块体稳定性的可视化判别方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910627568.9 (22)申请日 2019.07.12 (71)申请人 西安科技大学 地址 710054 陕西省西安市雁塔中路58号 (72)发明人 高丙丽陈立成李朗蔡智云 杨志法 (74)专利代理机构 西安创知专利事务所 61213 代理人 谭文琰 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) G06T 17/05(2011.01) (54)发明名称 一种块体稳定性的可视化判别方法 (57)摘要 本发明公开了一种块体稳定性的可视化判 别方法， 包括

2、步骤： 一、 获取岩质边坡图像并扫描 岩质边坡； 二、 建立岩质边坡的三维可视化模型； 三、 确定目标块体的结构面方程； 四、 确定目标块 体的临空面方程； 五、 确定出闭合块体； 六、 获取 闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积； 七、 计算闭合块体的稳定系数。 本发明利用无人 机航拍的方式获取岩质边坡图像， 并利用三维激 光扫描仪获取块体可视化数据， 构建岩质边坡的 三维可视化模型， 并利用结构面与临空面划分出 块体的形状， 根据块体滑动模式能在现场给出块 体的稳定性分析， 且适用于岩质边坡或地下洞室 等有外露结构面的块体稳定性分析领域， 快捷方 便。 权利要求书5页 说明书12页 附图

3、4页 CN 110348125 A 2019.10.18 CN 110348125 A 1.一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于， 该方法包括以下步骤： 步骤一、 获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡： 利用无人机航拍岩质边坡， 获取岩质边坡 图像， 同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡， 获取岩质边坡的点云数据； 将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机， 计算机对三维激光 扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换， 得到扫描点的三维直角坐标数据； 步骤二、 建立岩质边坡的三维可视化模型： 计算机根据无人机获取的岩质边坡图像和 扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三

4、维可视化模型； 步骤三、 确定目标块体的结构面方程， 过程如下： 步骤301、 对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理， 得到岩质边坡对应的三角网格曲 面， 三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点； 步骤302、 利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置， 在每个裂缝位置对应的 三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面， 每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目 标块体的结构面的方法均相同； 任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下： 步骤3021、 在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元和相 邻三角形面元； 步骤3022、 根据公式计

5、算初始三角形面元的法向量和相邻三角 形面元的法向量的余弦相似度similarity1； 步骤3023、 判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一结构面上： 当 similarity1s时， 存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面 元的平均向量并根据公式计算平均向量和相邻三角形面元的 法向量的余弦相似度similarity2， 当similarity2s时， 初始三角形面元和相邻三角形 面元位于同一结构面上， 执行步骤3024， 当similarity2s时， 删除相邻三角形面元的法向 量并执行步骤3024， 其中， s为第一余弦相似度阈值， s为第二余弦相似度阈值； 当

6、similarity1s时， 初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上， 将相邻 三角形面元视为新的初始三角形面元， 将相邻三角形面元对应的生长节点视为初始生长节 点， 并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元， 循环步骤3022， 筛选目标块体新的 结构面， 直至遍历三角网格曲面区域中所有的生长节点， 获取三角网格曲面区域中目标块 体的所有的结构面； 步骤3024、 根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点， 并形成下一个三角形面元， 将 下一个三角形面元视为相邻三角形面元， 循环步骤3022； 权利要求书 1/5 页 2 CN 110348125 A 2 步骤303、 采用最小二乘

7、法线性回归的方法对任一结构面进行拟合， 根据公式 确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中， 为第j个结构面上第i个扫描点的x轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标， 为线性回归方程中常数项的偏回归系数， 1j为线性回归方程中项的偏回归系数， 为线性回归方程中项的偏回归系数， 且 I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正 整数； 步骤304、 根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目标块 体的第j个结构面的法向量为 步骤305、 根据公式计算第j个结构面的倾角 j； 然后 根据第j个结构面的倾角 j确定第j个结构面的倾向 j， 步

