一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法及系统，所述方法为：利用三维激光扫描仪初步生成隧道岩体三维点云模型，通过点云处理模型对隧道岩体三维点云模型的预处理去除噪声和分离岩体结构面，再利用机器视觉模型识别隧道岩体三维点云模型外部信息；再通过孔内探测模型对隧道岩体内部的岩体信息进行采集并结合到隧道岩体三维点云模型中，最后通过精细化处理模型精细化处理实现隧道岩体结构模型的精细化建立

【技术实现步骤摘要】
一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道工程领域，具体涉及一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法及系统
。

技术介绍

[0002]随着数字化技术的逐渐发展，隧道
、
桥梁等方面的三维可视化展示方面均受到影响，然而在工程当中，包括各类建筑物的设计和地质信息，大多数以二维的方式存在，其中不可避免地在数据采集过程中，产生数据不准确和不够精细化的问题，极易造成工程上的损失和资源的浪费
。
相比二维图像，三维展示可以直观地表达结构的空间状态，尤其在隧道这种复杂的环境中，通过三维地质模型可以全方位地展示岩体之间的位置关系，对后续爆破设计或开挖施工具有重要的指导意义
。
[0003]目前，有很多具体地方法可以获取到三维结构模型，但普遍缺少了精确性和说服性，通过借助科学技术手段对施工进行指导，是未来隧道工程中的大趋势
。
通常在隧道施工当中，不可控的因素较多，对隧道内岩体的内部信息了解不全面，因此要通过技术手段消除因岩体安全隐患的存在对工程带来的危害
。
近年来激光技术的飞速发展，其中，三维激光扫描技术逐渐应用于地下工程，但生成的模型数据过于单一，岩体外部模糊不清，表面裂隙不明显，岩体内部信息无从探知，对于复杂的岩体状况一步不能精确显示
。
现存的建立精细化模型的方法较少，存在偏差，容易对工程指导方面出现判断失误等问题，增加施工难度，极易造成安全隐患
。
[0004]综上，提出一种精细模型建立方法或系统或许对施工具有重要的价值
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法及系统，其目的在于解决现存的建立精细化模型的方法较少，且存在偏差，容易对工程指导方面出现判断失误的问题
。
[0006]为实现上述目的，具体技术方案如下：
[0007]本专利技术一方面提出一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法，步骤为：
[0008]步骤
(
一
)
通过三维激光扫描仪获取隧道掌子面点云图像，初步生成三维点云模型；
[0009]步骤
(
二
)
将步骤
(
一
)
获得的三维点云模型输入至点云处理模型，点云处理模型将三维点云模型的点坐标数据转换成大地坐标系统；利用邻域平均法去除三维点云模型中的噪声；再通过对点云模型进行降维处理后，使用
DBSCAN
算法快速分离隧道掌子面和峒壁的结构面；
[0010]步骤
(
三
)
将步骤
(
二
)
中隧道掌子面的结构面输入至机器视觉模型，机器视觉模型利用图卷积神经网络
GCN
识别三维点云模型中的隧道掌子面的结构面，通过
Revit
平台使识别结果显示在三维点云模型当中，得到实现隧道外部信息填充的三维隧道岩体结构模型；
[0011]步骤
(
四
)
通过孔内探测模型使用钻孔设备进行打孔，观测钻进过程与钻进参数的
规律，获取岩体内部的岩性信息得到岩石单轴抗压强度
σ
；并通过改进的反距离加权平均插值方法
IDW
将钻孔过程中未探测区域的坐标信息表达出来，将岩石单轴抗压强度
σ
和未探测区域的坐标信息输入
Revit
平台，得到利用颜色表示不同岩体强度信息的三维隧道岩体结构模型；
[0012]步骤
(
五
)
通过孔内探测模型的孔内成像技术得到孔内壁全景图像和孔内岩体坐标信息；
[0013]步骤
(
六
)
使用
PBR
技术来将步骤
(
五
)
中获得的孔内壁全景图像和岩体信息渲染到步骤
(
四
)
中得到的三维隧道岩体结构模型中，根据孔内壁全景图像体现岩体内部分层界面，再结合岩体信息反映了岩体内部分层界面的变化趋势，保持界面平顺，实现隧道内部信息的填充，并利用
Ostu
算法实现孔内裂隙信息的获取，实现隧道内部信息的填充，进一步精细三维隧道岩体结构模型；
[0014]步骤
(
七
)
将步骤
(
三
)
和步骤
(
六
)
处理后的三维隧道岩体结构模型输入到精细化处理模型，用改进的
Delaunay
三角剖分算法进行三维隧道岩体结构模型的精细化再构建，生成了包含隧道内岩体外部及内部信息的三维隧道岩体结构精细化模型
。
[0015]进一步的，步骤
(
二
)
中所述的
DBSCAN
算法步骤为：
[0016](1)
首先将三维点云模型划分正方体网格区域，每个正方体网格包含至少
50
个点云数据；
[0017](2)
