陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陡崖山体溃屈失稳体应变速率测试方法，尤其涉及一种通过三维激光定期扫描对陡崖山体溃屈失稳部位的体应变速率进行监测的方法，属于地质灾害监测技术领域，广泛适用于陡崖山体溃屈失稳过程的监测。
【背景技术】
[0002]由于我国西南地区山高谷深，岩体变形破裂和破坏现象发育，危岩遍布，严重威胁下方人民生命财产安全。同时,岩壁高陡险峻,有些地方甚至近乎直立,这种近乎直立的山体通常称之为陡崖山体。现有的常规监测手段大多需要技术人员近距离靠近几乎直立的陡崖山体上布设仪器装置，有时甚至需在暴雨、夜间期间进行监测，难度很大。特别是当陡崖山体正处于变形失稳阶段，危险系数明显增加。
[0003]现有的非接触式仪器，如全站仪、RTK采取的是逐点数据采集方法，测量范围小，不能监测大范围的目标。现有的三维激光扫描技术作为较先进的手段，采用了安全距离之外全天候、非接触、高精度、大范围扫描目标的方式进行测量，直接采集目标体表面的三维数据，所采集的目标数据能达到一种原景重现的效果。因为其非接触测量的这个特点，决定了三维激光扫描技术可以应用于解决危险地段、环境或人员难以企及的特殊情况所遇到的测量和形变监测问题，具有传统测量方法难以完成的技术优势。
[0004]三维激光扫描目前已在斜坡形态的获取与变形监测中得到实践运用。主要缺点是:监测获得的数据仅反映宏观几何量，尚未与地质灾害中关键的岩体力学特性相结合，从而无法对失稳过程及失稳模式进行及时准确的判断，失稳模式决定了后续的防治措施。若失稳模式判断不清，防治方法相应选择也会不当，势必导致严重的后果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述不足，提供了一种体应变速率的监测方法，可以在陡崖山体底部溃屈失稳过程中获得及时可靠的监测结果。
[0006]本发明的目的以及解决其技术问题可以通过以下技术方案来实现。
[0007]依据本发明提出的陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法，所述方法包括:三维激光扫描、点云数据处理、三维地表网格模型建立和体积应变速率的计算。
[0008]具体技术方案如下:
[0009]第一步:定期扫描拍摄陡崖山体溃屈失稳部位，获得陡崖山体溃屈失稳部位表面三维地表坐标的点云数据；
[0010]扫描方式:三维激光扫描仪自动360度影像拍摄。具体过程:陡崖山体(I)周围现场踏勘后确定扫描范围(4)，在陡崖山体(I)对岸选择测站点并架设扫描仪器(3)进行扫描。扫描范围(4)为由于溃屈失稳崩落的碎石堆积体(2)上部山体溃屈失稳部位。
[0011]第二步:对第一步得到的点云数据进行预处理，建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型(5)，陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型(5)由多个表面网格组成；
[0012]预处理指的是将不符合实际地表形态的数据进行剔除处理，以及因未被识别而无点云数据的区域，利用附近点云数据，结合实际地表形态进行数据插值处理，使得地表网格
(5)趋于光滑与逼真。
[0013]第三步:计算陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，具体为:
[0014](I)建立X-Y平面为水平面的三维空间坐标系；
[0015](2)将所有表面网格(5)向X-Z平面或者Y-Z平面进行投影，分别得到对应的投影网格⑶;
[0016](3)计算以每个表面网格(5)为顶面，对应的投影网格(6)为底面的棱柱体的体积，并求和得到陡崖山体溃屈失稳部位体积；
[0017](4)根据不同扫描时间得到的陡崖山体溃屈失稳部位体积，以及扫描间隔计算得到陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，其中不同扫描时间计算陡崖山体溃屈失稳部位体积时采用的投影方法一致。
[0018]所述的建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型(5)的方法为栅格
[0019]法，或者利用Delaunay三角形网格的自动生成方法。
[0020]所述的陡崖山体溃屈失稳部位表面是I面临空，3面受周围山体约束，或者2面临空，2面受约束，或者3面临空，I面受约束的情况。
[0021]有益效果
[0022](I)由于本方法使用了三维激光扫描技术，可以全天候、远距离非接触、大范围、较高精度监测山体溃屈失稳过程，所以监测对象基本不受天气、时间、监测距离的限制。
[0023](2)由于本方法中的测量及后期数据处理可基本实现自动化，大幅度提高了测量的效率。
[0024](3)由于本方法中的应变速率为岩体的关键力学特性参数，有重要的力学意义，因此为下一步提出防治措施，甚至进行预警提供了有益的技术参考。
[0025]综上所述，本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的技术方法。
[0026]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，同时可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳的实施例，并配合附图，详细说明如下。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法三维激光扫描示意图；
[0028]图2为陡崖山体溃屈失稳三维示意图；
[0029]图3 (a)为陡崖山体溃屈失稳部位；
[0030]图3(b)为初次扫面失稳部位表面网格示意图；
[0031]图3(c)为多期扫描时，已发生变形的失稳部位表面网格示意图；
[0032]图4为图3(c)中发生变形的网格在平面上的投影；
