一種測量巖體結構面剪切破壞面積的方法和系統與流程

2023-05-03 23:42:31 1

本發明涉及巖體力學試驗領域，並且更具體地，涉及一種基於3d對齊技術測量巖體結構面剪切破壞面積的方法和系統。

背景技術：

巖體結構面抗剪強度參數的確定是十分常規的巖體力學試驗，它是巖體最重要的力學參數之一，常見的抗剪強度參數測量有四種方法：模擬試驗、參數反演、經驗估算方法和直剪試驗。我們採用原理簡單、成本低、試驗周期短的直剪試驗獲取剪切結構面。

剪切面積的測量對確定巖體結構面抗剪強度參數至關重要。目前已知的結構面剪切面積測量方法有以下兩種：剪切面網格化方法和圖像處理方法。現有剪切面網格化方法是將剪切面輪廓根據肉眼判斷刻錄在透明紙上，然後再將刻錄好的透明紙印在最小方格為1×1mm的網格紙上，採用大於最小網格一半部分記為1個網格數，小於最小網格數一半忽略不計的方式，統計剪切輪廓部分的網格數即為剪切面積(單位為mm2)。而圖像處理方法是基於剪切前後剪切部分顏色變為淺色的特徵，對結構面進行垂直拍照，將圖片轉為灰階圖，並根據一定灰度閥值將剪切部分轉化為黑白圖用刻度尺量取白色部分的面積即剪切面積。綜合來看，剪切面網格化方法通過網格紙刻錄數網格的方法求取剪切面積受人為控制，誤差較大、工效很低，而且只適用於小尺寸的結構面，對於大尺寸、大批量的結構面而言，所需的人力和時間成本更大；而圖像處理方法則在對巖體的顏色的處理上存在一定局限性，對於淺色巖石如花崗巖，由於巖石本身就是淺色，這種憑剪切前後剪切部分顏色變為淺色的方法不適用，而且對於深色巖體而言，該方法本身就是間接測量，會引入了新的誤差，沒有從結構面剪切的本質上解決問題。綜上所述，以上兩種方法都存在一定的缺陷。

技術實現要素：

為了解決背景技術存在的上述問題，更加準確地測量巖體結構面剪破壞面積，本發明提供一種測量巖體結構面剪切破壞面積的方法和系統。其中，測量巖體結構面剪切破壞面積的方法包括：

步驟1、採用三維雷射掃描設備獲取直剪試驗前後的巖體結構面點雲數據；

步驟2、對獲得的點雲數據進行預處理，並對預處理後的點雲數據加以封裝；

步驟3、以直剪試驗前的巖體的結構面作為固定面，以直剪試驗後的巖體的結構面作為浮動面，基於封裝後的點雲數據建立3d模型，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行對齊；

步驟4、在步驟3中固定面和浮動面的特徵相同的點對齊的基礎上進行3d比較，得到固定面和浮動面中相應點的高度偏差，其中，高度偏差大於0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等於0mm的部分是沒有被剪切部分；

步驟5、根據步驟4中生成的固定面和浮動面中相應點的高度偏差，得到高度偏差大於0mm的點雲數及其佔點雲總數的百分比w；以及

步驟6、根據步驟5獲得的百分比w和讀取的固定面面積s計算巖體結構面剪切破壞面積s』，計算公式如下：

s』＝s×w。

進一步地，所述方法還可以輸出固定面和浮動面的特徵相同的點進行3d比較生成的表現固定面和浮動面中相應點的高度偏差的表格數據和3d顏色偏差圖。

進一步地，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行點對齊時，點對齊精度要求小於1mm。

進一步地，所述固定面面積s為剪切平面表面面積，其中，所述固定面面積s計算的方法包括：

根據點雲數據，在geomagic軟體中選取結構面範圍，直接讀取結構面面積；或者

對於加工成矩形的結構面，測量長和寬，兩者相乘得到面積。

進一步地，所述方法中對獲取的點雲數據進行的預處理包括去噪。

進一步地，採用點對齊形式選取的固定面和浮動面特徵相同的點的數量大於等於3個。

根據本發明的另一方面，本發明提供一種測量巖體結構面剪切破壞面積的系統，所述系統包括：

點雲數據採集單元，其採用三維雷射掃描設備獲取對巖體結構面進行直剪試驗前後的點雲數據；

點雲數據採集單元，其採用三維雷射掃描設備獲取對巖體結構面進行直剪試驗前後的點雲數據；

點雲數據預處理單元，其對獲得的點雲數據進行預處理，並對預處理後的點雲數據加以封裝；

巖體結構面3d對齊單元，其以直剪實驗前巖體的結構面作為固定面，以直剪實驗後巖體的結構面作為浮動面，基於封裝後的點雲數據建立3d模型，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的結構面特徵相同的點進行對齊；