8、骤四、 确定目标块体的临空面方程： 在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数据点， 利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模， 获取目标块体的临空面方程； 步骤五、 确定出闭合块体， 过程如下： 步骤501、 将临空面上出露的结构面投影至XOY平面； 步骤502、 计算一个结构面与其他结构面的交点， 删除交点数小于2的结构面， 若所有的 结构面的交点数均不小于2， 则XOY平面上有闭合回路， 执行步骤503； 否则， XOY平面上无闭 合回路， 块体为稳定块体； 步骤503、 计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标， 并将该交点坐标的 z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴

9、坐标进行比较， 当该交点坐标的z轴坐 权利要求书 2/5 页 3 CN 110348125 A 3 标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点位于块体上， 闭合回路处对 应的任意两个结构面的交线即为块体的棱； 当该交点坐标的z轴坐标不小于x轴坐标和y轴 坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点为无效交点； 计算闭合回路处对应的任意三个结构面交点的交点坐标， 解出的结果为块体的顶点； 临空面的数量与结构面的数量之和为块体的面数； 步骤504、 将块体的面数、 棱数和顶点数代入欧拉定理， 若欧拉定理成立， 则块体为闭合 块体， 执行步骤六； 若欧拉定理不成立， 则块体为非闭合块体

10、； 步骤六、 获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积； 步骤七、 计算闭合块体的稳定系数， 过程如下： 步骤701、 确定闭合块体的滑动模式， 当闭合块体沿两个结构面的交叉棱线处滑动， 且 岩质边坡的倾角大于棱线的倾角， 闭合块体的滑动力大于抗滑力， 闭合块体出露在临空面 上， 则该闭合块体为楔形块体， 所述楔形块体的滑动模式为楔形滑动模式， 执行步骤702； 当闭合块体沿下滑平面滑动， 且岩质边坡的倾角大于闭合块体的结构面的倾角， 岩质 边坡的倾角和闭合块体的结构面的倾角之差为(0 ， 20 ， 闭合块体的结构面出露于外， 闭 合块体的重力下滑力大于摩阻力， 则该闭合块体为单面滑动块体，

11、 所述单面滑动块体的滑 动模式为平面剪切滑动模式， 执行步骤703； 当闭合块体由三个及三个以上的结构面组合切割且出露在临空面上， 则该闭合块体为 综合滑动块体， 所述综合滑动块体的滑动模式为复杂滑动模式， 执行步骤704； 步骤702、 根据公式计算棱线的倾角 L， 为棱线一端点的坐标，为棱线另一端点的坐标； 根据公式计算棱线的矢量余弦为(l， m， n)； 根据公式计算楔形块体的重力在棱线上的法向量N的矢量余弦(lN， mN， nN)； 根据公式计算楔形块体一侧的结构面法向量与重力 在棱线上的法向量N的夹角1和楔形块体另一侧的结构面法向量与重力在棱线上的法向 权利要求书 3/5 页 4 C

12、N 110348125 A 4 量N的夹角2， 其中， (l1,m1,n1)为楔形块体一侧的结构面法向量， (l2,m2,n2)为楔形块体另 一侧的结构面法向量； 根据公式计算楔形块体的重力G在楔形块体一侧的结构面的法向 分力N1和楔形块体的重力G在楔形块体另一侧的结构面的法向分力N2； 根据公式计算楔形块体在两侧结构面上的总抗 滑力F， 其中， S1为楔形块体一侧的结构面的面积， S2为楔形块体另一侧的结构面的面积， 为楔形块体一侧的结构面的内摩擦角， 为楔形块体另一侧的结构面的内摩擦角， C1为 楔形块体一侧的结构面的粘聚力， C2为楔形块体另一侧的结构面的粘聚力； 根据公式计算楔形块体的

13、稳定系数 q； 步骤703、 根据公式对单面滑动块体的重力GD进行分解， 其中， D为下 滑平面的倾角， F正为单面滑动块体的重力GD对下滑平面的正压分力， F滑为单面滑动块体的 重力GD对下滑平面的滑动力； 根据公式计算下滑平面的抗滑力T， 为下滑平面的内摩擦角， CD为下滑平面的粘聚力， SD为下滑平面的面积； 根据公式计算单面滑动块体的稳定系数 d； 步骤704、 通过有限元分析将每个结构面划分为多个有限元网格， 并获取每个有限元网 格上的正应力， 根据公式计算第k个结构面上的抗滑力fk， 其中， H为结构面上有限元网格的数量， Nkh为第k个结构面第h个有限元网格上的正应力， 为第k个