[0033]图5为方法流程图。
[0034]1、陡崖山体，2、陡崖山体溃屈失稳时岩体因压裂扩容掉落下来的碎石堆积体，3、三维激光扫描仪，4、溃屈失稳部位，5、溃屈失稳部位表面网格，6、投影网格。
【具体实施方式】
[0035]为进一步描述本发明，下面结合附图及实施例对本发明陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法作进一步详细描述。
[0036]本发明提出一种陡崖山体溃屈失稳体变速率监测方法。第一步:定期扫描拍摄陡崖山体溃屈失稳部位(4)，获得陡崖山体溃屈失稳部位(4)表面三维地表坐标的点云数据。扫描方式为三维激光扫描仪自动360度影像拍摄。具体过程:陡崖山体(I)周围现场踏勘后确定扫描范围(4)，在陡崖山体(I)对岸选择测站点并架设扫描仪器(3)进行扫描。扫描范围(4)为由于溃屈失稳崩落的碎石堆积体(2)上部山体溃屈失稳部位。扫描为定期扫描，本实施例为每月扫描I次，当失稳破坏加剧时，即体积变形速率超过I立方厘米/天，应缩减至每小时扫描I次；第二步:对第一步得到的点云数据进行预处理，建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型，陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型由多个表面网格组成。预处理指的是将不符合实际地表形态的数据进行剔除处理，以及因未被识别而无点云数据的区域，利用附近点云数据，结合实际地表形态进行数据插值处理，使得地表网格趋于光滑与逼真。本实施例借助高清摄影图像帮助点云数据预处理；第三步:计算陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，具体为以下三个步骤:1、建立X-Y平面为水平面的三维空间坐标系；2、将陡崖山体溃屈失稳部分(4)表面网格(5)进行基于X-Z平面的投影，如图4所示，(5)为表面网格，将其向X-Z平面进行投影，得到对应的投影网格(6)，本实施例是2面临空，2面受周围山体约束；3、以每个表面网格(5)为顶面，对应的投影网格(6)为底面的棱柱体的体积，可求得棱柱的体积V，进而求和获得失稳部分总体积Σ V。根据不同期扫描获得的山体失稳体积变化Λ V = Σ V1- Σ V2及不同期间隔时间Λ t，可确定体积应变速率Δ V/ Δ t0
[0037]此外在第二步，建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型(5)的方法为栅格法，或者利用Delaunay三角形网格的自动生成方法。在第三步，陡崖山体溃屈失稳部分(4)表面是I面临空，3面受周围山体约束，或者2面临空，2面受约束，或者3面临空，I面受约束的情况。
【主权项】
1.陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法，其特征在于，包括下述步骤: 第一步:定期扫描拍摄陡崖山体溃屈失稳部位，获得陡崖山体溃屈失稳部位表面三维地表坐标的点云数据； 第二步:对第一步得到的点云数据进行预处理，建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型，陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型由多个表面网格组成； 第三步:计算陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，具体为: 3.1、建立X-Y平面为水平面的三维空间坐标系； 3.2、将所有表面网格向X-Z平面或者Y-Z平面进行投影，分别得到对应的投影网格； 3.3、计算以每个表面网格为顶面，对应的投影网格为底面的棱柱体的体积，并求和得到陡崖山体溃屈失稳部位体积； 3.4、根据不同扫描时间得到的陡崖山体溃屈失稳部位体积，以及扫描间隔计算得到陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，其中不同扫描时间计算陡崖山体溃屈失稳部位体积时采用的投影方法一致。
2.如权利要求1所述的陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法，其特征在于: 所述的建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型的方法为栅格法，或者利用Delaunay三角形网格的自动生成方法。
3.如权利要求1所述的陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法，其特征在于: 所述的陡崖山体溃屈失稳部位表面是I面临空，3面受周围山体约束，或者2面临空，2面受约束，或者3面临空，I面受约束的情况。
【专利摘要】本发明涉及一种陡崖山体溃屈失稳体应变速率监测方法，定期扫描获得陡崖山体溃屈失稳部位表面三维地表坐标的点云数据；利用点云数据建立陡崖山体溃屈失稳部位三维地表网格模型；计算陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率，具体为：建立X-Y平面为水平面的三维空间坐标系；将所有表面网格向X-Z平面或者Y-Z平面进行投影，分别得到对应的投影网格；计算以每个表面网格为顶面，对应的投影网格为底面的棱柱体的体积，并求和得到陡崖山体溃屈失稳部位体积；根据不同扫描时间得到的陡崖山体溃屈失稳部位体积，以及扫描间隔计算得到陡崖山体溃屈失稳部位的体积应变速率。
【IPC分类】G01B11-16
【公开号】CN104655037
【申请号】CN201510065413
【发明人】殷跃平, 王文沛, 李滨, 闫金凯, 黄波林
【申请人】中国地质环境监测院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月8日