一种结构面制备方法及系统与流程

本公开属于工程地质和岩土工程领域，尤其涉及一种结构面制备方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

结构面是指具有极低的或没有抗拉强度的不连续面。结构面包括一切地质分离面。不同的结构面，其力学性质不同、规模大小不一。

结构面的存在，使岩体显示构造上的不连续性和不均匀性。岩体的力学性质不仅取决于岩石本身力学性质，在很大程度上取决于结构面力学性质和结构面的空间组合情况。结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度，在研究结构面抗剪强度的尺寸效应时，由于原岩结构面取样困难，通常需制作不同尺寸的结构面模型代替原岩结构面进行抗剪强度试验研究。

目前国内外学者通过相似表面制作结构面模型，但发明人发现由于原岩结构面成因的复杂性和结构面表面形态的不确定性，使得结构面模型难以完全模拟真实的原岩结构面，导致结构面模型的力学实验结果不完全可信。

技术实现要素：

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供了一种结构面制备方法，其实现了虚拟数据实物化，具有较好的操作性和实用性。

本公开的一种结构面制备方法，包括：

获取目标区域的点云数据和目标区域图像；

利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比，判断出目标区域中所有潜在结构面；

获取所有潜在结构面的相关参数，并建立结构面三维数字化模型；

将结构面三维数字化模型导入3d打印机，完成结构面模型打印。

在一个或多个实施例中，在获取目标区域的点云数据和目标区域图像之前，还包括：

在目标区域均匀摆设目标标靶，做监测特征点使用。

在一个或多个实施例中，利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比之前，还包括：

对获得的点云数据进行整体拼接、坐标转换以及剔除点云数据噪点，最终保留目标区域精密点云数据。

在一个或多个实施例中，对获得的点云数据进行坐标转换的过程包括：

在目标区域选取至少6个稳定控制点，找出这6个稳定控制点在点云扫描坐标系下的坐标；

测量6个稳定控制点大地坐标系下的坐标并导入点云数据系统作为参考基准；

将每个测量点的点云数据统一转换成大地坐标系，用于实现目标区域的三维空间形体重建。

在一个或多个实施例中，利用三维激光扫描系统对目标区域进行整体扫描，获得点云数据。

在一个或多个实施例中，三维激光扫描系统扫描目标区域时，前后两次扫描的重叠部分占整个图像的20～30％。

如果前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过大，则采用三维激光扫描系统的数量会增多，浪费三维激光扫描系统资源；若前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过小，则会出现扫描盲区，从而影响判断目标区域中潜在结构面的准确性，不能获取所有潜在结构面。

在一个或多个实施例中，将点云数据导入cad软件，进而测量出所有潜在结构面的相关参数。

在一个或多个实施例中，结构面的相关参数包括产状、长度、间距和连通率。

本公开还提供了一种结构面制备系统，其实现了虚拟数据实物化，具有较好的操作性和实用性，同时无需野外结构面取样，保证了岩体结构的完整性。

本公开的一种结构面制备系统，包括：

处理器，其被配置为以下步骤：

获取目标区域的点云数据和目标区域图像；

利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比，判断出目标区域中所有潜在结构面；

获取所有潜在结构面的相关参数，并建立结构面三维数字化模型；

3d打印机，其被配置为：

接收结构面三维数字化模型数据，打印出结构面模型。

在一个或多个实施例中，一种结构面制备系统，还包括：

三维激光扫描系统，其与处理器相连，被配置为对目标区域进行整体扫描来获得点云数据。

在一个或多个实施例中，所述处理器，还被配置为：

获取目标区域的点云数据和目标区域图像之前，在目标区域均匀摆设目标标靶，做监测特征点使用。

在一个或多个实施例中，所述处理器，还被配置为：

利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比之前，对获得的点云数据进行整体拼接、坐标转换以及剔除点云数据噪点，最终保留目标区域精密点云数据。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开通过获取目标区域的点云数据，直接导入相应的软件处理，具有较好的操作性和实用，解决了现有岩土模型结构面制作需野外结构面采样、取样困难、室内试验周期长且贵等不足的问题。

(2)本公开还利用了三维激光扫描技术获取目标区域的点云数据，进而结合3d打印技术，实现了虚拟数据实物化，同时不需进行原位结构面取样，保证了岩体结构的完整性，具有较强的科学研究价值和工程实践意义。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的一种结构面制备方法的一实施例流程图。

图2是本公开的一种结构面制备方法的另一实施例流程图。

图3是本公开的一种结构面制备系统的实施例结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是本公开的一种结构面制备方法的一实施例流程图。