3d比較單元，其在巖體結構面3d對齊單元中固定面和浮動面的特徵相同的點對齊的基礎上進行3d比較，得到固定面和浮動面中相應點的高度偏差，其中，高度偏差大於0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等於0mm的部分是沒有被剪切部分；

剪切破壞面積確定單元，其根據3d比較單元中得到的固定面和浮動面相應的點的高度偏差，得到高度偏差大於0的點佔總數的百分比w，所述百分比w即為巖體結構面剪切破壞面積佔結構面實際面積的百分比，並結合讀取的固定面面積s計算巖體結構面剪切破壞面積s』，計算公式如下：

s』＝s×w。

進一步地，所述系統還包括3d比較報告創建單元，其用於輸出固定面和浮動面的特徵相同的點進行3d比較生成的表現固定面和浮動面中相應點的高度偏差的表格數據和3d顏色偏差圖。

進一步地，3d比較單元中採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行點對齊時，點對齊精度要求小於1mm。

進一步地，所述剪切破壞面積確定單元中的固定面面積s為剪切平面表面面積，其中，所述固定面面積s計算的方法包括：

根據點雲數據，在geomagic軟體中選取結構面範圍，直接讀取結構面面積；或者

對於加工成矩形的結構面，測量長和寬，兩者相乘得到面積。

進一步地，巖體結構面3d對齊單元採用點對齊形式選取的固定面和浮動面特徵相同的點的數量大於等於3個。

綜上所述，本發明提出的測量巖體結構面剪切破壞面積的方法和系統採用逆向工程方法，基於3d對齊技術用三維雷射掃描獲得結構面剪切破壞前後點雲數據並對比，在相關軟體環境中進行剪切前後3d點雲數據對齊，進一步分析結構面剪切破壞面高度的差異，表現為擬合的相對高度偏差，根據高度偏差判斷結構面哪些部位被剪切，得到高度偏差大於0的點佔總數的百分比w，並給出了計算直剪實驗巖體結構面剪切破壞面積s』的計算方法，即巖體結構面剪切破壞面積為百分比w與直剪前巖體結構面面積s的乘積，其相對於現有技術具有如下優勢：

技術更為先進：現有剪切面網格化方法是將剪切面輪廓刻錄在網格紙上、而圖像處理方法是基於剪切前後剪切部分顏色的變化特點，兩種方法的手段較為傳統，實際測量誤差難以避免。本發明基於採集結構面點雲數據和對齊技術，精度可以達到毫米級甚至絲米級(0.1mm級)，相比而言，求取的剪切面積更加精確；

適用範圍更廣：相比已有方法，本發明引入的巖體結構面點雲數據3d對齊，測定剪切破壞面積，自動化程度較高，能適應野外和室內各種工作環境，在水利水電、地質勘測、道橋建設、採礦業等行業均可應用，在工程實踐和科研教學中也皆可應用；

效率更高：對於大批量、大尺寸的巖性較多的巖體剪切破壞面積測量，已有的方法難以快速實現。本發明中三維雷射掃描技術採集結構面點雲數據效率非常高，對於一組結構面點雲數據的處理、對齊、結構面剪切破壞面積測定等工作可以在5-10分鐘內完成。節省了大量勞動成本，降低了勞動強度，操作過程更簡單、試驗周期更短，周期可縮短70％以上；

結果更為可靠：相比已有方法的人為幹預過程較多、且引入新誤差等問題，本發明操作過程自動化程度較高，大大降低了人為因素影響，結果經得住考驗，精度更高，技術更為穩定。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：

圖1是本發明具體實施方式的測量巖體結構面剪切破壞面積的方法的流程圖；

圖2是本發明具體實施方式的巖體結構面進行3d比較的高度偏差分布圖；以及

圖3是本發明具體實施方式的測量巖體結構面剪切破壞面積的系統的結構圖。

具體實施方式

現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，並且不局限於此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，並且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的範圍。對於表示在附圖中的示例性實施方式中的術語並不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過於正式的意義。

圖1是本發明具體實施方式的測量巖體結構面剪切破壞面積的方法的流程圖。如圖1所示測量巖體結構面剪切破壞面積的方法100從步驟101開始。

在步驟101，採用三維雷射掃描設備獲取直剪試驗前後的巖體結構面點雲數據。

在步驟102，對步驟101獲得的點雲數據進行預處理，並對預處理後的點雲數據加以封裝。

在步驟103，以直剪試驗前的巖體的結構面作為固定面，以直剪試驗後的巖體的結構面作為浮動面，基於封裝後的點雲數據建立3d模型，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行對齊。