在正方体网格区域内生成一个边长为正方体网格二分之一的小正方体，小正方体从正方体网格区域内的一个角开始，以固定距离沿着边移动遍历正方体网格区域，每次移动记录小正方体内的点云数据数量，直至遍历整个正方体网格区域；
[0018](3)
标记小正方体内点云数据数量最多的区域位置，将此小正方体放大但点的大小不变，直至放大到与正方体网格区域同样大小并替代正方体网格区域，作为新的正方体网格区域；将上述步骤重复两次到四次，将三维点云模型降维并尽可能保留特征；
[0019](4)
在三维点云模型中，选取隧道掌子面和峒壁间的随机散点，包括最近点和最远点，求出选取随机散点之间的距离
L
并求出平均值作为领域半径
eps
，具体公式如下：
[0020][0021][0022]式中：
L
为随机散点之间的距离；
x、y、z
，
x0、y0、z0为两随机散点的坐标；领域半径
eps
用
R
来表示；
L1…
L
n
为不同随机散点之间的距离；
n
为数量；
[0023](5)
通过随机选择多个步骤
(3)
中新的正方体网格区域内的点云数据，点云数据数量的平均数量作为最小点密度
minPts
；
[0024](6)
三维点云模型的类别设置为2类，一类为掌子面，另一类为峒壁；每个点云数据在邻域半径
eps
中包含的点云数据不能少于最小点密度
minPts
，否则划分为另一类，从而实现隧道掌子面和峒壁的结构面的分离
。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法，其特征在于：步骤为：步骤
(
一
)
通过三维激光扫描仪
(1)
获取隧道掌子面点云图像，初步生成三维点云模型；步骤
(
二
)
将步骤
(
一
)
获得的三维点云模型输入至点云处理模型
(2)
，点云处理模型
(2)
将三维点云模型的点坐标数据转换成大地坐标系统；利用邻域平均法去除三维点云模型中的噪声；再通过对点云模型进行降维处理后，使用
DBSCAN
算法快速分离隧道掌子面和峒壁的结构面；步骤
(
三
)
将步骤
(
二
)
中隧道掌子面的结构面输入至机器视觉模型
(3)
，机器视觉模型
(3)
利用图卷积神经网络
GCN
识别三维点云模型中的隧道掌子面的结构面，通过
Revit
平台使识别结果显示在三维点云模型当中，得到实现隧道外部信息填充的三维隧道岩体结构模型；步骤
(
四
)
通过孔内探测模型
(4)
使用钻孔设备进行打孔，观测钻进过程与钻进参数的规律，获取岩体内部的岩性信息得到岩石单轴抗压强度
σ
；并通过改进的反距离加权平均插值方法
IDW
将钻孔过程中未探测区域的坐标信息表达出来，将岩石单轴抗压强度
σ
和未探测区域的坐标信息输入
Revit
平台，得到利用颜色表示不同岩体强度信息的三维隧道岩体结构模型；步骤
(
五
)
通过孔内探测模型
(4)
的孔内成像技术得到孔内壁全景图像和孔内岩体坐标信息；步骤
(
六
)
使用
PBR
技术来将步骤
(
五
)
中获得的孔内壁全景图像和岩体信息渲染到步骤
(
四
)
中得到的三维隧道岩体结构模型中，根据孔内壁全景图像体现岩体内部分层界面，再结合岩体信息反映了岩体内部分层界面的变化趋势，保持界面平顺，并利用
Ostu
算法实现孔内裂隙信息的获取，实现隧道内部信息的填充，进一步精细三维隧道岩体结构模型；步骤
(
七
)
将步骤
(
三
)
和步骤
(
六
)
处理后的三维隧道岩体结构模型输入到精细化处理模型
(5)
，用改进的
Delaunay
三角剖分算法进行三维隧道岩体结构模型的精细化再构建，生成了包含隧道内岩体外部及内部信息的三维隧道岩体结构精细化模型
。2.
根据权利要求1所述的一种三维隧道岩体结构精细模型建立方法，其特征在于：步骤
(
二
)
中所述的
DBSCAN
算法步骤为：
(1)
首先将三维点云模型划分正方体网格区域，每个正方体网格包含至少
50
个点云数据；
(2)
在正方体网格区域内生成一个边长为正方体网格二分之一的小正方体，小正方体从正方体网格区域内的一个角开始，以固定距离沿着边移动遍历正方体网格区域，每次移动记录小正方体内的点云数据数量，直至遍历整个正方体网格区域；
(3)
标记小正方体内点云数据数量最多的区域位置，将此小正方体放大但点的大小不变，直至放大到与正方体网格区域同样大小并替代正方体网格区域，作为新的正方体网格区域；将上述步骤重复两次到四次，将三维点云模型降维并尽可能保留特征；
(4)
在三维点云模型中，选取隧道掌子面和峒壁间的随机散点，包括最近点和最远点，求出选取随机散点之间的距离
L
并求出平均值作为领域半径
eps
，具体公式如下：
式中：
L
为随机散点之间的距离；
x、y、z
，
x0、y0、z0为两随机散点的坐标；领域半径
eps
用
R
来表示；
L1…
L
n
为不同随机散点之间的距离；

【专利技术属性】
技术研发人员：王军祥，邸鑫，郭连军，宁宝宽，牟天蔚，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：