【摘要】：結(jié)構(gòu)面是構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)并控制巖體力學(xué)性質(zhì)的基本單元,正確識別并快速準(zhǔn)確提取巖體結(jié)構(gòu)面是工程開挖過程中評價巖體地質(zhì)特性的重要基礎(chǔ)。由于巖體結(jié)構(gòu)面特征不規(guī)則且十分復(fù)雜,常規(guī)的提取方法可靠性、安全性較差、自動化程度較低且容易隱藏與巖體邊緣垂直的結(jié)構(gòu)面信息等問題日益突出。本文結(jié)合測繪學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的需求和相似性,在總結(jié)和分析目前常用的幾種巖體結(jié)構(gòu)面提取方法相關(guān)技術(shù)和理論的基礎(chǔ)上,討論了該研究方向現(xiàn)有方法的局限性和不足,針對巖體點云數(shù)據(jù)的幾何特點,利用點云配準(zhǔn)和點云分割的思想,建立了一套巖體點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、組織、提取的理論體系和處理流程,提出了從地面Lidar點云中提取巖體結(jié)構(gòu)面的解決方案,并實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面提取原型系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。通過2個典型案例驗證了本文方法的有效性、可靠性和可行性。通過產(chǎn)狀進行精度分析比較,說明采用本文的提取方法獲得巖體結(jié)構(gòu)面的思路是切實可行的,其精度可以滿足生產(chǎn)需要。主要研究內(nèi)容包括： (1)對巖體結(jié)構(gòu)面自然特征進行了深入的研究,分析了巖體結(jié)構(gòu)面表征出來的幾何特征和巖體點云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點,總結(jié)巖體的小平面特征是結(jié)構(gòu)面分布的主要特點。在此基礎(chǔ)上,對空間平面法向量與巖體結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系進行了刻畫和描述。 (2)對多站點云配準(zhǔn)的方法進行了歸類和討論,對比分析了三類常用點云配準(zhǔn)方法的特點和適用性,總結(jié)了三類方法的優(yōu)缺點和局限性。提出了以整體思想的配準(zhǔn)方法對巖體點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)的思路,以解決其他方法的局限性,即以點云數(shù)據(jù)法向量叉積代數(shù)和最小作為適應(yīng)度函數(shù)的粒子群改進算法,并對高陡邊坡巖體點云數(shù)據(jù)進行了整體配準(zhǔn),將配準(zhǔn)結(jié)果與其他經(jīng)典算法進行了對比實驗,實驗數(shù)據(jù)分為無噪聲影響,特征點準(zhǔn)確；有噪聲影響,特征點選擇不準(zhǔn)確以及無噪聲影響,特征點選擇不準(zhǔn)確三類,分別與經(jīng)典ICP算法和以PSO算法為初值的ICP算法進行三種數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)結(jié)果比較。對比分析的結(jié)果驗證了本文方法的可行性、有效性和穩(wěn)定性。 (3)論述了巖體點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面提取的新原理,并提出了一種巖體點云數(shù)據(jù)高效組織的方法,保持原始地面激光掃描點云里的點和點的鄰接關(guān)系,設(shè)計實現(xiàn)了一種四叉樹-八叉樹的聯(lián)合索引算法,支持高效的瀏覽與空間查詢。 (4)以巖體點云數(shù)據(jù)組織方法為基礎(chǔ),研究了基于結(jié)構(gòu)面方程的巖體點云分組策略,以子集間法向量的夾角為判斷準(zhǔn)則,將海量巖體點云數(shù)據(jù)進行分組處理,以提高計算處理的效率。設(shè)計實現(xiàn)了一種基于順序法向量檢測的RANSAC改進算法(SEQ-NV-RANSAC),以檢測點云數(shù)據(jù)和計算擬合出的RANSAC平面之間的法線向量(NV)是否符合一定的約束條件。此項研究可提高RANSAC算法提取結(jié)構(gòu)面的準(zhǔn)確性。 (5)采用C++編程語言、界面庫QT、圖形渲染庫VTK和點云處理第三方庫PCL(Point Cloud Libary)對本文提出的方法進行了算法實現(xiàn)。針對巖體結(jié)構(gòu)面提取的具體要求和巖體點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟,設(shè)計并開發(fā)了巖體結(jié)構(gòu)面提取的原型系統(tǒng)。 (6)以2類典型的地面Lidar巖體數(shù)據(jù)為例,采用本文提出的方法和理論進行了實驗分析,從中提取出了正確的結(jié)構(gòu)面模型,并將提取結(jié)果與現(xiàn)場人工羅盤測量的結(jié)果以及國外學(xué)者的研究成果進行精度對比分析,驗證了本文所提出的理論和方法的有效性、可靠性和工程適用性。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P623;TU45

【參考文獻】

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本文編號：2297484