[发明专利]一种基于点云数据的岩体结构面识别与产状分类方法

说明书

本发明是一种基于点云数据的岩体结构面识别与产状分类方法。首先采用激光扫描与摄影测量技术，获取描述岩体地质几何特征的点云数据；其次开展点云数据预处理(去噪、修补、抽稀与大地坐标匹配)；然后将点云数据转换为TIN数据，对TIN数据中所有格网单元平面法向量的方向、角度、高程标准差指标进行ISODATA聚类分析，在采用移动窗口法过滤掉较小聚类后获得潜在岩体结构面(层面、节理、断层)；最后对潜在岩体结构面检验高程变异标准差(在+1与‑1之间)判别平面特征来识别岩体结构面。步骤包括：数据采集，数据预处理、数据转换、指标计算、聚类分析、聚类过滤，结构面判定、数据后处理。本发明大幅提高基于点云数据提取岩体地质信息的自动化效率。

技术领域

本发明涉及一种激光点云技术的岩体结构面数字提取与产状分类、测量方法，属于工程地质勘察技术领域。

背景技术

岩体结构面产状测量方法归纳起来主要有四类：

①、测线法、窗口统计法即通过皮尺和罗盘人工现场逐一测量结构面产状信息。该方法在面对实际工程中岩体结构面分布广、数量多、随机性强的特点，低效、费力、耗时使之难以满足工程需求，而且遇到人迹罕至陡崖险坡受现场条件的影响，测量方法便难以实施，从而导致测量数据的全面性与代表性也受到限制。

②、钻孔定向取芯法(Rosengren,1968)、孔内照相法(EoekPentz,1968)、数字全景钻孔摄像法(王川婴,2001)即通过钻孔取芯后对岩芯中所含结构面产状的量测或通过孔内摄像对孔壁内侧结构面纹理进行数字图像量测来获取钻孔深度范围内相交的结构面产状信息。该方法可以获得深部岩体结构面产状信息，但是孔径范围测量尺寸使得该方法对于长大结构面的测量精度较低，同时钻孔破岩与孔位垂直度也会影响到测量精度。

③、摄影测量法(Ross-BrownAt-kinson,1972；Hagan,1978)即基于数字图像与摄影测量的基本原理，应用计算机三维成像技术、影像匹配、图像插值、模式识别等多学科理论与方法相融合，可以获取地物表面的相对坐标空间几何信息，通过计算这些几何信息可以得到暴露地表岩体结构面产状信息。该方法采用非接触的测量手段，可以不受现场地形条件的制约，但是该方法精度受摄影图像质量与双目摄像间距控制，同时仍然需要一定的人工干预，单条岩体结构面的工作效率比精测线法有所提高，而面对实际工程中众多结构面大量人工干预仍然是无法接受的。

④、地面三维激光扫描法(Terrestrial Laser Scanning，简称TLS)，即通过对地物目标的逐点激光扫描测距可快速获得描述地物表面相对几何坐标信息的高精度点云数据(激光数据)，通过一定人工干预与数据截取可以计算出那些暴露在岩壁表面上的岩体结构面产状。该方法取消了摄影测量法中相对繁琐的摄影测量算法，提高了测量速度与精度，但是仍然需要人工干预在海量点云数据中手动截取描述暴露岩体结构面产状的点云数据，而且该方法对于未暴露岩体结构面或以迹线形式显现的岩体结构面产状是无法测量。

综上所述，面对实际工程中岩体结构面数量多、分布广和随机性强等特点，目前技术瓶颈在于如何兼顾非接触式(取消场地制约)、全自动(取消人工干预)、测量速度快(算法简洁)、普适性(适合多种赋存环境岩体结构面)。

发明内容

技术问题：本发明目的在于提供一种基于点云数据的岩体结构面识别与产状分类方法，借助地面三维激光扫描技术的快速精准空间测量手段，针对岩体结构面的几何特征，规避点云数据的噪声与冗余，实现岩体地质调查区域内所有岩体结构面一次性自动化的提取、分类与测量。

技术方案：本发明的一种基于点云数据的岩体结构面识别与产状分类方法为：在采用三维激光扫描与摄影测量技术获取描述岩体地质几何特征点云数据的基础上，采用对点云数据转换为TIN数据中所有格网单元平面法向量的方向、角度、高程标准差指标进行ISODATA聚类分析，在采用移动窗口法过滤掉较小聚类后获得潜在岩体结构面；而后对潜在岩体结构面检验高程变异标准差，在+1与-1之间判别平面特征来识别岩体结构面。