一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法与流程

本发明涉及地质建模技术领域，特别涉及一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法。

背景技术：

岩质边坡是由许多不同构造、产状和规模的结构面(断层面、节理面、裂隙面等)切割而形成的复杂结构体系，它的复杂性表现在岩体具有非连续性、非均质性、各向异性、非弹性等特征。结构面与临空面间相互切割，在岩体内部形成大小不等、形态各异的块体，在一定程度上控制着边坡的稳定性。具体表现在两个方面，其一，大尺寸结构面与临空面间形成的确定性块体在重力及外界扰动情况下发生滑动失稳；其二，数量众多、尺寸较小的结构面表现出随机性，相互切割形成的块体也具有随机性，其数量、尺寸及分布是影响岩体力学性质的重要因素。块体稳定性的准确度由地质模型的精细程度决定，但由于块体识别方法的限制，二者的结合仍是制约块体理论发展的瓶颈。因此，对边坡岩体地表形态及其内部地质结构的准确把握，实现岩体结构的精细化表征，在此基础上实现任意结构面间的块体识别，是块体理论所面临的主要问题。此问题的解决可为块体理论提供发展空间，为岩质边坡工程提供直观准确的稳定性分析方法，同时也是非连续岩体力学的基础性研究。

几何建模是各数值分析方法不可回避的问题，也是一项最基本的研究。不同的数值分析方法有着适用于各自分析特点的建模方式。然而，由于存在地质建模、网格划分等前期处理工作复杂，工作量大甚至无法实现等问题，目前国内外的各种数值计算分析中，往往迫不得已采用简化的方式建立岩体地质模型，而对于岩体工程临空面复杂形态和内部结构面情况反映较少，这必定对数值计算效果产生一定影响，简化数值计算前处理的做法是一个值得研究的重要问题。岩体建模方法未完全与数值模拟很好的结合起来，尤其在块体理论分析中，急需一种快速精细的建模方法及与其相适应的块体识别方法，将现场测量与块体识别相结合，进而将块体理论这一数值分析方法的价值发挥出来。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，用以解决现有技术中存在的问题。

一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，该方法包括：

利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息；

采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元；

利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布；

采用结构面将与其相交的体单元完全切割；

将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。

优选地，步骤利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息具体包括：

利用激光扫描技术对岩质边坡扫描后获得临空面的点云数据，通过i-sitestudio软件将所述点云数据转换为所述三角单元网格，并以dxf文件输出；

同时从所述点云数据中提取每个结构面上三个特征点的坐标信息，通过三点确定平面方程，从而获得结构面的展布信息，并以txt文件输出。

优选地，步骤采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元具体包括：

(a)设计块体数据存储格式，两点组成的边被存储在多边形类的动态数组中，多边形被存储在块体类的动态数组中；

(b)以所述dxf文件中的acdbface为关键词读取所述dxf文件中的点坐标信息，将其放入所设计的多边形类的动态数组中；

(c)将三角单元网格转换为体单元，选取一水平面z＝z0，令三角单元网格向此水平面投影组成体单元，原三角单元网格中一个三角单元的三点坐标分别为a(xa，ya，za)，b(xb，yb，zb)，c(xc，yc，zc)，则投影点的坐标分别为a’(xa，ya，z0)，b’(xb，yb，z0)，c’(xc，yc，z0)，原三角单元、投影面及投影所产生的三个侧面组成体单元。

优选地，步骤利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布具体包括：

(a)对结构面采用圆盘形式，采用倾向β、α、半径r及圆心的坐标进行描述，其表达式如下：

其中，p＝sinαcosβ，q＝-sinαsinβ，t＝cosα，当半径设置为无穷大时结构面贯通；

(b)采用可变模糊聚类迭代模型进行结构面的优势组划分，首先，确定岩体结构面优势组划分的模糊聚类循环迭代模型；其次，采用梯度下降法循环迭代求解最优模糊聚类矩阵与聚类中心特征规格化矩阵；最后，利用类别特征值运用可变模糊理论的判别准则判断每条岩体结构面的归属类别，实现对结构面的分组，基于此，判断每组结构面的分布规律，通过蒙特卡洛进行结构面三维网络模拟，从而生成随机结构面信息。

优选地，采用结构面将与其相交的体单元完全切割具体包括：

(a)结构面与块体的相交性判断

1)设置两个长方体分别用以包裹块体和结构面，当两长方体不存在交集时，则结构面与块体不相交；

2)结构面所在平面表达式为式：

px+qy+tz+s＝0(2)

