当闭合块体沿两个结构面的交叉棱线处滑动，且岩质边坡的倾角大于棱线的倾角，闭合块体的滑动力大于抗滑力，闭合块体出露在临空面上，则该闭合块体为楔形块体，所述楔形块体的滑动模式为楔形滑动模式，执行步骤702；当闭合块体沿下滑平面滑动，且岩质边坡的倾角大于闭合块体的结构面的倾角，岩质边坡的倾角和闭合块体的结构面的倾角之差为(0°，20°]，闭合块体的结构面出露于外，闭合块体的重力下滑力大于摩阻力，则该闭合块体为单面滑动块体，所述单面滑动块体的滑动模式为平面剪切滑动模式，执行步骤703；当闭合块体由三个及三个以上的结构面组合切割且出露在临空面上，则该闭合块体为综合滑动块体，所述综合滑动块体的滑动模式为复杂滑动模式，执行步骤704；步骤702、根据公式计算棱线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种块体稳定性的可视化判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡：利用无人机航拍岩质边坡，获取岩质边坡图像，同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡，获取岩质边坡的点云数据；将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机，计算机对三维激光扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换，得到扫描点的三维直角坐标数据；步骤二、建立岩质边坡的三维可视化模型：计算机根据无人机获取的岩质边坡图像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型；步骤三、确定目标块体的结构面方程，过程如下：步骤301、对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理，得到岩质边坡对应的三角网格曲面，三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点；步骤302、利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置，在每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面，每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的方法均相同；任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下：步骤3021、在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元和相邻三角形面元；步骤3022、根据公式...

【技术特征摘要】
1.一种块体稳定性的可视化判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡：利用无人机航拍岩质边坡，获取岩质边坡图像，同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡，获取岩质边坡的点云数据；将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机，计算机对三维激光扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换，得到扫描点的三维直角坐标数据；步骤二、建立岩质边坡的三维可视化模型：计算机根据无人机获取的岩质边坡图像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型；步骤三、确定目标块体的结构面方程，过程如下：步骤301、对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理，得到岩质边坡对应的三角网格曲面，三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点；步骤302、利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置，在每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面，每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的方法均相同；任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下：步骤3021、在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元和相邻三角形面元；步骤3022、根据公式计算初始三角形面元的法向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity1；步骤3023、判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一结构面上：当similarity1>sα时，存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面元的平均向量并根据公式计算平均向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity2，当similarity2>sβ时，初始三角形面元和相邻三角形面元位于同一结构面上，执行步骤3024，当similarity2≤sβ时，删除相邻三角形面元的法向量并执行步骤3024，其中，sα为第一余弦相似度阈值，sβ为第二余弦相似度阈值；当similarity1≤sα时，初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上，将相邻三角形面元视为新的初始三角形面元，将相邻三角形面元对应的生长节点视为初始生长节点，并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元，循环步骤3022，筛选目标块体新的结构面，直至遍历三角网格曲面区域中所有的生长节点，获取三角网格曲面区域中目标块体的所有的结构面；步骤3024、根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点，并形成下一个三角形面元，将下一个三角形面元视为相邻三角形面元，循环步骤3022；步骤303、采用最小二乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合，根据公式确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中，为第j个结构面上第i个扫描点的x轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标，为线性回归方程中常数项的偏回归系数，θ1j为线性回归方程中项的偏回归系数，为线性回归方程中项的偏回归系数，且I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正整数；步骤304、根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目标块体的第j个结构面的法向量为步骤305、根据公式计算第j个结构面的倾角βj；然后根据第j个结构面的倾角βj确定第j个结构面的倾向αj，步骤四、确定目标块体的临空面方程：在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数据点，利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模，获取目标块体的临空面方程；步骤五、确定出闭合块体，过程如下：步骤501、将临空面上出露的结构面投影至XOY平面；步骤502、计算一个结构面与其他结构面的交点，删除交点数小于2的结构面，若所有的结构面的交点数均不小于2，则XOY平面上有闭合回路，执行步骤503；否则，XOY平面上无闭合回路，块体为稳定块体；步骤503、计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标，并将该交点坐标的z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标进行比较，当该交点坐标的z轴坐标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标，则该交点位于块体上，闭合回路处对...

【专利技术属性】
技术研发人员：高丙丽，陈立成，李朗，蔡智云，杨志法，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61