基于三维激光扫描技术的复杂三维地质体建模方法

FLAC3D平台下前处理阶段复杂地质体三维数值计算模型的建立一直是岩土工程数值模拟工作者面临的难题,而三维激光扫描技术在获取复杂物体的精细空间数据的方面具有独特的优势。因此,本文提出以逆向工程为过渡平台实现复杂三维地质体FLAC3D数值模型的构建。利用三维激光扫描技术精细几何数据的获取功能,对复杂三维地质体空间形状几何信息进行提取;利用Geomagic Studio良好的点云数据处理及曲面建模功能,准确地重构了复杂地质体的CAD曲面模型;利用Hypermesh强大的几何处理能力及网格划分能力,将复杂地质体的CAD曲面模型进行实体化和网格化;最后由FLAC3D软件内嵌的Fish语言编制的文件转换为FLAC3D能够识别的文件格式,从而实现了该软件前处理过程中复杂三维地质模型的高效、精准的建立。结合工程实例,对该方法的可行性与仿真效果进行了检验。结果表明该方法具有方便、快捷、合理且实用性强的优点。     

三维空间影像技术在公路岩质高边坡地质调绘中的应用

通过三维激光扫描技术获取公路岩质高边坡岩体的结构面三维点云数据,采用C++开发编程得到插件程序对结构面进行自动识别,最终得到边坡岩体结构面地质图,为岩质边坡稳定性分析提供详实的地质资料,保证了边坡治理的可靠性和经济性,弥补了传统人工工程地质调绘时间周期长、精度低等不足,有很强的现实意义。     

基于点云数据对齐技术的岩体结构面三维吻合度求取

为了更好地描述岩体结构面的吻合程度,引入点云数据对齐技术,计算获得岩体结构面三维吻合度参数(JMC3D)。采用三维激光扫描技术,获取岩体结构面上下盘点云数据,基于迭代最近算法(ICP),将结构面参考面和测试面点云数据统一到全局坐标系中并实现对齐,计算对齐后的测试面与参考面之间的Z坐标高差;然后,将高差位于对齐误差区间的点云数据作为吻合部分予以定量化,计算岩体结构面上下盘吻合面积百分比,从而获取三维吻合度参数。最后,根据JRC-JMC模型公式求取岩体结构面剪切强度,与室内岩体结构面直剪试验结果对比分析进行方法验证。4组试验对比结果误差分别为7.38%、3.21%、9.03%、10.02%,表明基于点云数据对齐技术求取的岩体结构面三维吻合度具有一定可行性和实用性,同时也进一步印证岩体结构面三维吻合度与剪切强度之间的相互联系。     

基于三维激光点云技术的岩体结构面智能解译

准确、高效、全面获取岩体结构面信息,对岩体的稳定性分析有着重要的意义.采用三维激光扫描设备进行岩体数据采集,基于岩体点云模型提出了结构面自动识别方法.通过对Ransac算法进行改进,引入了新的采样方法和评分准则,大大提升了Ransac算法的计算效率和提取精度,使之更好地适应粗糙不平的岩体点云数据;基于改进的Graham Scan算法可以精准描绘出结构面的凸凹边界,进而精细化计算出结构面尺寸.基于以上算法研发了结构面识别程序RDD（ransac discontinuity dtection）,并且采用了两组标准几何体数据和一组岩体数据对程序进行测试.结果表明,标准几何体产状误差在1°以内,实际岩体最大误差在6°以内,结构面尺寸最大误差率为0.278%,满足工程限定的误差要求.      

基于三维激光扫描的锦屏地下实验室岩体变形破坏特征关键信息提取技术研究

针对施工期的中国锦屏地下实验室二期工程,利用三维激光扫描技术对各个实验室进行持续观测,得到开挖面原始点云数据,并通过一系列数据处理获取实验室轮廓变形、岩体结构及岩体破坏定量化表征信息。实践表明,利用CYCLONE软件处理原始点云数据,能够准确地获取实验室开挖后轮廓随时间的变化,精度满足工程要求,经现场围岩变形破坏特征证实数据处理结果符合实际规律;利用CYCLONE及基于结构面单位法向量的产状算法亦可准确快速地获取结构面产状,测量结果与传统方法结果相符。此外,利用CYCLONE、Geomagic Studio、3DMAX处理原始数据亦为统计实验室围岩破坏程度提供了简便高效的方法,获取的破坏区深度及体积与其他手段测量值基本一致。与点式监测技术相比,基于三维激光扫描的深埋硬岩隧洞监测与数据处理具备同时获取全场变形且快速、安全、高效的优势,对于研究深埋硬岩隧洞岩体力学行为是一种十分有效的技术手段。     