14、结构面第h个有限元网格的内摩擦角， Ckh为第k个结构面第h个有限元网格的粘 聚力， Skh为第k个结构面第h个有限元网格的面积； 根据公式计算综合滑动块体的稳定系数 Z， 其中， K为结构面的数 量， W为块体重力， k为第k个结构面与块体重力方向的夹角。 2.按照权利要求1所述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤四中， 将筛选的数据点作为型值点， 利用双三次B样条插值算法的逆计算方法获取曲面的控制点。 3.按照权利要求1所述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤六中， 各结构面面积采用向量积计算方式获取。 4.按照权利要求1所述的一种块体稳定性的可视化判别

15、方法， 其特征在于： 步骤六中， 闭合块体的体积采用等距离切割式的切片法获取。 权利要求书 4/5 页 5 CN 110348125 A 5 5.按照权利要求1所述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤504中 欧拉定理为V-E+F2， 其中， V为块体的顶点数， E为块体的棱数， F为块体的面数。 权利要求书 5/5 页 6 CN 110348125 A 6 一种块体稳定性的可视化判别方法 技术领域 0001 本发明属于块体稳定性判别技术领域， 具体涉及一种块体稳定性的可视化判别方 法。 背景技术 0002 岩体中的块体形状迥异， 杂乱无章， 地质勘探人员确定关键块体费时费力

16、。 因此岩 体工程往往以寻找不稳定块体为目标， 不稳定块体指在工程力和自重作用下， 由于滑动面 上的抗剪强度不足于抵御滑动力， 若不施加工程锚固措施， 必将失稳的块体。 目前， 确定不 稳定块体的方法有坐标投影图解法、 数值方法和赤平极射投影作图法。 赤平极射投影作图 法具有操作方便、 省经费、 适合于现场应用等优点， 所以在工程地质工作者中得到相当广泛 的应用， 赤平极射投影作图法简便、 直观， 仅需圆规、 直尺或计算机作图， 无需进行复杂的计 算， 但存在着难以用于多块体分析、 难以与数值分析法相结合来更准确地确定块体稳定系 数， 计算结果不精确等问题； 数值方法结果准确， 但缺少直观性。

17、 而且块体问题通常是三维 的， 而在现场进行三维弹塑性问题的数值分析， 不仅需要计算机及软件条件， 而且还要花较 长的时间， 十分不便； 坐标投影图解法的基本方法就是首先根据块体的几何形态确定块体 的应力状态， 再通过稳定性分析， 找出不稳定块体， 标投影作图法是以正投影为基础， 结合 赤平极射投影方法而形成的一种图解方法， 但是无法做到现场观测， 现场分析。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足， 提供一种块体稳定 性的可视化判别方法， 利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像， 并利用三维激光扫描仪 获取块体可视化数据， 构建岩质边坡的三维可视化模型， 并利

18、用结构面与临空面划分出块 体的形状， 根据块体滑动模式能在现场给出块体的稳定性分析， 且适用于岩质边坡或地下 洞室等有外露结构面的块体稳定性分析领域， 快捷方便， 便于推广使用。 0004 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是： 一种块体稳定性的可视化判别 方法， 其特征在于， 该方法包括以下步骤： 0005 步骤一、 获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡： 利用无人机航拍岩质边坡， 获取岩质 边坡图像， 同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡， 获取岩质边坡的点云 数据； 0006 将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机， 计算机对三维 激光扫描仪采集的极坐标数

19、据进行数据转换， 得到扫描点的三维直角坐标数据； 0007 步骤二、 建立岩质边坡的三维可视化模型： 计算机根据无人机获取的岩质边坡图 像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型； 0008 步骤三、 确定目标块体的结构面方程， 过程如下： 0009 步骤301、 对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理， 得到岩质边坡对应的三角网 格曲面， 三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点； 说明书 1/12 页 7 CN 110348125 A 7 0010 步骤302、 利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置， 在每个裂缝位置对 应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构

