岩体结构面提取方法综述及基于地面Lidar数据的研究

岩体的结构面在岩石的力学性质、渗透性等方面有着极其重要的研究价值，是工程地质领域研究的前沿难点问题。岩体结构面的正确提取对解译岩体各项地质信息起着举足轻重的作用。本书紧密结合测绘学和工程地质学，针对常规岩体结构面提取方法存在的可靠性差、安全性差、自动化程度低、容易隐藏与岩体边缘垂直的结构面信息等问题，通过讨论分析该研究方向现有提取方法的局限性和不足以及地面Lidar测量的原理和步骤，针对岩体点云数据的几何特点，从散乱岩体点云精确配准、高效组织、正确分割等方面进行深入剖析，建立了一套岩体点云数据配准、组织、提取的理论体系和处理流程，设计了从地面Lidar点云中提取岩体结构面的解决方案，不仅实现了结构面提取原型系统的设计与开发，并通过两个典型案例验证了本书方法的有效性和可行性。通过产状进行精度分析比较，说明采用本书的提取方法获得岩体的结构面是切实可行的，精度基本满足工程要求。本书的主要工作内容与贡献总结如下。

对岩体结构面自然特征进行了深入的研究，分析了岩体结构面表征出来的几何特征和岩体点云数据的结构特点，凝练出岩体的小平面特征是结构面分布中的主要特点。在此基础上，对空间平面法向量与岩体结构面之间的关系进行了描述。对现有的岩体结构面提取方法现状进行了分类综述和归纳总结，指出地面Lidar测量是现阶段较为合适、切实可行的提取方法。从而进一步探讨了基于地面Lidar数据的岩体结构面提取方法的研究现状，分析并指出了现有点云分割与拟合方法的适用性和存在的问题。

对多站点云配准的方法进行了归类和讨论，对比分析了三类常用点云配准方法的特点和适用性，总结了三类方法的优缺点和局限性；提出了以整体思想的配准方法对岩体点云数据进行配准的思路，以克服其他方法的局限性；提出了以点云数据法向量叉积代数和最小作为适应度函数的PSO改进算法，论述了改进算法的思想和配准过程；并对高陡边坡岩体点云数据进行了整体配准，将配准结果与ICP等经典算法进行了对比实验，实验数据分为无噪点影响、特征点准确，有噪点影响、特征点选择不准确以及无噪点影响、特征点选择不准确三类，分别用PSO改进算法、经典ICP算法和改进的ICP算法进行三种数据的配准操作。结果验证了岩体点云数据配准方法的可行性和高效性。

根据散乱岩体点云的海量性和无序性，本书在讨论分析了单站地面Lidar点云数据结构的基础上深入研究了岩体点云数据的高效组织方法，设计并实现了以保留点与点之间相邻拓扑关系为目的的四叉树-八叉树联合索引方法。在此组织方法的基础上，研究了基于结构面方程的岩体点云分组策略，以子集间法向量的夹角为判断准则，将海量岩体点云数据进行分组处理，以提高计算处理的效率。提出了一种基于顺序法向量检测的RANSAC改进算法（SEQ-NVRANSAC），以检测点云数据和计算拟合出的RANSAC平面之间的法线向量（NV）是否符合一定的约束条件。详细论述了改进算法的思想和流程。

基于用C++、QT、VTK和点云处理第三方库PCL和本书提出的方法设计并开发了岩体结构面提取的原型系统。主要实现了点云数据处理模块、点云数据管理模块、系统UI模块。

以两个典型的地面Lidar岩体数据为例，对本书提出的方法和理论进行了实验分析，从中提取出了正确的结构面模型，将提取结果与现场人工罗盘测量的结果以及国外学者的研究成果进行精度对比分析，由分割提取出的结构面产状倾向、倾角计算出的中误差可以看出，本书提出的理论和方法在提取结构的精度上能够满足测量要求，进一步验证了该方法的可行性、可靠性和工程应用中的适用性。(www.xing528.com)

本书结合测绘学与工程地质学，应用地面Lidar技术对岩体结构面进行扫描测量，所介绍的结构面提取方法针对岩体结构面的几何特点，从岩体点云配准、分组组织、点云分割提取三个方面进行研究，提出了有效可行的岩体结构面提取方法。但是，点云数据处理相关技术是基于Lidar的岩体结构面提取中的重点研究内容，并且由于岩体实地表现出来的几何特性存在丰富的多样性和复杂性，该方向还有许多问题需要进一步研究：

（1）点云配准一直以来都是点云数据处理的基本工作，必须保证配准结果的精度。本书提出的基于整体思想的PSO改进算法虽然在时间上和精度上满足了岩体结构面提取的要求，但是还存在需要人工设定参数和阈值的问题，需根据扫描对象的特点和工作人员的经验设定坐标变换参数和搜索步长。参数和阈值的自适应测定是下一步需要深入研究的问题。

（2）本书提出的结合四叉树和八叉树的联合索引方法保留了原始点云的拓扑关系，SEQ-NV-RANSAC算法保证了岩体结构面准确提取。但是随着现代岩体开挖工程的规模越来越大，其需要提取结构面的点云数据也是海量的。还需要继续深入研究本书所提出的相关研究方法，不断提高算法的计算效率和自动化程度，并保证其在处理各种数据源时的可靠性，不会出现过分割、欠分割和错误分割的结果，最终在处理海量点云数据时能快速得到可靠的结构面模型，使其更适用于岩体工程的应用要求。

（3）本书设计并开发了岩体结构面提取的原型系统，包含了点云数据处理的基本功能。未来在完善现有功能的基础上还需进一步开发其他功能，通过深入挖掘本研究所取得的成果来建立CAD模型，真正实现工程应用。

（4）本书实现了岩体结构面的正确提取，下一步应在结构面的基础上，进行其他地质信息的解译。例如利用改进的RANSAC算法在迭代过程中产生的平面外的点，进一步研究结构面之间的边界检测，从而提取迹线信息。