基于线激光扫描的岩石激光钻孔的三维重建和可视化

激光钻进岩石形成的钻孔的孔形较为复杂,具有较小的孔直径和较高的孔壁粗糙度,使得利用传统方法进行钻孔尺寸的测量较为困难。为了精确钻孔测量和方便孔形研究,提出了一种基于线激光扫描及逆向建模的钻孔建模方法。首先,搭建了线激光扫描平台,建立了空间坐标系,以获取钻孔的三维坐标,构建了钻孔的初始点云数据。其次,在MATLAB中对获取的点云数据进行无效点移除及多视角点云配准,其中,无效点移除利用顺序查找法实现,多视角点云配准则基于迭代最近点(ICP)算法,包括初始配准和精确配准两个阶段。最后,基于Delaunay三角网格划分及曲面重建算法,实现了钻孔模型的重建和可视化。此外,还采用滴液法和切割法进行实际钻孔容积值测量及钻孔轮廓线获取,并与由点云重建的钻孔模型上获取的测算结果进行对比分析,以验证所述方法建立的钻孔模型的精度。结果表明:重建的钻孔模型与实际钻孔之间的误差小于4%,重建的模型能够满足激光岩石钻进钻孔的测量要求,证实了所述方法的可行性。与传统测量方法相比,所述方法属于非接触、非破坏性方法,可重复性测量。     

基于多源数据融合技术的古墓室内外三维建模方法研究

为解决单一数据源建模中存在的信息不完整、粘连等问题,本文研究提出了一种基于多源数据融合技术的建模方法。其基本原理在于将地面激光点云与空地影像进行坐标融合,通过坐标转换,实现航摄影像坐标向激光点云所在的局部坐标系中的转换,确保点云与影像特征点成功匹配,进而完成三维模型重建工作。文章结合洞耳村蒙元墓的三维重建工作,深入分析了融合多源数据建模方法的数据采集、三维建模等关键问题。同时,本文采取可靠的成果评价体系,对最终成果进行精度评定,数据结果表明:基于地面激光点云与空地影像融合技术构建的三维模型具备更高的精度、完整性及真实性。     

三维激光扫描技术在1∶500地形图精细化制图中的应用研究

三维激光扫描技术作为一种新兴的测绘技术,与传统测绘技术相比,具有高精度、高效率、非接触性等优势。将三维激光扫描技术应用于大比例尺精细化制图中是目前研究的一个热点问题。本文选取了位于滇西北香格里拉片区的纳帕海自然保护区作为研究区,对将三维激光扫描技术应用于大比例尺精细化制图的工程实践中的点云数据的外业采集和内业预处理,地理信息的提取、编辑和制图等技术要点进行了试验验证和总结,并对最终制图成果的精度进行对比分析。结果表明平面位置的中误差为3.8 cm,高程中误差为12.5 cm,能够满足1∶500大比例尺制图的要求。     

不同地形特征下的TLS点云空洞修补精度分析

点云空洞修补是三维激光扫描(Terrestrial Laser Scanning,TLS)技术运用于山地测绘中的一个重要数据处理环节。本文构建了一套基于山谷、山脊和河滩三种地形特征的针对山地测绘的TLS点云空洞修补精度分析方法。并对Geomagic Studio提供的修补算法对不同地形特征下点云空洞中的修补精度进行评价。此外,还通过对比分析实验证明了点云空洞范围内地形特征线的位置与空洞的修补效果之间有密切联系。这为山地区域地面点云空洞修补方法的精度评价提供了一种新的方法。该方法也可以在后期针对复杂地形的点云空洞算法的研究中作为精度验证与评价的方法之一。     

基于轮廓曲线的岩体结构面三维粗糙度获取方法

现场获取岩体结构面三维形貌对于边坡稳定性评价至关重要，受限于三维激光扫描仪等精密设备高昂的使用成本、繁琐的操作过程以及对测量对象的严苛要求，使其在工程现场难以被广泛应用，因此提出了一种基于轮廓曲线的岩体结构面三维粗糙度获取方法。以重构结构面与原始结构面的峰值抗剪强度相对误差是否小于5%为标准，采用Tatone提出的峰值剪切模型评估岩石结构面的剪切特性，以确定合理的采样间隔；在此基础上，通过轮廓曲线仪绘制结构面二维轮廓曲线，并根据图像数字化矩阵与实际长度的大小关系提取每条轮廓曲线的坐标数据；利用Griddata函数对已有数据进行空间插值生成重构的三维结构面，从而进行相关粗糙度研究。根据理论分析、直剪试验两方面检验，求得重构结构面与原始结构面的峰值抗剪强度相对误差均小于5%，满足工程应用要求。研究证明该方法能够准确地获取结构面三维粗糙度，具有操作简单、成本低廉、受测量环境影响小等优势，可为相关结构面粗糙度分析及抗剪强度研究提供借鉴。     