20、面， 每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛 选目标块体的结构面的方法均相同； 0011 任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下： 0012 步骤3021、 在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元 和相邻三角形面元； 0013步骤3022、 根据公式计算初始三角形面元的法向量和相 邻三角形面元的法向量 的余弦相似度similarity1； 0014 步骤3023、 判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一结构面上： 当 similarity1s时， 存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面元 的平均向量并根据公式计算平均向量和

21、相邻三角形面元的法 向量的余弦相似度similarity2， 当similarity2s时， 初始三角形面元和相邻三角形面 元位于同一结构面上， 执行步骤3024， 当similarity2s时， 删除相邻三角形面元的法向量 并执行步骤3024， 其中， s为第一余弦相似度阈值， s为第二余弦相似度阈值； 0015 当similarity1s时， 初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上， 将 相邻三角形面元视为新的初始三角形面元， 将相邻三角形面元对应的生长节点视为初始生 长节点， 并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元， 循环步骤3022， 筛选目标块体 新的结构面， 直至遍历

22、三角网格曲面区域中所有的生长节点， 获取三角网格曲面区域中目 标块体的所有的结构面； 0016 步骤3024、 根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点， 并形成下一个三角形面 元， 将下一个三角形面元视为相邻三角形面元， 循环步骤3022； 0017 步骤303、 采用最小二乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合， 根据公式 确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中， 为第j个结构面上第i个扫描点的x轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标， 为线性回归方程中常数项的偏回归系数， 为线性回归方程中项的偏回归系数， 为线性回归方程中项的偏回归系

23、数， 且 说明书 2/12 页 8 CN 110348125 A 8 I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正 整数； 0018步骤304、 根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目 标块体的第j个结构面的法向量为 0019步骤305、 根据公式计算第j个结构面的倾角 j； 然后根据第j个结构面的倾角 j确定第j个结构面的倾向 j， 0020 步骤四、 确定目标块体的临空面方程： 在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数 据点， 利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模， 获取目标块体的临空面方程； 0021 步骤五、 确定出闭合块体， 过程如下： 0022 步骤501、 将临空面上

24、出露的结构面投影至XOY平面； 0023 步骤502、 计算一个结构面与其他结构面的交点， 删除交点数小于2的结构面， 若所 有的结构面的交点数均不小于2， 则XOY平面上有闭合回路， 执行步骤503； 否则， XOY平面上 无闭合回路， 块体为稳定块体； 0024 步骤503、 计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标， 并将该交点坐 标的z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标进行比较， 当该交点坐标的z 轴坐标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点位于块体上， 闭合回路 处对应的任意两个结构面的交线即为块体的棱； 当该交点坐标的z轴坐标不小于x轴坐

25、标和 y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点为无效交点； 0025 计算闭合回路处对应的任意三个结构面交点的交点坐标， 解出的结果为块体的顶 点； 0026 临空面的数量与结构面的数量之和为块体的面数； 0027 步骤504、 将块体的面数、 棱数和顶点数代入欧拉定理， 若欧拉定理成立， 则块体为 说明书 3/12 页 9 CN 110348125 A 9 闭合块体， 执行步骤六； 若欧拉定理不成立， 则块体为非闭合块体； 0028 步骤六、 获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积； 0029 步骤七、 计算闭合块体的稳定系数， 过程如下： 0030 步骤701、 确定闭合块体的滑动

26、模式， 当闭合块体沿两个结构面的交叉棱线处滑 动， 且岩质边坡的倾角大于棱线的倾角， 闭合块体的滑动力大于抗滑力， 闭合块体出露在临 空面上， 则该闭合块体为楔形块体， 所述楔形块体的滑动模式为楔形滑动模式， 执行步骤 702； 0031 当闭合块体沿下滑平面滑动， 且岩质边坡的倾角大于闭合块体的结构面的倾角， 岩质边坡的倾角和闭合块体的结构面的倾角之差为(0 ， 20 ， 闭合块体的结构面出露于 外， 闭合块体的重力下滑力大于摩阻力， 则该闭合块体为单面滑动块体， 所述单面滑动块体 的滑动模式为平面剪切滑动模式， 执行步骤703； 0032 当闭合块体由三个及三个以上的结构面组合切割且出露在

