一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法技术

本发明专利技术提供了一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，包括：采集岩体开挖暴露面的原貌数字图像；采集钻孔内壁面的原貌数字图像并记录钻孔位置信息；对原貌数字图像进行处理，得到仅包含裂隙图形的二值图像；获取二值图像中的所有裂隙图形的坐标，通过拟合得到钻孔内壁二值图像中裂隙图形的函数表达式；分析计算得到工程现场岩体中的裂隙信息集；将裂隙信息集输入信息归纳模型，进行分类整理，得到结构面信息集；构造出结构面的三维模型；构建出岩体结构模型，获取岩体结构信息。本发明专利技术让结构面参数的获取过程更加可靠和完善，为实际工程中岩体结构信息的获取提供了一种更为高效、便捷和可靠的方式，对工程现场有着很好的指导意义。着很好的指导意义。着很好的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法


[0001]本专利技术涉及岩体结构三维模型构建
，具体涉及一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法。

技术介绍

[0002]岩体是经历漫长的地质过程而演化形成的，岩体内部在构造力的作用下会产生大量结构面，而结构面会将岩体分割成形状和大小各异的岩石块体，这些岩石块体称为结构体，结构面和结构体共同组合成了岩体结构。岩体中结构面的几何参数影响着岩体的稳定性，还控制着岩体的变形破坏以及渗流路径等。因此，构建岩体结构的三维模型对实际工程有着非常重要的意义，是经济设计和安全施工的关键。
[0003]在实际工程中，岩体中的结构面参数的获取方法主要是测量岩体暴露面，还可以通过多个暴露面上的结构面迹线推断出岩体结构面的参数。但是这种方法获取的结构面参数往往会存在部分信息缺失以及可靠性不高的问题，不能对工程现场起到关键的指导作用。而将岩体暴露面的信息与钻孔内壁面的信息进行有效结合，并通过神经网络对其进行运算和整理，使得结构面参数的获取过程更加可靠和完善。这为实际工程中岩体结构信息的获取提供了一种更为高效、便捷和可靠的方式，对工程现场有着很大的指导意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：提供一种高效、便捷、可靠的基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，解决现有岩体结构信息获取方法的信息缺失以及可靠性不高等技术问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，包括如下步骤：
[0006]S1，采集工程现场中岩体开挖暴露面的原貌数字图像；
[0007]S2，在工程现场的岩体上打钻孔，采集钻孔内壁面的原貌数字图像并记录钻孔位置信息；
[0008]S3，对S1、S2中采集到的原貌数字图像进行处理，将图像中的裂隙作为关注重点进行强化凸显，得到仅包含裂隙图形的二值图像；
[0009]S4，对二值图像中的裂隙图形进行识别提取，获取二值图像中的所有裂隙图形的坐标，并对钻孔内壁二值图像中裂隙图形的坐标进行拟合，得到钻孔内壁二值图像中裂隙图形的函数表达式；
[0010]S5，将裂隙图形的函数表达式和坐标进行分析计算，得到工程现场岩体中的裂隙信息集；
[0011]S6，将裂隙信息集输入信息归纳模型，对所有的裂隙信息集进行分类整理，得到结构面信息集；
[0012]S7，根据插值方法对结构面信息集进行插值计算，构造出结构面的三维模型；
[0013]S8，将结构面三维模型按照空间位置信息排布在岩体表面框架模型中，构建出岩体结构模型，通过岩体结构模型获取岩体结构信息。
[0014]进一步地，S1中在岩体暴露面正前方预设距离处布置拍摄点，用数码相机拍摄岩体开挖暴露面的原貌数字图像；S2中在岩体的开挖暴露面上钻取数个水平钻孔并记录钻孔的位置信息，然后用水反复冲洗钻孔内部以将杂质清除出钻孔，直到钻孔干燥后，在岩体暴露面正前方预设间距处开始进行图像采集，将直钻孔电视探头沿着钻孔壁面缓慢置入钻孔，缓慢推入钻头抵达钻孔底部，获得钻孔内壁图像。
[0015]进一步地，S3中图像处理方法包括缩放、灰度化、滤波处理、边缘检测、细化处理、迭代连接。