三维激光扫描装置设计与数据处理

三维激光扫描仪克服了传统的单点测量方式,可以方便地对实物进行复制建立立体模型。笔者简单介绍了三维激光扫描仪构造及其实现的原理,利用自行购买的激光雷达、相机和电控平台等部件搭建三维激光扫描平台,利用串口通讯实现对激光雷达、相机和电控平台等硬件控制,进一步完成三维激光扫描点云生成及图像获取,并对生成的点云进行了精度校正,最后基于特征点拼接多幅扫描图像并成功地实现了扫描点云和图像的匹配融合,其中点云精度和图像融合效果较好。     

煤矿巷道三维激光扫描关键技术及工程实践

智能化、无人化开采是煤炭行业发展的必然趋势,精准地质信息探测是当前智慧煤矿建设中的重点研发方向之一,其中巷道信息的精准探测和巷道三维模型的快速获取是地质透明化的重要数据来源。对比分析传统巷道建模方法及其优缺点,提出利用三维激光扫描重建技术构建高精度透明工作面巷道模型的技术思路。在分析煤矿井下工况环境长距离三维激光扫描面临的技术难题的基础上,研究三维激光扫描原理和空间点坐标计算方法,并提出透明工作面巷道三维激光扫描重建技术流程,其关键技术包括:三维激光扫描系统动态标定和坐标转换方法;点云预处理技术中基于统计滤波法的大尺度噪声滤波方法和基于移动最小二乘的小尺度噪声滤波算法;点云关键点提取与特征描述技术中SIFT特征检测算法和FPFH特征描述算法;点云配准技术中基于FPFH特征描述算法的粗配准技术和基于迭代最近点算法的精配准技术。以准格尔煤田唐家会煤矿某工作面为研究对象,利用自主研发的移动式三维激光扫描系统从三维激光扫描施工流程、巷道点云数据采集、边界轮廓线提取、巷道与工作面联合建模等方面进行实践应用。结果表明,提出的基于三维激光扫描技术的工作面巷道三维重建思路在技术上是可行的,能为复杂巷道的快速三维扫描、重建提供一条可行的技术路径。      

基于CT扫描的土石混合体三维数值网格的建立

根据CT扫描得到土石混合体切面图像信息,通过二值化和砾石边界识别技术提取砾石表面点云数据,应用逆向工程软件重构砾石的三维模型。编写APDL代码,在ANSYS中快速生成土石混合体的几何模型,借助ANSYS ICEM CFD强大、灵活的网格划分功能,对砾-土界面处网格进行加密,得到土石混合体的三维数值网格,采用接口程序,将数值网格导入FLAC3D中进行模拟计算。通过与无砾石模型计算结果的对比,说明了建立表征土石混合体结构特征的精细三维数值网格可以更加准确地描述土体,特别是砾-土界面的受力情况和变形特征,从而提高土石混合体数值模拟的精确度及可靠度。     

勘探线剖面三维坐标与剖面图二维坐标转换计算方法

探讨了地质勘探线剖面三维坐标与剖面图二维坐标相互转换方法及其实现过程,建立了数学模型,并通过计算实例进行了验证。主要作法是,根据剖面图的特性选择勘探线剖面地表迹线与勘探基线所在垂直面的交点为转换计算基准点(B),以勘探线剖面内过基准点(B)的水平直线(L)为旋转轴,将勘探线剖面旋转至水平位置;再以基准点(B)为旋转点,将勘探线剖面在水平面内旋转至水平直线(L)成东西向,建立剖面内空间要素旋转前后的关系式,实现三维坐标向二维坐标转换。按相反的操作过程,已知转换后剖面图上点的二维坐标,可以计算出剖面上对应点的三维空间坐标,实现二维坐标向三维坐标转换。     

Digital measurement of 2D and 3D cracks in sandstones through improved pseudo color image enhancement and 3D reconstruction method

An integrated approach of improved pseudo color image enhancement (IPCE) method and three-dimensional (3D) reconstruction technology is proposed. The evolution characteristics of two-dimensional (2D) and 3D spatial cracks in X-ray computed tomography (CT) images of sandstones subjected to triaxial compression with confining pressure of 10, 20, and 30 MPa are investigated. The equations of crack width, length, and dip angle are established based on the proposed digital damage ratio. Based on the pseudo color images, point cloud maps with roughness and spatial images of cracks are investigated. The numerical results show that this proposed method is effective to study and understand the fracturing properties of rocks.     