27、临空面上， 则该闭合块 体为综合滑动块体， 所述综合滑动块体的滑动模式为复杂滑动模式， 执行步骤704； 0033步骤702、 根据公式计算棱线的倾 角 L， 为棱线一端点的坐标，为棱线另一端点的坐标； 0034根据公式计算棱线的矢量余弦为(l， m， n)； 0035根据公式计算楔形块体的重力在棱线上的法向量N的矢量余弦 (lN， mN， nN)； 0036根据公式计算楔形块体一侧的结构面法向量与 重力在棱线上的法向量N的夹角1和楔形块体另一侧的结构面法向量与重力在棱线上的 法向量N的夹角2， 其中， (l1,m1,n1)为楔形块体一侧的结构面法向量， (l2,m2,n2)为楔形块 体另一侧

28、的结构面法向量； 说明书 4/12 页 10 CN 110348125 A 10 0037根据公式计算楔形块体的重力G在楔形块体一侧的结构面 的法向分力N1和楔形块体的重力G在楔形块体另一侧的结构面的法向分力N2； 0038根据公式计算楔形块体在两侧结构面上的 总抗滑力F， 其中， S1为楔形块体一侧的结构面的面积， S2为楔形块体另一侧的结构面的面 积， 为楔形块体一侧的结构面的内摩擦角， 为楔形块体另一侧的结构面的内摩擦角， C1 为楔形块体一侧的结构面的粘聚力， C2为楔形块体另一侧的结构面的粘聚力； 0039根据公式计算楔形块体的稳定系数 q； 0040步骤703、 根据公式对单面滑动

29、块体的重力GD进行分解， 其中， D 为下滑平面的倾角， F正为单面滑动块体的重力GD对下滑平面的正压分力， F滑为单面滑动块 体的重力GD对下滑平面的滑动力； 0041根据公式计算下滑平面的抗滑力 T， 为下滑平面的内摩擦角， CD为下滑平面的粘聚力， SD为下滑平面的面积； 0042根据公式计算单面滑动块体的稳定系数 d； 0043 步骤704、 通过有限元分析将每个结构面划分为多个有限元网格， 并获取每个有限 元网格上的正应力， 根据公式计算第k个结构面上的抗滑 力fk， 其中， H为结构面上有限元网格的数量， Nkh为第k个结构面第h个有限元网格上的正应 力，为第k个结构面第h个有限元

30、网格的内摩擦角， Ckh为第k个结构面第h个有限元网格的 粘聚力， Skh为第k个结构面第h个有限元网格的面积； 0044根据公式计算综合滑动块体的稳定系数 Z， 其中， K为结构面的 数量， W为块体重力， k为第k个结构面与块体重力方向的夹角。 0045 上述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤四中， 将筛选的数据 点作为型值点， 利用双三次B样条插值算法的逆计算方法获取曲面的控制点。 0046 上述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤六中， 各结构面面积 采用向量积计算方式获取。 0047 上述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤六中

31、， 闭合块体的体 积采用等距离切割式的切片法获取。 0048 上述的一种块体稳定性的可视化判别方法， 其特征在于： 步骤504中欧拉定理为V- E+F2， 其中， V为块体的顶点数， E为块体的棱数， F为块体的面数。 说明书 5/12 页 11 CN 110348125 A 11 0049 本发明与现有技术相比具有以下优点： 0050 1、 本发明利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像， 可以很好的弥补人工测量的 局限性且精度高， 速度快且不会对待测物体产生影响， 减少了人力， 提高了效率和安全性， 并利用三维激光扫描仪获取块体可视化数据， 构建岩质边坡的三维可视化模型， 便于查找 岩质边坡中

