一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法與流程

2023-11-03 00:09:27 2

本發明屬於巖土工程與空間解析幾何領域，更具體涉及一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，突破了以往單純依靠人工經驗識別的技術難題，提高了相鄰鑽孔間結構面連通性分析的工作效率，推動了孔壁圖像中結構面分析技術的發展，適應於相鄰鑽孔間結構面的數位化描述與連通性分析。

背景技術：
巖體是由巖塊及分割巖塊的結構面(又稱不連續面)組成的地質體，結構面在空間的分布狀態及組合形式構成了巖體的結構，是決定巖體工程地質特徵和力學性質的關鍵因素。巖體內部發育的結構面，只有少部分能夠在巖體天然露頭面或人工開挖面等部位出露，能夠被直接觀測到的數量有限，更多數量的結構面分布於巖體內部難以直接觀測。鑽孔攝像技術的出現，為巖體內部結構面的探測提供了新的方法，它能夠通過鑽孔深入巖體內部，識別並計算結構面的幾何參數，為結構面統計規律的研究提供更多數量、更為準確的基礎數據。然而，利用鑽孔攝像獲得的結構面數據與常規的地表露頭獲得的數據存在較大的差別，目前常用的結構面統計手段和分析方法在對鑽孔內的結構面數據進行處理時存在較多的限制，其中，關於結構面延展範圍的問題尤為突出。同一條結構面可能會切割兩個及以上的相鄰鑽孔，在被切割的孔壁圖像中以結構面跡線的形式顯示，稱為結構面的連通性。進行結構面連通性的分析有助於估算結構面的延展範圍，是孔壁圖像結構面數據分析的重要手段。目前，進行結構面的連通性分析主要依靠產狀、位置深度以及巖體特徵的相關性比對等手段進行，步驟繁瑣，缺少嚴謹的推導過程，不利於分析方法的程序化。因此，開展新的結構面連通性分析方法具有重要的實際意義，另外，尋找針對孔壁圖像中結構面的描述方法來輔助連通性分析，也是解決這個問題的關鍵。於是，本發明提出了一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，旨在解決相鄰鑽孔間兩兩結構面是否具備連通性的問題。基於孔壁圖像中結構面的產狀、位置深度信息，結合鑽孔的位置分布，提出了結構面特徵點的描述方法，每個特徵點的坐標是傾向、傾角和位置深度的綜合反映，分別推導了局部坐標系和全局坐標系下特徵點坐標的計算和轉換公式。根據結構面與特徵點坐標的一一對應關係，採用計算兩兩特徵點之間距離的方法，初步判斷兩兩結構面是否具備連通性，對篩選出可能具備連通性的結構面進行特徵匹配再驗證，最終實現相鄰鑽孔結構面的連通性分析。

技術實現要素：
本發明目的在於提供一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法。該方法簡單易行，利用特徵點坐標綜合反映結構面的多個幾何參數，無需對每個參數進行逐一匹配驗證，極大提高了連通性分析的工作效率和準確性。為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案：一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，包括以下步驟：步驟1、根據第一鑽孔的鑽孔孔壁的平面展開圖獲得第一結構面傾向值α1、第一結構面傾角值β1、第一結構面位置深度d1；根據第二鑽孔的鑽孔孔壁的平面展開圖獲得第二結構面傾向值α2、第二結構面傾角值β2、第二結構面位置深度d2；步驟2、設定第一局部坐標系，第一局部坐標系的原點為第一鑽孔孔口中心點，X