在步驟104，在步驟103中固定面和浮動面的特徵相同的點對齊的基礎上進行3d比較，得到固定面和浮動面中相應點的高度偏差，其中，高度偏差大於0mm的部分是被剪切部分，高度偏差等於0mm的部分是沒有被剪切部分。

在步驟105，根據步驟104中生成的固定面和浮動面中相應點的高度偏差，得到高度偏差大於0mm的點雲數及其佔點雲總數的百分比w；以及

圖2是本發明具體實施方式的巖體結構面進行3d比較的高度偏差分布圖。如圖2所示，高度偏差大於0的點雲數佔點雲總數的百分比隨著偏差數值的不同而發生變化。

在步驟106，根據步驟105獲得的百分比w和讀取的固定面面積s計算巖體結構面剪切破壞面積s』，計算公式如下：

s』＝s×w。

優選地，所述方法還可以輸出固定面和浮動面的特徵相同的點進行3d比較生成的表現固定面和浮動面中相應點的高度偏差的表格數據和3d顏色偏差圖。

優選地，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行點對齊時，點對齊的精度要求小於1mm。在本實施例中，由於選取的三維雷射掃描技術的點雲解析度為1mm，因此點對齊的精度要求小於1mm。但在實際操作中，有三維雷射掃描技術的點雲解析度能夠達到絲米級，即精度為0.1mm，因此，當三維雷射掃描設備的點雲解析度為0.1mm時，直剪試驗前後結構面特徵相同的點對齊的精度也可以達到0.1mm。

優選地，所述固定面面積s為剪切平面表面面積，其中，所述固定面面積s計算的方法包括：

根據點雲數據，在geomagic軟體中選取結構面範圍，直接讀取結構面面積；或者

對於加工成矩形的結構面，測量長和寬，兩者相乘得到面積。

優選地，所述方法中對獲取的點雲數據進行的預處理包括去噪。

優選地，採用點對齊形式選取的固定面和浮動面特徵相同的點的數量大於等於3個。

圖3是本發明具體實施方式的基於3d對齊技術測量巖體結構面剪切破壞面積的系統的結構圖。如圖3所示，本發明提供的測量巖體結構面剪切破壞面積的系統300包括點雲數據採集單元301、點雲數據預處理單元302、巖體結構面3d對齊單元303、3d比較單元304、剪切破壞面積確定單元305和3d比較報告創建單元306。

點雲數據採集單元301，其採用三維雷射掃描設備獲取對巖體結構面進行直剪試驗前後的點雲數據；

點雲數據預處理單元302，其對獲得的點雲數據進行預處理，並對預處理後的點雲數據加以封裝；

巖體結構面3d對齊單元303，其以直剪實驗前巖體的結構面作為固定面，以直剪實驗後巖體的結構面作為浮動面，基於封裝後的點雲數據建立3d模型，採用點對齊形式選取固定面和浮動面的結構面特徵相同的點進行對齊；

3d比較單元304，其在巖體結構面3d對齊單元303中固定面和浮動面的特徵相同的點對齊的基礎上進行3d比較，得到固定面和浮動面中相應點的高度偏差，其中，高度偏差大於0mm的部分是被剪切部分，高度偏差小於0mm的部分是沒有被剪切部分；

剪切破壞面積確定單元305，其根據3d比較單元304中得到的固定面和浮動面相應的點的高度偏差，得到高度偏差大於0的點佔總數的百分比w，所述百分比w即為巖體結構面剪切破壞面積佔結構面實際面積的百分比，並結合讀取的固定面面積s計算巖體結構面剪切破壞面積s』，計算公式如下：

s』＝s×w。

優選地，所述系統還包括3d比較報告創建單元306，其用於輸出固定面和浮動面的特徵相同的點進行3d比較生成的表現固定面和浮動面中相應點的高度偏差的表格數據和3d顏色偏差圖。

優選地，3d比較單元304中採用點對齊形式選取固定面和浮動面的特徵相同的點進行點對齊時，點對齊的精度要求小於1mm。在實際操作中，當三維雷射掃描設備的點雲解析度為0.1mm時，直剪試驗前後結構面特徵相同的點對齊的精度也可以達到0.1mm。

優選地，所述剪切破壞面積確定單元305中的固定面面積s為剪切平面表面面積，其中，所述固定面面積s計算的方法包括：

根據點雲數據，在geomagic軟體中選取結構面範圍，直接讀取結構面面積；或者

對於加工成矩形的結構面，測量長和寬，兩者相乘得到面積。

優選地，巖體結構面3d對齊單元303採用點對齊形式選取的固定面和浮動面特徵相同的點的數量大於等於3個。

本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本申請可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本申請可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。

本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考「一個/所述/該【裝置、組件等】」都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這裡公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。