32、的不稳定块体， 简化不稳定块体的识别工作， 减少了大量的画图工作量， 便于推 广使用。 0051 2、 本发明采用Delaunay三角网格化原理对点云数据进行三角网格划分， 形成具有 逻辑关系的连通图， 利用余弦相似度的区域生长算法可以较准确、 高效的识别出结构面， 并 通过线性回归拟合后， 能够得到结构面的方程并算出真实的岩体结构面信息， 对于无法自 动识别出的结构面进行补充， 另外， 采用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模， 获取目 标块体的临空面方程， 建立岩质边坡空间模型， 可以获取连续的临空面曲面模型， 便于切片 法中计算曲面块体时求解块体体积与表面积不准确的问题。 0052

33、3、 本发明方法步骤简单， 由临空面和结构面切割筛选闭合块体， 获取闭合块体的 各结构面面积和闭合块体的体积， 结合岩石力学理论， 根据块体的滑动模式， 确定出可能不 稳定块体的稳定系数， 可能失稳块体是岩体中最弱的部分， 引起相邻块体的不稳定性， 并且 可能引起链式反应， 导致整个岩石边坡工程发生破坏， 找出可能失稳块体并确定稳定系数， 对后续的边坡加固、 支护措施、 保持整个岩体工程的稳定性具有重要的意义， 便于推广使 用。 0053 综上所述， 本发明利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像， 并利用三维激光扫 描仪获取块体可视化数据， 构建岩质边坡的三维可视化模型， 并利用结构面与临空面划

34、分 出块体的形状， 根据块体滑动模式能在现场给出块体的稳定性分析， 且适用于岩质边坡或 地下洞室等有外露结构面的块体稳定性分析领域， 快捷方便， 便于推广使用。 0054 下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明 0055 图1为本发明方法的方法流程框图。 0056 图2为本发明岩质边坡的三维可视化模型图。 0057 图3为图2中多个目标块体的结构面的标记图。 0058 图4为图3中闭合块体的标记图。 具体实施方式 0059 如图1所示， 本发明的一种块体稳定性的可视化判别方法， 包括以下步骤： 0060 步骤一、 获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡： 利用无人机航

35、拍岩质边坡， 获取岩质 边坡图像， 同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡， 获取岩质边坡的点云 数据； 0061 将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机， 计算机对三维 激光扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换， 得到扫描点的三维直角坐标数据； 0062 需要说明的是， 利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像， 可以很好的弥补人工 测量的局限性且精度高， 速度快且不会对待测物体产生影响， 减少了人力， 提高了效率和安 说明书 6/12 页 12 CN 110348125 A 12 全性， 并利用三维激光扫描仪获取块体可视化数据， 构建岩质边坡的三维可视化模型， 便于

36、查找岩质边坡中的不稳定块体， 简化不稳定块体的识别工作， 减少了大量的画图工作量， 实 际使用时， 采用大疆精灵Phantom 4无人机航拍岩质边坡， 获取岩质边坡图像， 同时利用无 人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡， 获取岩质边坡的点云数据。 0063 步骤二、 建立岩质边坡的三维可视化模型： 计算机根据无人机获取的岩质边坡图 像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型； 0064 步骤三、 确定目标块体的结构面方程， 过程如下： 0065 步骤301、 对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理， 得到岩质边坡对应的三角网 格曲面， 三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对

37、应的扫描点； 0066 步骤302、 利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置， 在每个裂缝位置对 应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面， 每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛 选目标块体的结构面的方法均相同； 0067 任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下： 0068 步骤3021、 在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元 和相邻三角形面元； 0069步骤3022、 根据公式计算初始三角形面元的法向量和相邻 三角形面元的法向量的余弦相似度similarity1； 0070 步骤3023、 判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一

38、结构面上： 当 similarity1s时， 存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面元 的平均向量并根据公式计算平均向量和相邻三角形面元的法向 量的余弦相似度similarity2， 当similarity2s时， 初始三角形面元和相邻三角形面元 位于同一结构面上， 执行步骤3024， 当similarity2s时， 删除相邻三角形面元的法向量 并执行步骤3024， 其中， s为第一余弦相似度阈值， s为第二余弦相似度阈值； 0071 当similarity1s时， 初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上， 将 相邻三角形面元视为新的初始三角形面元， 将相邻三角形面元