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向垂直向上；設定第二局部坐標系，第二局部坐標系的原點為第二鑽孔孔口中心點，X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向垂直向上，通過第一結構面傾向值α1、第一結構面傾角值β1、第一結構面位置深度d1獲得獲得第一局部坐標系下的第一結構面特徵點F1L(X1L,Y1L,Z1L)；通過第二結構面傾向值α2、第二結構面傾角值β2、第二結構面位置深度d2獲得獲得第二局部坐標系下的第二結構面特徵點F2L(X2L,Y2L,Z2L)；步驟3、選取一點作為全局坐標系原點，全局坐標系原點的X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向垂直向上，根據第一結構面特徵點F1L(X1L,Y1L,Z1L)獲得第一結構面所在平面在全局坐標系下的方程，進而獲得第一結構面在全局坐標系下對應的特徵點F1(X1,Y1,Z1)；根據第二結構面特徵點F2L(X2L,Y2L,Z2L)獲得第二結構面所在平面在全局坐標系下的方程，進而獲得第二結構面在全局坐標系下對應的特徵點F2(X2,Y2,Z2)；步驟4、設定特徵點F1(X1,Y1,Z1)與特徵點F2(X2,Y2,Z2)之間的距離為|F1F2|，若|F1F2|小於判別標準ε，則第一結構面與第二結構面初步分析具備連通性；若|F1F2|大於等於判別標準ε，則第一結構面與第二結構面不具備連通性。一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，還包括以下步驟：在第一結構面與第二結構面初步分析具備連通性的條件下，若第一結構面和第二結構面的類型一致、第一結構面和第二結構面的周圍巖體巖性一致、第一結構面和第二結構面的裂隙寬度的差值在設定範圍內、第一結構面和第二結構面的充填特徵一致，填充特性包括是否充填和充填物質；則第一結構面與第二結構面具備連通性。如上所述的第一鑽孔的鑽孔孔壁的平面展開圖的正上方設置有方位信息，側部設置有深度標尺；所述的第二鑽孔的鑽孔孔壁的平面展開圖的正上方設置有方位信息，側部設置有深度標尺。如上所述的第一結構面傾向值α1為第一結構面的正弦曲線波谷所對應的垂直方位值；第一結構面傾角值β1為第一結構面的正弦曲線波峰到波谷的垂直距離與第一鑽孔直徑的比值的反正弦值；第一結構面位置深度d1為第一結構面的正弦曲線波峰與波谷垂直方向的中間位置距離第一鑽孔的孔口所在地平面的垂直距離；所述的第二結構面傾向值α2為第二結構面的正弦曲線波谷所對應的垂直方位值；第二結構面傾角值β2為第二結構面的正弦曲線波峰到波谷的垂直距離與第二鑽孔直徑的比值的反正弦值；第二結構面位置深度d2為第二結構面的正弦曲線波峰與波谷垂直方向的中間位置距離第二鑽孔的孔口所在地平面的垂直距離。如上所述的第一局部坐標系下的第一結構面特徵點F1L(X1L,Y1L,Z1L)基於以下公式獲得：X1L＝d1cosβ1sinβ1cosα1Y1L＝d1cosβ1sinβ1sinα1Z1L＝d1cosβ1cosβ1所述的第二局部坐標系下的第二結構面特徵點F2L(X2L,Y2L,Z2L)基於以下公式獲得：X2L＝d2cosβ2sinβ2cosα2Y2L＝d2cosβ2sinβ2sinα2Z2L＝d2cosβ2cosβ2如上所述的第一結構面在全局坐標系下對應的特徵點F1(X1,Y1,Z1)基於以下公式獲得：其中，XO1L,YO1L,ZO1L為第一局部坐標系的原點在全局坐標系中的坐標；所述的第二結構面在全局坐標系下對應的特徵點F2(X2,Y2,Z2)基於以下公式獲得：其中，XO2L,YO2L,ZO2L為第二局部坐標系的原點在全局坐標系中的坐標。