[0016]进一步地，S4中以图像的左上角端点为原点，以水平向右方向为u轴正方向，以竖直向下方向为v轴正方向，以像素为单位建立图像平面坐标系；对图像中的裂隙图形进行编号，并获取所有裂隙图形在图像平面坐标系下的坐标，每一道裂隙图形对应一个裂隙坐标集；使用正弦函数模型对钻孔内壁图像中裂隙图形的坐标进行拟合计算，得到钻孔内壁图像中所有裂隙图形的函数表达式。
[0017]进一步地，正弦函数模型为：
[0018][0019]其中，A表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅，u、v分别表示图像平面坐标系的两个坐标变量，表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的初相位，c表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数向上平移的距离。
[0020]进一步地，S5中建立以钻孔孔口中心为原点，以竖直向下作为极轴方向，以逆时针作为角度正方向，以水平向钻孔内作为z轴正方向，以米为单位的柱面坐标系，通过钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅A求得结构面在柱面坐标系下的倾角α，通过函数的初相位求得结构面在柱面坐标系下的倾向β，得到结构面在柱面坐标下的产状信息集，每一道裂隙图形对一个产状信息集，柱面坐标系下结构面倾角的计算公式为：
[0021][0022]其中，α表示结构面的倾角，A表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅，M表示钻孔内壁图像的尺寸宽度；
[0023]柱面坐标系下结构面倾向的计算公式为：
[0024][0025]其中，β表示结构面的倾向与钻孔内壁图像剖切方向的夹角，表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的初相位；
[0026]通过坐标变换将钻孔内壁图像平面坐标系下的裂隙坐标集转换为柱面坐标系下的裂隙坐标集，图像平面坐标系转换为柱面坐标系的公式为：
[0027][0028]其中，θ、ρ、z分别表示柱面坐标系的三个坐标变量，u、v分别表示图像平面坐标系的两个坐标变量，M表示钻孔内壁图像的尺寸宽度，r表示实际钻孔半径，k表示实际长度和钻孔内壁图像中像素长度的比例；
[0029]以岩体开挖暴露面拍摄范围的左上角端点作为原点，以水平向右作为x轴正方向，以竖直向下作为y轴正方向，以水平向岩体内部作为z轴正正方向，以米作为单位建立三维直角坐标系；通过坐标变换将柱面坐标系下的裂隙坐标集和产状信息集转换为三维直角坐标系下的裂隙坐标集和产状信息集，柱面坐标系转换为三维直角坐标系的公式为：
[0030][0031]其中，x、y、z分别表示三维直角坐标系的三个坐标变量，θ、ρ、z分别为柱面坐标系的三个坐标变量，C1、C2都为常数；
[0032]通过坐标变换将暴露面图像平面坐标系下的裂隙坐标集转换为三维直角坐标系下的裂隙坐标集，图像平面坐标系转换为三维直角坐标系的公式为：
[0033][0034]其中，x、y、z分别表示三维直角坐标系的三个坐标变量，u、v分别表示图像平面坐标系的两个坐标变量，l表示实际长度和岩体暴露面图像中像素长度的比例；
[0035]经过整理，得到由产状信息和坐标信息组成的裂隙信息集，钻孔内壁面上裂隙所对应的裂隙信息集包含产状信息和坐标信息，开挖暴露面上裂隙所对应的裂隙信息集中只包含坐标信息。
[0036]进一步地，S6中信息归纳模型通过对卷积神经网络训练得到，对裂隙信息集进行归纳，将归属于同一结构面的裂隙信息集整合到一个结构面信息集中，具体的训练过程为：
[0037]构建卷积神经网络模型；对开挖暴露面和钻孔内壁面上裂隙所对应的裂隙信息集进行标记，作为训练样本输入卷积神经网络；通过损失函数和梯度下降算法不断调整模型参数；反复迭代直到模型收敛，建立信息归纳模型。