39、对应的生长节点视为初始生 长节点， 并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元， 循环步骤3022， 筛选目标块体 新的结构面， 直至遍历三角网格曲面区域中所有的生长节点， 获取三角网格曲面区域中目 标块体的所有的结构面； 0072 步骤3024、 根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点， 并形成下一个三角形面 元， 将下一个三角形面元视为相邻三角形面元， 循环步骤3022； 0073 步骤303、 采用最小二乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合， 根据公式 说明书 7/12 页 13 CN 110348125 A 13 确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中， 为第j个结构面上第i个

40、扫描点的x轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标， 为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标， 为线性回归方程中常数项的偏回归系数， 为线性回归方程中项的偏回归系数， 为线性回归方程中项的偏回归系数， 且 I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正 整数； 0074步骤304、 根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目 标块体的第j个结构面的法向量为 0075步骤305、 根据公式计算第j个结构面的倾角 j； 然后根据第j个结构面的倾角 j确定第j个结构面的倾向 j， 0076 需要说明的是， 倾向是方位角是以正北为0度， 顺时针旋转到倾向线时所转的角 度， 取值范围是0 36

41、0 。 0077 步骤四、 确定目标块体的临空面方程： 在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数 据点， 利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模， 获取目标块体的临空面方程； 0078 需要说明的是， 采用Delaunay三角网格化原理对点云数据进行三角网格划分， 形 成具有逻辑关系的连通图， 利用余弦相似度的区域生长算法可以较准确、 高效的识别出结 构面， 并通过线性回归拟合后， 能够得到结构面的方程并算出真实的岩体结构面信息， 对于 无法自动识别出的结构面进行补充， 另外， 采用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模， 获取目标块体的临空面方程， 建立岩质边坡空间模型， 可以获取连续的

42、临空面曲面模型， 弥 补了坐标投影原理提出的切片法中计算曲面块体时求解块体体积与表面积不准确的问题。 说明书 8/12 页 14 CN 110348125 A 14 0079 本实施例中， 步骤四中， 将筛选的数据点作为型值点， 利用双三次B样条插值算法 的逆计算方法获取曲面的控制点。 0080 步骤五、 确定出闭合块体， 过程如下： 0081 步骤501、 将临空面上出露的结构面投影至XOY平面； 0082 步骤502、 计算一个结构面与其他结构面的交点， 删除交点数小于2的结构面， 若所 有的结构面的交点数均不小于2， 则XOY平面上有闭合回路， 执行步骤503； 否则， XOY平面上 无

43、闭合回路， 块体为稳定块体； 0083 步骤503、 计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标， 并将该交点坐 标的z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标进行比较， 当该交点坐标的z 轴坐标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点位于块体上， 闭合回路 处对应的任意两个结构面的交线即为块体的棱； 当该交点坐标的z轴坐标不小于x轴坐标和 y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标， 则该交点为无效交点； 0084 计算闭合回路处对应的任意三个结构面交点的交点坐标， 解出的结果为块体的顶 点； 0085 临空面的数量与结构面的数量之和为块体的面数； 0086 步骤50

44、4、 将块体的面数、 棱数和顶点数代入欧拉定理， 若欧拉定理成立， 则块体为 闭合块体， 执行步骤六； 若欧拉定理不成立， 则块体为非闭合块体； 0087 本实施例中， 步骤504中欧拉定理为V-E+F2， 其中， V为块体的顶点数， E为块体的 棱数， F为块体的面数。 0088 需要说明的是， 由临空面和结构面切割筛选闭合块体， 获取闭合块体的各结构面 面积和闭合块体的体积， 结合岩石力学理论， 根据块体的滑动模式， 确定出可能不稳定块体 的稳定系数， 可能失稳块体是岩体中最弱的部分， 引起相邻块体的不稳定性， 并且可能引起 链式反应， 导致整个岩石边坡工程发生破坏， 找出可能失稳块体并确

45、定稳定系数， 对后续的 边坡加固、 支护措施、 保持整个岩体工程的稳定性具有重要的意义。 0089 步骤六、 获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积； 0090 本实施例中， 步骤六中， 各结构面面积采用向量积计算方式获取。 0091 本实施例中， 步骤六中， 闭合块体的体积采用等距离切割式的切片法获取。 0092 步骤七、 计算闭合块体的稳定系数， 过程如下： 0093 步骤701、 确定闭合块体的滑动模式， 当闭合块体沿两个结构面的交叉棱线处滑 动， 且岩质边坡的倾角大于棱线的倾角， 闭合块体的滑动力大于抗滑力， 闭合块体出露在临 空面上， 则该闭合块体为楔形块体， 所述楔形块体的滑动