如图1所示，本实施例的提供的一种结构面制备方法，包括：

s110：获取目标区域的点云数据和目标区域图像。

在目标区域的预设区域安置三维激光扫描系统，避免出现扫描盲区，且适合安置仪器，对目标区域整体精细扫描，获得目标区域的点云数据。

在具体实施中，为了提高数据采集的精度和效率，三维激光扫描系统可选用farofocus3dx330三维激光扫描仪。该三维激光扫描仪的主要特点有：扫描速度快，扫描范围大，扫描最远距离可达330m；扫描精度高，产生的噪点少；可通过无线局域网远程控制启动、停止、查看或下载扫描。

需要说明的是，根据实际需求，三维激光扫描系统也可采用其他型号的三维激光扫描仪。

在具体实施中，三维激光扫描系统扫描目标区域时，前后两次扫描的重叠部分占整个图像的20～30％。

如果前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过大，则采用三维激光扫描系统的数量会增多，浪费三维激光扫描系统资源；若前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过小，则会出现扫描盲区，从而影响判断目标区域中潜在结构面的准确性，不能获取所有潜在结构面。

具体地，利用数码相机拍摄目标区域，可获得目标区域图像。

s120：利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比，判断出目标区域中所有潜在结构面。

具体地，根据目标区域图像中出露的结构面，找到相应位置的点云数据，根据相应位置点云数据的明暗度和颜色，判断出目标区域中所有的潜在结构面。

s130：获取所有潜在结构面的相关参数，并建立结构面三维数字化模型。

将点云数据导入cad软件，进而测量出所有潜在结构面的相关参数。

其中，结构面的相关参数包括产状、长度、间距和连通率。

s140：将结构面三维数字化模型导入3d打印机，完成结构面模型打印。

根据目标区域精密点云数据及测量的结构面相关参数建立结构面三维数字化模型，结构面三维数字化模型可在导入3d打印机之前建立，也可在之后建立。

具体地，将结构面三维数字化模型以.stl的文件格式导入3d打印机，在控制软件中打开结构面三维数字化模型，根据结构面模型尺寸和模型支撑表面情况，调整最佳打印位置。利用相似材料，3d打印机对结构面模型进行分层加工、叠加成型，结构面模型打印完成。

图2是本公开的一种结构面制备方法的另一实施例流程图。

如图2所示，本实施例的提供的一种结构面制备方法，包括：

s210：在目标区域均匀摆设目标标靶，做监测特征点使用。

在目标区域均匀地摆设目标标靶，做监测特征点使用，并且保证不同时期都可以精确扫描到监测标靶。

其中，监测特征点的作用是：根据不同时期的同一监测特征点的坐标变化状况，判断该监测特征点能否作为后面的稳定控制点进行大地坐标转换。

s220：获取目标区域的点云数据和目标区域图像。

在目标区域的预设区域安置三维激光扫描系统，避免出现扫描盲区，且适合安置仪器，对目标区域整体精细扫描，获得目标区域的点云数据。

在具体实施中，为了提高数据采集的精度和效率，三维激光扫描系统可选用farofocus3dx330三维激光扫描仪。该三维激光扫描仪的主要特点有：扫描速度快，扫描范围大，扫描最远距离可达330m；扫描精度高，产生的噪点少；可通过无线局域网远程控制启动、停止、查看或下载扫描。

需要说明的是，根据实际需求，三维激光扫描系统也可采用其他型号的三维激光扫描仪。

在具体实施中，三维激光扫描系统扫描目标区域时，前后两次扫描的重叠部分占整个图像的20～30％。

如果前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过大，则采用三维激光扫描系统的数量会增多，浪费三维激光扫描系统资源；若前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过小，则会出现扫描盲区，从而影响判断目标区域中潜在结构面的准确性，不能获取所有潜在结构面。