[0038]进一步地，S7中采用Kriging插值法，用所有已知点的值求取未知点的值，具体过程为：对所有已知的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，采集工程现场中岩体开挖暴露面的原貌数字图像；S2，在工程现场的岩体上打钻孔，采集钻孔内壁面的原貌数字图像并记录钻孔位置信息；S3，对S1、S2中采集到的原貌数字图像进行处理，将图像中的裂隙作为关注重点进行强化凸显，得到仅包含裂隙图形的二值图像；S4，对二值图像中的裂隙图形进行识别提取，获取二值图像中的所有裂隙图形的坐标，并对钻孔内壁二值图像中裂隙图形的坐标进行拟合，得到钻孔内壁二值图像中裂隙图形的函数表达式；S5，将裂隙图形的函数表达式和坐标进行分析计算，得到工程现场岩体中的裂隙信息集；S6，将裂隙信息集输入信息归纳模型，对所有的裂隙信息集进行分类整理，得到结构面信息集；S7，根据插值方法对结构面信息集进行插值计算，构造出结构面的三维模型；S8，将结构面三维模型按照空间位置信息排布在岩体表面框架模型中，构建出岩体结构模型，通过岩体结构模型获取岩体结构信息。2.根据权利要求1所述的一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其特征在于，S1中在岩体暴露面正前方预设距离处布置拍摄点，用数码相机拍摄岩体开挖暴露面的原貌数字图像；S2中在岩体的开挖暴露面上钻取数个水平钻孔并记录钻孔的位置信息，然后用水反复冲洗钻孔内部以将杂质清除出钻孔，直到钻孔干燥后，在岩体暴露面正前方预设间距处开始进行图像采集，将直钻孔电视探头沿着钻孔壁面缓慢置入钻孔，缓慢推入钻头抵达钻孔底部，获得钻孔内壁图像。3.根据权利要求1所述的一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其特征在于，S3中图像处理方法包括缩放、灰度化、滤波处理、边缘检测、细化处理、迭代连接。4.根据权利要求1所述的一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其特征在于，S4中以图像的左上角端点为原点，以水平向右方向为u轴正方向，以竖直向下方向为v轴正方向，以像素为单位建立图像平面坐标系；对图像中的裂隙图形进行编号，并获取所有裂隙图形在图像平面坐标系下的坐标，每一道裂隙图形对应一个裂隙坐标集；使用正弦函数模型对钻孔内壁图像中裂隙图形的坐标进行拟合计算，得到钻孔内壁图像中所有裂隙图形的函数表达式。5.根据权利要求4所述的一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其特征在于，正弦函数模型为：其中，A表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅，u、v分别表示图像平面坐标系的两个坐标变量，表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的初相位，c表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数向上平移的距离。6.根据权利要求5所述的一种基于岩体表面和孔内扫描的岩体结构信息获取方法，其
特征在于，S5中建立以钻孔孔口中心为原点，以竖直向下作为极轴方向，以逆时针作为角度正方向，以水平向钻孔内作为z轴正方向，以米为单位的柱面坐标系，通过钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅A求得结构面在柱面坐标系下的倾角α，通过函数的初相位求得结构面在柱面坐标系下的倾向β，得到结构面在柱面坐标下的产状信息集，每一道裂隙图形对一个产状信息集，柱面坐标系下结构面倾角的计算公式为：其中，α表示结构面的倾角，A表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的振幅，M表示钻孔内壁图像的尺寸宽度；柱面坐标系下结构面倾向的计算公式为：其中，β表示结构面的倾向与钻孔内壁图像剖切方向的夹角，表示钻孔内壁图像中裂隙图形函数的初相位；通过坐标变换将钻孔内壁图像平面坐标系下的裂隙坐标集转换为柱面坐标系下的裂隙坐标集，图像平面坐标系转换为柱面坐标系的公式为：其中，θ、ρ、z分别表示柱面坐标系的三个坐标变量，u、v分别表示图像平面坐标系的两个坐标变量，M表示钻孔内壁图像的尺寸宽度，r表示实际钻孔半径，k表示实际长度和钻孔内壁图像中像素长度的比例；以岩体开挖暴露面拍摄范围的左上角端点作为原点，以水平向右作为x轴正方向，以竖直向下作为y轴正方向，以水平向岩体内部作为z轴正正方向，以米作为单位建立三维直角坐标系；通过坐标变换将柱面坐标系下的裂隙坐标集和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少锋，樊凯鑫，皮滋滋，周子龙，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：