令块体顶点坐标为(xj，yj，zj)，其中j＝1，2，3……n，n为块体顶点数量，若j，k＝1，2，3……n，且j≠k时(3)式均成立，则两者不相交；

(pxj+qyj+tzj+s)·(pxk+qyk+tzk+s)≥0(3)

3)当上述1)和2)两方法均不能确定块体和结构面是否相交时，进一步精确判断：求解结构面所在平面与块体各边的交线，将交线组合即成为一个新的面，即结构面对块体切口，判断结构面圆盘与切口多边形关系，若两者相交则块体与结构面相交；

(b)平面对块体的切割

平面对块体的切割就是平面分别对组成块体的多边形集合进行切割，最后以面为单位重新组合为两个子块体，与结构面相交的块体其内部面与结构面位置关系存在三种情况：

①多边形在平面以上，包括以边或点的方式与平面接触的情况；②多边形在平面以下，包括以边或点的方式与平面接触的情况；③多边形的顶点分布在平面两侧；

在平面对多边形的切割计算中，①类多边形完整的放入集合w中；②类多边形完整的放入集合u中；③类多边形被切割为①、②类多边形后再分别放入w集合u中，平面对块体切割后会形成一个新的多边形，即切口，这个新多边形是两个集合共有的部分，应该分别放入两个集合中，切割结束后，根据多面体封闭性原则，分别对w、u两个集合内的多边形进行整合，得到的块体即被分割后的块体；

(c)所有结构面对块体系统的切割流程

结构面把与其接触的块体一分为二，而与其不接触的块体保持原来的状态，开始时并未对其进行网格划分时，块体数为1，依次加入结构面，每添加一个结构面，遍历一次现存的块体，判断块体是否与结构面相交，如果相交就进行切割，把新形成的块体放入块体数据链的尾端，删除母体，继续判断下一块体，不相交则直接进入下一块体的判断。

优选地，步骤将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别具体包括：

(a)体单元的合并方法

块体是由面定义的，所以两个块体的合并就是把两个块体的所有面放到一起进行整合，基本原则是，属于不同块体，在同一平面且拥有交集的两个面之间进行合并，其他面保持不变，根据两个面的方向是否相同，可以分为同向面的合并和异向面的合并两种情况：

1)异向两面的合并

同一平面内两多边形相交，以每一个多边形的边为界，均会把另一个多边形分成内外两部分，且分割后边的方向该保持不变，两个面i和ii相交，i的边被分成ii内部分和ii外部分，分别以集合iiii和iiio表示，同样ii的两部分用集合iiii和iiio表示，令集合li＝iiio+iiii，集合lii＝iiii+iiio，根据多边形的封闭性和有向性，分别在li和lii内对边进行整合，得到的若干个多边形就是合并后的多边形；

2)同向两面的合并

①求出一个多边形各边与另一多边形各边的交点，交点把所在的线段分成若干份，每份的方向保持不变；

②寻找两个多边形中重合的边，并且去除，剩下的边组成新的多边形，在新的多边形内部进行边的整合，首尾相接且共线的两个边进行加和形成新的边；

(b)块体合并流程

按照虚拟面的顺序，依次寻找出由每个虚拟结构面形成的块体，然后在其中寻找可以合并的块体进行合并，两个块体位于虚拟结构面的两侧，并且有面的交集，这样的两个块体要进行合并。

本发明提供的一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，包括如下步骤：(1)利用激光扫描技术获取边坡临空面的三角单元网格及结构面几何参数；(2)采用投影法将三角面单元转化为体单元；(3)利用三维网络模拟技术实现结构面的空间展布；(4)利用结构面所在平面将与其相交的体单元完全切割；(5)将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致结构面之间的块体合并，实现块体的识别。本发明将现场测量的数据与块体识别相结合，精度高，速度快，识别出的块体形态及数量不受限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法的流程图；

图2为块体几何数据组织的示意图；

图3为使用投影法建立体单元的示意图；

图4为圆盘状的结构面示意图；

图5为结构面对块体切割示意图；

图6为异向面合并示意图；

图7为同向面合并示意图；

图8为块体合并示意图；

图9为获取的临空面三角单元网格示意图；

图10为使用投影法建立的岩体模型示意图；

图11为使用结构面切割的单元块体示意图；

图12为块体合并后的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开了一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，该方法包括：

步骤100，利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息。

具体地，利用激光扫描技术对岩质边坡扫描后获得临空面的点云数据，通过i-sitestudio软件将所述点云数据转换为所述三角单元网格，并以dxf文件输出；

同时从所述点云数据中提取每个结构面上三个特征点的坐标信息，通过三点确定平面方程，从而获得结构面的展布信息，并以txt文件输出。

步骤200，采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元。

具体地，该步骤包括：(a)设计块体数据存储格式。无论岩体环境多么复杂，块体的识别只是空间几何拓扑问题，是块体几何数据间的运算。本发明采用图2所示的几何数据存储格式。两点组成的边被存储在多边形类的动态数组中，多边形被存储在块体类的动态数组中。这样，所有数据的存储均是动态的，块体可以不受数量限制的添加面，面可以不受数量限制的添加边。这种数据格式存储下的块体，其边与面的方向很容易判断；

