一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法与流程

本发明涉及边坡数值模拟三维建模领域，具体涉及一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法。

背景技术：

1、三维数值模拟在评估地质灾害影响范围方面具有重要意义。通过模拟边坡的稳定性和变形情况，可以预测潜在的滑坡、崩塌或泥石流等地质灾害的发生概率和影响范围。这对于地质灾害的防范和应急管理具有重要意义。在三维数值模拟中，前处理建模是非常重要的一步，它涉及到收集和处理数据，建立地质模型等工作。一个准确、全面、高精度的前处理建模可以为后续的数值模拟提供可靠的基础，影响着模拟结果的准确性和可信度。前处理作为数值模拟的重要一环，模型质量对模拟结果有很大影响。一般的三维数值模拟前处理建模有以下流程：1)数据收集与处理；2)地质模型建立；3)网格生成。常规的建模流程中“数据收集与处理”常常使用等高线作为建立边坡的地质模型的原始数据，此方式建立的三维模型精度低，缺少细节，完全无法满足高精度的数值模拟计算；使用无人机获取数据建立的倾斜模型只是表面模型，包含植被等大量非地面数据，无法直接参与数值模拟计算，也无法表达被植被遮挡部分的地形情况；目前大部分建模使用的地下数据为钻孔数据，并通过插值算法填充钻孔间的地层数据，当钻孔间距过大时，孔间的补充信息可能与实际情况存在差异，影响模型精度。“地质模型建立”普通方法建立的地质模型难以反映孤立块石、凹陷腔等特征形状，影响后续模拟计算精度。“网格生成”过程中常规方法生成的网格尺寸偏大会造成精度不足的问题，降低网格尺寸提高精度后又存在计算量过大的问题；同时常规方法往往缺乏内部结构面数据，无法反映真实的岩体条件，进而影响模拟计算精度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是边坡数值模拟三维建模精度低、植被影响大、岩石特征还原度低、岩石体积测算准确性差以及对裂缝及拉陷还原性差的问题，目的在于提供一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，能够综合应用无人机贴近摄影、机载lidar、钻孔数据、物探数据各自优数据，提高三维数值模拟前处理建模精度。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，包括如下步骤：步骤s1：设置控制点；步骤s2：无人机摄影并获取dem数据；步骤s3：制定贴近摄影航线并采集数据；步骤s4：建立贴近摄影模型和点云模型；步骤s5：统计边坡结构面信息并进行确定结构面空间分布；步骤s6：处理lidar点云并融合生成地表点云；步骤s7：对地表点云进行重要性赋值并完成降噪；步骤s8：生成斜坡表面模型及地层分界面模型；步骤s9：建立一体化三维地质模型；步骤s10：生成各曲面二维网格模型；步骤s11：生成各块体内部三维网格模型。为了解决上述技术问题，并实现相应技术效果，本发明旨在提供一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，通过结合无人机贴近摄影摄影、机载lidar、钻孔数据、物探数据实现高精度的三维数值模拟前处理建模；该方法建立的三维网格模型可以表达被植被遮挡部分的地形情况；可反映边坡表面岩石特征形状；可提高钻孔间地层界面精度；可针对不同区域进行精度差异化建模，提高重点计算区域精度，降低模型整体计算需求量；可生成网格内部结构面数据，提高数值模拟精度，方便用户或相关管理人员决策，为摸清地质灾害致灾隐患提供有效支撑，显著提高灾害调查准确性。

4、进一步的技术方案：

5、步骤s1中，在边坡坡脚地面绘制三个控制点，且三个控制点呈三角分布，并在地面平整位置绘制宽20cm，长1m的“l”形标志，以“l”形标志内部拐点作为坐标原点，测量各个点位的坐标；

6、进一步的：步骤s2中，使用带rtk功能的无人机进行正射影像测量，且每个控制点至少被三张照片捕捉，对边坡陡立及凹陷位置补充多角度摄影，并通过建模软件获取边坡dem数据。

7、进一步的：步骤s3中，利用机载lidar摄影获取电线空间分布，在结合机载lidar获取的点云数据和无人机获取的dem数据，制定距离拍摄对象20m的贴近摄影航线；

8、进一步的：采用带云台功能的五镜头相机和机载lidar按照制定的贴近摄影航线对边坡进行贴近摄影拍摄。

9、进一步的：步骤s5中，在贴近摄影模型上统计岩石层面信息及结构面的倾向、倾角、延伸长度、发育间距信息，并在赤平投影图中绘制各组结构面空间分布，确定优势结构面，将统计的岩石层面信息及结构面信息在三维空间中以面模型表示并建立结构面分块面模型，且层面及结构面完整包络各个块体空间；