三维激光扫描技术在滑坡物理模型试验中的应用

大型滑坡物理模型试验中常采用高精度的特征点监测,缺少整体变形资料;而三维激光扫描技术可以高精度、快速、完整地扫描实物,获得海量的点云数据,构建实物的数字化模型,从而详细描述表面细部状况。将三维激光扫描技术引入到滑坡物理模型试验坡体表面整体变形监测中,通过数字仿真试验对点云数据4种变形测量方式进行了对比和评价,推导了点云数据单个扫描点的空间位置精度的评价模型,对点云密度进行了理论分析。通过滑坡物理模型试验实例,采用点云比较、重心法、点云叠加方法测量模型的整体变形和单个监测点的位移,对滑坡不同演化阶段变形特征进行了综合分析。研究表明:空间位置精度的评价模型、点云密度模型为三维激光扫描变形监测的测量成果评定,测量方案的优化设计提供了必要的理论基础。点云叠加、点云比较为面测量,可以获得整个模型坡面的变形和位移情况,测量模型的变形趋势和变形量级,重心法、拟合法则属于点测量,可以获得单个监测点准确的位移量。基于三维激光扫描技术坡面监测是结合点测量和面测量的优势,在保证高精度特征点监测同时,获得模型坡面的整体变形和位移。     

三维地质建模及可视化技术在固体矿产储量估算中的应用

将三维GIS技术、三维地质建模及可视化技术与固体矿产储量估算相结合,对于提高储量估算和管理的智能化和自动化水平,具有重要意义.文章提出了一种利用三维地质建模与可视化技术进行固体矿产储量估算的可行性方案.并提出了应用轮廓线进行三维矿体表面建模时尖灭与分支情况处理、带约束的三维矿体表面建模的解决方案.     

Accurate 3D surface measurement of mountain slopes through a fully automated image-based technique

In this paper an automated procedure for surface reconstruction that can be used for surveying and monitoring rock and ground slopes is presented. This method has been developed for geological and engineering applications, where accuracy and completeness are factors of primary importance for the final 3D model, which must provide a detailed metric survey and not only a visual reconstruction of the scene. The proposed procedure integrates two image matching techniques. The first one is used to automatically extract a set of tie points that are needed for computing the exterior orientation parameters of all images through a photogrammetric bundle adjustment. Such tie oints are also exploited to obtain a preliminary seed model that is then enriched based on Multi-photo Least Squares Matching. During this second stage, the surface model is improved in terms of point density and accuracy. Different strategies were implemented to successfully combine both techniques, along with some new improvements. The presented procedure has been tested in two different applications: geometric modelling of rock cliffs and evaluation of weathering of a ground slope. In both cases the obtained results presented accuracy sufficient for geological investigation. Moreover, outcomes were comparable to the ones from laser scanning surveying and other photogrammetric implementations.     

基于点云密度特征的滑坡位移监测方法

激光扫描仪对同一目标两次采集的点并不重合,无法通过点云的直接比较快速确定滑坡位移。考虑到单个点云位置的不确定性和区域点云密度的稳定性,将点云的密度作为滑坡表面变形的表征,提出了基于点云密度特征的滑坡位移监测方法。将离散的三维点云转化为二维的密度图像,再利用粒子图像测速技术分析位移前后两幅点云密度图像的相关性,从而计算栅格图像中各子集的相对位移值;当各子集的位移全部计算完成后,得到目标区域的平面位移场。室内块体移动试验表明该方法的计算精度受变形梯度的影响,在地表变化剧烈处会产生一定程度的误差,且子集相关性系数无法达到1。在黄藏寺滑坡的位移监测中,利用本方法识别出了边坡的变动区域,计算出了滑坡的平面位移场,直观地反映了滑坡表面变形状况,验证了该方法的实用性。     

Application of a long-range Terrestrial Laser Scanner to a detailed rockfall study at Vall de Núria (Eastern Pyrenees, Spain)

In this study we show the application of a long-range Terrestrial Laser Scanner (TLS) to a detailed rockfall study in a test zone at Vall de Núria, located in the Eastern Pyrenees. Data acquisition was carried out using TLS-Ilris3D, the new generation of reflector-less laser scanners with a high range, accuracy and velocity of measurements. Eight scans were performed at 3 stations to acquire coordinates of almost 4 million points. The results from the acquired data are a high accuracy Digital Elevation Model (DEM) and the reconstruction of the joint geometry. The former is used for inventory of rockfalls and for more accurate rockfall simulation (trajectories and velocities). The latter allows us to model the geometry and volume of the source area in recent rockfalls. Our findings suggest that TLS technology could be a tool of reference in rockfall studies in the near future.