(b)以所述dxf文件中的acdbface为关键词读取所述dxf文件中的点坐标信息，将其放入所设计的多边形类的动态数组中；

(c)将三角单元网格转换为体单元。如图3所示，选取一水平面z＝z0。令三角单元网格向此水平面投影组成体单元。原三角单元网格中一个三角单元的三点坐标分别为a(xa，ya，za)，b(xb，yb，zb)，c(xc，yc，zc)，则投影点的坐标分别为a’(xa，ya，z0)，b’(xb，yb，z0)，c’(xc，yc，z0)。原三角单元、投影面及投影所产生的三个侧面组成体单元。

步骤300，利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布。

具体地，该步骤包括：(a)对结构面采用圆盘假定如图4所示，采用倾向β、倾角α、半径r及圆心的坐标进行描述，其表达式如下：

其中，p＝sinαcosβ，q＝-sinαsinβ，t＝cosα，当半径设置为无穷大时结构面贯通。

(b)采用可变模糊聚类迭代模型进行结构面的优势组划分。首先，确定岩体结构面优势组划分的模糊聚类循环迭代模型；其次，采用梯度下降法循环迭代求解最优模糊聚类矩阵与聚类中心特征规格化矩阵；最后，利用类别特征值运用可变模糊理论的判别准则判断每条岩体结构面的归属类别，实现对结构面的分组。基于此，判断每组结构面的分布规律，通过蒙特卡洛进行结构面三维网络模拟，从而生成随机结构面信息。

步骤400，采用结构面将与其相交的体单元完全切割。

该步骤具体包括：(a)结构面与块体的相交性判断。

1)设置两个长方体分别用以包裹块体和结构面，当两长方体不存在交集时，则结构面与块体不相交。

2)结构面所在平面表达式为式：

px+qy+tz+s＝0(2)

令块体顶点坐标为(xj，yj，zj)，其中j＝1，2，3……n，n为块体顶点数量。若j，k＝1，2，3……n，且j≠k时(3)式均成立，则两者不相交。

(pxj+qyj+tzj+s)·(pxk+qyk+tzk+s)≥0(3)

3)当上述两方法均不能确定块体和结构面是否相交时，进一步精确判断。求解结构面所在平面与块体各边的交线，将交线组合即成为一个新的面，即结构面对块体切口。判断结构面圆盘与切口多边形关系，若两者相交则块体与结构面相交。

(b)平面对块体的切割。

平面对块体的切割就是平面分别对组成块体的多边形集合进行切割，最后以面为单位重新组合为两个子块体。与结构面相交的块体其内部面与结构面位置关系存在三种情况，以为5图为例说明块体的分类：

①多边形在平面以上，包括以边或点的方式与平面接触的情况。如图5中abcd。②多边形在平面以下，包括以边或点的方式与平面接触的情况。如图5中efgh。③多边形的顶点分布在平面两侧。如图5中adfg、abhg、cbhe及dcef。

在平面对多边形的切割计算中，①类多边形完整的放入集合w中；②类多边形完整的放入集合u中；③类多边形被切割为①、②类多边形后再分别放入w集合u中。平面对块体切割后会形成一个新的多边形(即切口)，这个新多边形是两个集合共有的部分，应该分别放入两个集合中。切割结束后，根据多面体封闭性原则，分别对w、u两个集合内的多边形进行整合，得到的块体即被分割后的块体，如图5块体被平面切割成上下两个子块体。

平面对块体的切割最终要落实到对多边形的切割，以图5中的多边形cbhe为例说明平面对多边形的切割方法。

(1)同多边形的分类，根据与平面的位置，多边形的边也可以分成三类：①在平面以上(cb)；②在平面以下(he)；③与平面有交点，但交点不是边的端点(ec、bh)。

(2)①类边放到集合m中，②类边放到集合n中，③类边分割后归类再分别放入m、n中，图中ec分割为el(放入n)和lc(放入m)。平面与多边形的交线(il)，放入m、n两个集合中。