10、进一步的：在贴近摄影模型上标记边坡岩石高精度建模范围，同时依据植被遮挡情况进行分区，分别获取地表裸露部分点云及植被遮盖范围。

11、进一步的：步骤s6中，对lidar点云数据及贴近摄影点云数据进行预处理，剔除植被、建筑、电线等非地面点，并依据贴近摄影模型植被遮挡范围进行裁剪，保留植被遮盖范围地表点云，融合植被遮挡部分lidar点云数据及地面裸露部分贴近摄影点云数据，合成最终的斜坡地表点云。

12、进一步的：步骤s7中，依据曲率公式对斜坡地表点云进行重要性赋值，结合数值模拟要求及高精度建模范围，对合成地表点云数据不同区域进行降噪，其中点云重要性赋值为：

13、

14、式中di为区块正方体内第i点的重要性固执参数，ki为各区块内第i点的高斯曲率，kmax为建模范围内最大高斯曲率；

15、进一步的：结合数值模拟要求并参考重要性赋值参数对合成地表点云数据进行降噪，进行降噪时删除重要性赋值参数低的点，对高精度建模范围内的点云进行降噪时保留高点云密度。

16、进一步的：步骤s8中，根据步骤s7中生成的点云数据生成表面初始模型，再结合高精度建模范围分别对不同区域生成不同精度模型，并缝合高精度和低精度区域；

17、进一步的：根据步骤s5中生成的结构面分块面模型对表面初始模型进行分割，分割后的每一块表面模型完整的包络与各个块体空间内，且相邻块体表面模型之间具有相互耦合的共用面及共用边。

18、进一步的：步骤s8中，利用地层分界面控制点，结合物探数据生成地层分界面控制线；

19、进一步的：结合贴近摄影模型中国陡立临空面地层分界位置控制地层分界边界控制，生成各地层界面模型结合结构面分块面模型对点云生成表面模型；

20、进一步的：利用钻孔信息定位地层分界面控制点，并使用曲线对给控制点进行网状连接，再分别参考物探成果和贴近摄影模型基岩处理情况，确定地层分界面模型控制线。

21、进一步的：步骤s9中，结合结构面模型、斜坡表面模型、地层分界模型构件边坡地上、地下一体化三维地址模型，填充内部各个包络体，生成地质实体模型并赋予地质信息。

22、进一步的：步骤s10中，依据数值模拟所需网格大小，并对曲面生成二维网格模型，且对分块表面模型生成的二维网格模型中，相邻块体共用相同的二维网格模型；

23、进一步的：步骤s11中，将s10中生成的二维网格模型整合成个块体内部的三维网格模型。

24、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

25、1、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，通过结合无人机贴近摄影摄影、机载lidar、钻孔数据、物探数据实现高精度的三维数值模拟前处理建模；该方法建立的三维网格模型可以表达被植被遮挡部分的地形情况；可反映边坡表面岩石特征形状；可提高钻孔间地层界面精度；可针对不同区域进行精度差异化建模，提高重点计算区域精度，降低模型整体计算需求量；可生成网格内部结构面数据，提高数值模拟精度，方便用户或相关管理人员决策，为摸清地质灾害致灾隐患提供有效支撑，显著提高灾害调查准确性。

26、2、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，通过无人机贴近摄影和机载lidar两种手段获取被植被遮挡部分的地形情况，准确表达肉眼无法识别位置的地形起伏，扩大数值模拟精准计算范围。

27、3、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，使用不同范围模型精度控制点云密度，结合曲率权重赋值公式在降噪过程中保留重要点云。

28、4、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，依据曲率权重公式对斜坡地表点云赋值方法准确反映边坡表面孤立块石、凹陷腔等岩石特征形状，提高崩塌滚落路径计算精度，提高崩塌体积计算精度。

29、5、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，使用结构面分块面模型切割方法生成网格内部结构面数据，提高数值模拟精度，方便用户或相关管理人员决策，为摸清地质灾害致灾隐患提供有效支撑，显著提高灾害调查准确性。

30、6、本发明一种针对边坡的三维数值模拟前处理高精度建模方法，联合无人机获取地表数据和钻孔(物探)构建地上、地下一体化三维地质模型，可通过多源数据增加各地层差异性，提高模型可信度。