46、模式为楔形滑动模式， 执行步骤 702； 0094 当闭合块体沿下滑平面滑动， 且岩质边坡的倾角大于闭合块体的结构面的倾角， 岩质边坡的倾角和闭合块体的结构面的倾角之差为(0 ， 20 ， 闭合块体的结构面出露于 外， 闭合块体的重力下滑力大于摩阻力， 则该闭合块体为单面滑动块体， 所述单面滑动块体 的滑动模式为平面剪切滑动模式， 执行步骤703； 0095 当闭合块体由三个及三个以上的结构面组合切割且出露在临空面上， 则该闭合块 体为综合滑动块体， 所述综合滑动块体的滑动模式为复杂滑动模式， 执行步骤704； 说明书 9/12 页 15 CN 110348125 A 15 0096步骤702

47、、 根据公式计算棱线的倾 角 L， 为棱线一端点的坐标，为棱线另一端点的坐标； 0097根据公式计算棱线的矢量余弦为(l， m， n)； 0098根据公式计算楔形块体的重力在棱线上的法向量N的矢量余弦 (lN， mN， nN)； 0099根据公式计算楔形块体一侧的结构面法向量与 重力在棱线上的法向量N的夹角1和楔形块体另一侧的结构面法向量与重力在棱线上的 法向量N的夹角2， 其中， (l1,m1,n1)为楔形块体一侧的结构面法向量， (l2,m2,n2)为楔形块 体另一侧的结构面法向量； 0100根据公式计算楔形块体的重力G在楔形块体一侧的结构面 的法向分力N1和楔形块体的重力G在楔形块体另一

48、侧的结构面的法向分力N2； 0101根据公式计算楔形块体在两侧结构面上的 总抗滑力F， 其中， S1为楔形块体一侧的结构面的面积， S2为楔形块体另一侧的结构面的面 积， 为楔形块体一侧的结构面的内摩擦角， 为楔形块体另一侧的结构面的内摩擦角， C1 为楔形块体一侧的结构面的粘聚力， C2为楔形块体另一侧的结构面的粘聚力； 0102根据公式计算楔形块体的稳定系数 q； 0103步骤703、 根据公式对单面滑动块体的重力GD进行分解， 其中， D 为下滑平面的倾角， F正为单面滑动块体的重力GD对下滑平面的正压分力， F滑为单面滑动块 说明书 10/12 页 16 CN 110348125 A

49、16 体的重力GD对下滑平面的滑动力； 0104根据公式计算下滑平面的抗滑力 T， 为下滑平面的内摩擦角， CD为下滑平面的粘聚力， SD为下滑平面的面积； 0105根据公式计算单面滑动块体的稳定系数 d； 0106 步骤704、 通过有限元分析将每个结构面划分为多个有限元网格， 并获取每个有限 元网格上的正应力， 根据公式计算第k个结构面上的抗滑 力fk， 其中， H为结构面上有限元网格的数量， Nkh为第k个结构面第h个有限元网格上的正应 力，为第k个结构面第h个有限元网格的内摩擦角， Ckh为第k个结构面第h个有限元网格的 粘聚力， Skh为第k个结构面第h个有限元网格的面积； 0107

50、根据公式计算综合滑动块体的稳定系数 Z， 其中， K为结构面的 数量， W为块体重力， k为第k个结构面与块体重力方向的夹角。 0108 本实施例中， 如图2至图4所示， 利用无人机航拍岩质边坡， 获取岩质边坡图像， 同 时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡， 获取岩质边坡的点云数据； 将岩质 边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机， 计算机对三维激光扫描仪采集 的极坐标数据进行数据转换， 得到扫描点的三维直角坐标数据； 计算机根据无人机获取的 岩质边坡图像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型； 采用最小二 乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合， 根据