本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：1、本發明提供了一種全新的結構面特徵點描述方法。將傳統的結構面描述參數(傾向、傾角、位置深度)轉化為結構面在空間坐標系下的特徵點坐標，通過點的坐標來對結構面進行描述，每個特徵點對應唯一的結構面，若兩個特徵點重合或極為接近，則對應的兩兩結構面具備連通性，為相鄰鑽孔結構面連通性的判斷提供了依據和方法。2、本發明中利用局部坐標系和全局坐標系下的單獨計算以及歸一化處理，有效地將結構面的傳統參數(傾向、傾角、位置深度)直接與全局坐標系下的特徵點坐標建立聯繫，極大地減少了計算量，提高了運算速度。3、本發明提出利用兩兩特徵點的距離為判別條件判斷連通性，兼顧了結構面傾向、傾角的匹配以及位置深度的相關性，提出了利用設定的極小值而非零值為判斷標準，避免了錯誤判斷。4、本發明提出利用結構面周圍巖體特徵和結構面曲線特徵進行再匹配，進一步判斷兩兩結構面的相關性，提高了判斷結果的準確性。5、本發明所述方法自動化程度高，便於實現全自動化處理，無需人員幹預，便於進行編程化處理，簡化了操作過程，極大地提高了工作效率。6、本發明所述方法運行速度快，工作效率高。比如：在兩個相鄰100米深的鑽孔中，該方法只需要進行1個小時左右的數據處理時間就可以完成所有結構面的連通性分析，而通常的人工判讀方式則需要幾天的時間進行判斷。相關概念定義與注釋：(1)本發明中所述結構面是地質學上的概念。結構面參數(傾向、傾角、位置深度)與局部坐標系下的結構面特徵點坐標存在對應關係，詳見公式(4)、(5)；(2)結構面特徵點定義為過坐標系原點(即O點)的結構面法向量(即平面法線)與結構面所在平面的交點，結構面特徵點與結構面具有一一對應的關係，反映了結構面的空間形態和空間位置；(3)本發明內容中涉及同一條結構面在局部坐標系下的特徵點和全局坐標系下的特徵點，兩個坐標系下的特徵點坐標可以通過轉換公式相互轉換，詳見公式(8)、(9)。另外，本發明中所述的孔壁圖像等同於全景孔壁圖像的展開圖，本發明所述方法也是針對該類型的孔壁圖像而言的。附圖說明圖1為一種結構面在孔壁圖像中的參數信息提取示意圖。其中：結構面在孔壁圖像中以正弦曲線的形式存在，圖像最上部描述了方位信息，曲線波谷所對應的方位信息即為結構面的傾向；曲線波峰與波谷之間的垂直距離與鑽孔直徑的比值即為傾角的正切值。圖2為一種局部坐標系和全局坐標系下結構面特徵點的示意圖。其中：F1和F2分別代表兩個相鄰鑽孔內的結構面，F1L為第一局部坐標系下第一結構面F1的特徵點，F2L為第二局部坐標系下第二結構面F2的特徵點；F1為全局坐標系下第一結構面F1的特徵點，F2為全局坐標系下第二結構面F2的特徵點。F1和F2兩點之間的距離為|F1F2|。圖3為一種相鄰鑽孔中通過初步分析具備連通性的兩條結構面。其中：左側孔壁圖像中的結構面和右側孔壁圖像中的結構面在全局坐標系下的特徵點滿足連通性的判斷標準。圖4為本發明方法的流程圖。具體實施方式一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，在已經獲取到孔壁圖像的前提下，具體步驟如圖4所示，並結合實測孔壁圖像進行詳細說明。一種基於孔壁圖像的相鄰鑽孔結構面連通性分析方法，其步驟是：(1)獲取結構面參數信息在孔壁圖像中，結構面以標準正弦曲線的形式出現，如圖1所示。孔壁圖像為鑽孔孔壁的平面展開圖，孔壁圖像正上方描述了孔壁原始的方位信息，孔壁圖像左側帶有深度標尺，描述了孔壁的深度信息。