(3)根据多边形封闭性原则，分别对m、n两个集合内的边进行整合，得到切割后的多边形。

(c)所有结构面对块体系统的切割流程

结构面把与其接触的块体一分为二，而与其不接触的块体保持原来的状态。程序之初，并未对其进行网格划分时，块体数为1。依次加入结构面，每添加一个结构面，遍历一次现存的块体，判断块体是否与结构面相交，如果相交就进行切割，把新形成的块体放入块体数据链的尾端，删除母体，继续判断下一块体。不相交则直接进入下一块体的判断。

步骤500，将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。

(a)体单元的合并方法

体单元间的合并实质就是块体间的合并。块体是由面定义的，所以两个块体的合并就是把两个块体的所有面放到一起进行整合。基本原则是，属于不同块体，在同一平面且拥有交集的两个面之间进行合并，其他面保持不变。根据两个面的方向是否相同，可以分为同向面的合并和异向面的合并两种情况。

1)异向两面的合并

图6中，两个面的方向相反，如a所示，块体合并后(表示有方向的面)将变为面，面变为面，阴影部分是两个面的交集，合并后消失，如b所示。异向两面合并的算法可以简单的做如下阐述：

同一平面内两多边形相交，以每一个多边形的边为界，均会把另一个多边形分成内外两部分，且分割后边的方向该保持不变。两个面i和ii相交，i的边被分成ii内部分和ii外部分，分别以集合iiii和iiio表示。同样ii的两部分用集合iiii和iiio表示。令集合li＝iiio+iiii，集合lii＝iiii+iiio。根据多边形的封闭性和有向性，分别在li和lii内对边进行整合，得到的若干个多边形就是合并后的多边形。

值得说明的是，在块体合并中，存在如图6中c和d的情况，在c中，li、lii整合后并不是一个多边形。而d中，li、lii中有一个是空集。

2)同向两面的合并

如图7所示，两个块体合并后，如a和b所示，同向并且有交线的两个面和合并为一个面具体算法如下：

①求出一个多边形各边与另一多边形各边的交点，交点把所在的线段分成若干份，每份的方向保持不变。如图所示，bc与ef相交于e点，e点分bc为be和ec，ef保持不变。

②寻找两个多边形中重合的边，并且去除。剩下的边组成新的多边形，在新的多边形内部进行边的整合，首尾相接且共线的两个边进行加和形成新的边，如图

(b)块体合并流程。

投影产生的单元侧面并不真实存在，所以最后要去除这些单元面，这样就导致了块体合并，形成一些复杂的大的块体，也就是由真实结构面切割而形成的块体。

只要两个相邻的块体有公共面，并且这个公共面是由虚拟结构面切割而成，那么这两个小块体就属于同一个块体。以平面图8为例说明，2块拥有一个面，并且这个面在虚拟的网格上，所以1，2块合并，同理2，3小块体，2，4小块体都可以合并，即这个大块体由1，2，3，4小块体组合而成。

算法的实现，按照虚拟面的顺序，依次寻找出由每个虚拟结构面形成的块体，然后在其中寻找可以合并的块体进行合并。两个块体位于虚拟结构面的两侧，并且有面的交集，这样的两个块体要进行合并。

下面结合具体的实验数据对本发明的实施例进行详细说明：

选取一岩质边坡工程为例进行说明，具体实施过程如下。

(1)选取一边坡工程，利用激光扫描技术获取边坡临空面的三角单元网格，将其以dxf格式存储，存储格式如表1所示。采用vc++提供的函数

myfl.readstring(strtemp)进行逐点读取，然后转换为本发明面单元格式。如图9，此实例共获取三角单元3191个。

表1面单元数据存储格式

(2)采用投影法将三角面单元转化为体单元。选择一平面，将所有三角单元向此平面投影，每个三角单元和其投影所围成的空间即为体单元，所有提单元组边坡的体模型，如图10所示。将所有体单元采用动态类cobarray存储，此类存储数量不受限制。

(3)利用三维网络模拟技术实现结构面的空间展布。此例在临空面上提取的确定性结构面信息见表2，随机结构面信息见表3。

表2确定性结构面参数

表3随机结构面模拟参数

(4)采用结构面将与其相交的体单元完全切割。依次向体单元组成的模型中添加上述结构面，每添加一个结构面，均判断与所有单元的是否相交，若相交则采用结构面平面将单元切割为两部分。待所有结构面添加完成后将原3191个体单元切割为31611个单元块，见图11为结构面对单元块体的切割。

(5)融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。面单元投影产生体单元，体单元的四个侧面在模型中并不存在，当切割计算结束后，将体单元四个侧面进行消隐，导致相邻的单元之间融合，从而实现被结构面分割的区域内块体间相互融合，实现了块体的识别。如图12所示，为单元融合后所形成的块体群，结构面将边坡岩体模型共切割形成151个块体。至此实现了有限结构面间的块体识别。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。