具体地，利用数码相机拍摄目标区域，可获得目标区域图像。

s230：对获得的点云数据进行整体拼接、坐标转换以及剔除点云数据噪点，最终保留目标区域精密点云数据。

具体地，对获得的点云数据进行坐标转换的过程中，在目标区域选取至少6个稳定控制点。

在本实施例中，以选取6个稳定控制点为例：

在目标区域选取6个稳定控制点，找出这6个稳定控制点在点云扫描坐标系下的坐标；

测量这6个稳定控制点大地坐标系下的坐标并导入点云数据系统作为参考基准；

将每个测量点的点云数据统一转换成大地坐标系，用于实现目标区域的三维空间形体重建。

在剔除点云数据噪点的过程中，根据噪点产生的原因采用不同的方法去除点云数据中的噪点，保留目标区域的精密点云数据。

s240：利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比，判断出目标区域中所有潜在结构面。

具体地，根据目标区域图像中出露的结构面，找到相应位置的点云数据，根据相应位置点云数据的明暗度和颜色，判断出目标区域中所有的潜在结构面。

s250：获取所有潜在结构面的相关参数，并建立结构面三维数字化模型。

将点云数据导入cad软件，进而测量出所有潜在结构面的相关参数。

其中，结构面的相关参数包括产状、长度、间距和连通率。

s260：将结构面三维数字化模型导入3d打印机，完成结构面模型打印。

根据目标区域精密点云数据及测量的结构面相关参数建立结构面三维数字化模型，结构面三维数字化模型可在导入3d打印机之前建立，也可在之后建立。

具体地，将结构面三维数字化模型以.stl的文件格式导入3d打印机，在控制软件中打开结构面三维数字化模型，根据结构面模型尺寸和模型支撑表面情况，调整最佳打印位置。利用相似材料，3d打印机对结构面模型进行分层加工、叠加成型，结构面模型打印完成。

图3是本公开的一种结构面制备系统的实施例结构示意图。

如图3所示，本实施例的一种结构面制备系统，包括：

(1)处理器，其被配置为以下步骤：

获取目标区域的点云数据和目标区域图像；

利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比，判断出目标区域中所有潜在结构面；

获取所有潜在结构面的相关参数，并建立结构面三维数字化模型；

(2)3d打印机，其被配置为：

接收结构面三维数字化模型数据，打印出结构面模型。

在一个或多个实施例中，结构面制备系统，还包括：

(3)三维激光扫描系统，其与处理器相连，被配置为对目标区域进行整体扫描来获得点云数据。

在具体实施中，为了提高数据采集的精度和效率，三维激光扫描系统可选用farofocus3dx330三维激光扫描仪。该三维激光扫描仪的主要特点有：扫描速度快，扫描范围大，扫描最远距离可达330m；扫描精度高，产生的噪点少；可通过无线局域网远程控制启动、停止、查看或下载扫描。

需要说明的是，根据实际需求，三维激光扫描系统也可采用其他型号的三维激光扫描仪。

在具体实施中，三维激光扫描系统扫描目标区域时，前后两次扫描的重叠部分占整个图像的20～30％。

如果前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过大，则采用三维激光扫描系统的数量会增多，浪费三维激光扫描系统资源；若前后两次扫描的重叠部分占整个图像的比例过小，则会出现扫描盲区，从而影响判断目标区域中潜在结构面的准确性，不能获取所有潜在结构面。

在一个或多个实施例中，所述处理器，还被配置为：

获取目标区域的点云数据和目标区域图像之前，在目标区域均匀摆设目标标靶，做监测特征点使用。

在一个或多个实施例中，所述处理器，还被配置为：

利用目标区域的点云数据的明暗度和颜色信息与目标区域图像进行对比之前，对获得的点云数据进行整体拼接、坐标转换以及剔除点云数据噪点，最终保留目标区域精密点云数据。

具体地，对获得的点云数据进行坐标转换的过程中，在目标区域选取至少6个稳定控制点。

在本实施例中，以选取6个稳定控制点为例：

在目标区域选取6个稳定控制点，找出这6个稳定控制点在点云扫描坐标系下的坐标；

测量这6个稳定控制点大地坐标系下的坐标并导入点云数据系统作为参考基准；

将每个测量点的点云数据统一转换成大地坐标系，用于实现目标区域的三维空间形体重建。

在剔除点云数据噪点的过程中，根据噪点产生的原因采用不同的方法去除点云数据中的噪点，保留目标区域的精密点云数据。

本公开采用的三维激光扫描技术是非接触式高速激光测量方式，能够快速的获得被测目标的三维空间数据和影像数据，且三维激光扫描测量不受时间、空间和环境的影响，非接触式扫描，不会破坏岩体结构，弥补了传统地质测量的缺陷。同时采集的点云数据可以直接导入cad或ansys等专业软件中分析计算。另外，3d打印技术是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用一些材料，通过逐层打印的方式来构造物体，实现虚拟数据实物化。

本公开通过获取目标区域的点云数据，直接导入相应的软件处理，具有较好的操作性和实用，解决了现有岩土模型结构面制作需野外结构面采样、取样困难、室内试验周期长且贵等不足的问题。

本公开还利用了三维激光扫描技术获取目标区域的点云数据，进而结合3d打印技术，实现了虚拟数据实物化，同时不需进行原位结构面取样，保证了岩体结构的完整性，具有较强的科学研究价值和工程实践意义。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开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。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。