所以，根據地質學上關於結構面傾向的定義，結構面在平面展開圖中的正弦曲線波谷所對應的垂直方位即為結構面的傾向值。假設正弦曲線波谷所對應的垂直方位值為N，則該結構面的傾向值α為：α＝N(1)根據地質學中關於結構面傾角的定義，結構面傾角應為結構面所在平面與水平面的夾角，由於孔壁圖像中帶有孔壁的深度信息，該定義可簡化為：結構面傾角的正切值為結構面所在正弦曲線波峰到波谷的垂直距離與鑽孔直徑的比值。假設正弦曲線波峰到波谷的垂直距離為h，鑽孔直徑為D，則該結構面的傾角值β為：由於孔壁圖像中帶有孔壁的深度信息，結構面的位置深度定義為孔壁圖像中的正弦曲線波峰與波谷垂直方向的中間位置距離孔口所在平面的垂直距離，即該位置對應的孔壁深度信息。假設結構面曲線波峰與波谷垂直方向的中間位置距離孔口所在地平面的垂直距離為Rz，則該結構面的位置深度d為：d＝Rz(3)為描述方便，假設兩個相鄰鑽孔分別為第一鑽孔和第二鑽孔，第一鑽孔中第一結構面F1的傾向為α1，第一結構面F1的傾角為β1，第一結構面F1的位置深度為d1，第二鑽孔中第二結構面F2的傾向為α2，第二結構面F2的傾角為β2，第二結構面F2的位置深度為d2。(2)局部坐標系下結構面特徵點的坐標計算局部坐標系的建立：局部坐標系原點為鑽孔孔口中心點，X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向垂直向上，如圖2所示。局部坐標系下的結構面特徵點定義：過局部坐標系原點向結構面所在平面作垂線，垂線與結構面所在平面的交點(也稱垂足)即為特徵點。第一結構面F1在第一局部坐標系下的特徵點為F1L，第二結構面F2在第二局部坐標系下的特徵點為F2L。局部坐標系下結構面特徵點坐標與結構面幾何參數的轉換關係：以特徵點F1L的計算為例，設特徵點F1L的坐標為(X1L,Y1L,Z1L)，則由該點描述的第一結構面F1所在平面的方程為：X1L(x-X1L)+Y1L(y-Y1L)+Z1L(z-Z1L)＝0第一結構面F1幾何參數與特徵點F1L坐標之間的存在以下關係：轉換為特徵點F1L的坐標為：X1L＝d1cosβ1sinβ1cosα1Y1L＝d1cosβ1sinβ1sinα1(4)Z1L＝d1cosβ1cosβ1同理可得，第二結構面F2特徵點的坐標與幾何參數之間的關係為：X2L＝d2cosβ2sinβ2cosα2Y2L＝d2cosβ2sinβ2sinα2(5)Z2L＝d2cosβ2cosβ2(3)全局坐標系下結構面特徵點的坐標歸一化處理獲得結構面在各自局部坐標系下的特徵點坐標之後，就需要對這些信息在全局坐標系下進行歸一化處理。確定全局坐標系：選擇鑽孔附近具有代表性的一點為全局坐標系原點，X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向垂直向上。如圖2所示。根據鑽孔的孔位的布置以及全局坐標系原點的位置，確定第一局部坐標系原點和第二局部坐標系原點在全局坐標系下的坐標O1(XO1L,YO1L,ZO1L)，O2(XO2L,YO2L,ZO2L)。以第一結構面F1為例進行特徵點坐標歸一化處理，過程如下：第一局部坐標系下第一結構面F1的特徵點坐標為(X1L,Y1L,Z1L)，變換到全局坐標系下的坐標為(X1L』,Y1L』,Z1L』)，根據坐標變換法則，二者關係如下：X1L'＝X1L+XO1LY1L'＝Y1L+YO1LZ1L'＝Z1L+ZO1L全局坐標系下第一結構面F1所在平面的方程為：(XO1L-X1L')(x-X1L')+(YO1L-Y1L')(y-Y1L')+(ZO1L-Z1L')(z-Z1L')＝0(6)第一結構面F1所在平面的法向量是不變的，為：因此，過全局坐標系原點的結構面法線上的任一點P(x,y,z)的坐標為:其中，t為任意值。將式(7)帶入公式(6)中，可以求得t值為：於是，便可得到過全局坐標系原點的法線與第一結構面F1所在平面的交點，即第一結構面F1在全局坐標系下的特徵點坐標，第一結構面F1在全局坐標系下所對應的特徵點為F1(X1,Y1,Z1)，計算公式如下：同理可得，第二結構面F2在全局坐標系下所對應的特徵點坐標F2(X2,Y2,Z2)：(4)計算兩兩特徵點之間的距離，初步分析結構面的連通性根據上面關於特徵點的定義可知，在全局坐標系下，每條結構面對應唯一的特徵點，若兩個相鄰鑽孔內兩條結構面對應的特徵點重合，則表明該兩條結構面位於同一個平面上，即兩條結構面具備連通性。所以，判斷相鄰鑽孔內兩兩結構面是否具備連通性的條件為：兩條結構面所對應的特徵點重合，及兩點之間的距離為零。而在實際計算過程中，由於測量誤差的存在，幾乎很難遇見完全重合的兩個特徵點，所以需要設定一個判別標準，即兩兩結構面特徵點之間的距離小於該判別標準ε。|F1F2|＜ε(10)ε的取值範圍需要根據測量結果的精度來定，通常情況下兩兩結構面特徵點距離的單位為m，ε的取值範圍為：0.01m≤ε≤1m(11)因此，若相鄰鑽孔中的兩條結構面特徵點之間的距離|F1F2|小於連通性判別標準ε，則第一結構面F1和第二結構面F2經過初步分析具備連通性。(5)連通性再判斷經過步驟(4)的初步分析具備連通性的兩兩結構面，還需根據結構面在孔壁圖像中的表現特徵進行再判斷，判斷內容主要包括：a)結構面的類型是否一致；b)結構面周圍巖體巖性是否一致；c)裂隙寬度的差值是否小於設定值；d)充填特徵是否一致(包括是否充填、充填物質是否一致)等，若初步分析具備連通性的兩兩結構面，滿足以上的判斷內容，則確定兩條結構面具備連通性。以圖3為例，相鄰鑽孔內的兩條結構面通過步驟(4)的初步分析具備連通性的基本條件，兩條結構面同屬於張開型結構面，結構面周圍巖體均為青褐色灰巖，裂隙寬度基本一致且沒有充填。因此，可以確定這兩條結構面具備連通性，即這兩條結構面在同一個平面上，屬於同一條結構面。有關符號說明：α表示結構面的傾向值；β表示結構面的傾角值；h表示結構面在孔壁圖像中正弦曲線波峰到波谷的垂直距離；D表示鑽孔直徑的大小；d表示結構面的位置深度；Rz表示結構面中心點距離孔口所在地平面的垂直距離；F1為第一鑽孔中的任一條結構面；F2為第二鑽孔中的任一條結構面；α1、β1、d1為第一結構面F1的傾向、傾角和位置深度；α2、β2、d2為第二結構面F2的傾向、傾角和位置深度；O1為第一鑽孔下的第一局部坐標系原點，其在全局坐標系下的坐標為(XO1L,YO1L,ZO1L)；O2為第二鑽孔下的第二局部坐標系原點，其在全局坐標系下的坐標為(XO2L,YO2L,ZO2L)；F1L為第一結構面F1在第一局部坐標系下的特徵點，第一局部坐標系下的坐標為(X1L,Y1L,Z1L)，全局坐標系下的坐標為(X1L』,Y1L』,Z1L』)；F2L為第二結構面F2在第二局部坐標系下的特徵點，第二局部坐標系下的坐標為(X2L,Y2L,Z2L)，全局坐標系下的坐標為(X2L』,Y2L』,Z2L』)；F1為第一結構面F1在全局坐標系下的特徵點，坐標為(X1,Y1,Z1)；F2為第二結構面F2在全局坐標系下的特徵點，坐標為(X2,Y2,Z2)；|F1F2|為特徵點F1(X1,Y1,Z1)與特徵點F2(X2,Y2,Z2)之間的距離；ε為連通性判別標準。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。