地质体结构面三维激光扫描点云识别方法[发明专利]

*CN102096944A*

(10)申请公布号 CN 102096944 A(43)申请公布日 2011.06.15

(12)发明专利申请

(21)申请号 201010560140.6(22)申请日 2010.11.25

(71)申请人中国水电顾问集团西北勘测设计研

究院

地址710065 陕西省西安市丈八东路18号申请人成都理工大学(72)发明人赵志祥 董秀军 王小兵 李树武

冯秋丰 杨贤 李常虎 王杨晓辉 陈楠 左三胜 李雪健张晓凤 杨丽萍 张靖宇(74)专利代理机构西安吉盛专利代理有限责任

公司 61108

代理人张培勋(51)Int.Cl.

G06T 17/05(2011.01)

()发明名称

地质体结构面三维激光扫描点云识别方法(57)摘要

本发明涉及属于地质结构面信息获取技术，特别是地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，其特征是：1)确定需要扫描的地质体结构面范围；2)通过三个不在同一直线上的点坐标确定需要扫描的地质体结构面范围的一个面；3)通过三维激光扫描地质体结构面的三个点三维座标；获得一个平面方程；4)对确定的结构面的粗糙起伏和地形，通过三维激光扫描结构面出露面上的所有点；5)重新选择下一个地质体结构面，如果下一个面不存在到第6步；6）对上述获取的每一个平面方程，提取结构面的产状参数，然后进行结构面拟合。该方法对高陡边坡地质调查及快速地质编录具有重要现实及理论意义。CN 102096944 A权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页

CN 102096944 ACN 1020969 A

权 利 要 求 书

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1.地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，其特征是：

1)确定需要扫描的地质体结构面范围；

2)通过三个不在同一直线上的点坐标确定需要扫描的地质体结构面范围的一个面；3)通过三维激光扫描地质体结构面的三个点三维座标；获得一个平面方程；4)对确定的结构面的粗糙起伏和地形，通过三维激光扫描结构面出露面上的所有点；5)重新选择下一个地质体结构面，如果下一个面不存在到第6步；如果下一个结构面存在，返回步骤2)；

6)对上述获取的每一个平面方程，提取结构面的产状参数，然后进行结构面拟合，给出扫描的地质体结构面三维图。

2.根据权利要求1所述的地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，其特征是：所述的通过平面方程，提取结构面的产状参数，获得拟合平面的是通过如方程完成：

Ax+By+Cz+D＝0 (1)其中A、B、C、D为方程参数(A、B、C不同时为零，且为该平面法向量坐标n＝{A、B、C})；根据平面的一般式方程(1)，我们可以推导出以下结构面产状参数的计算公式：当在三个参数都不为“0”时；

其中，E、S、W、N分别方位东、南、西、北；以上讨论的是结构面在一般情况下，即A、B、C三个参数都不为“0”时；而在结构面参数A、B、C存在为”0”或者“1”的情况时，其结构面的产状参数计算。

3.根据权利要求1所述的地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，其特征是：所述的获取拟合平面时，对每个三点平面需要进行拼接、滤波，构成完整的三维结构面。

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说 明 书

地质体结构面三维激光扫描点云识别方法

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技术领域

本发明涉及属于地质结构面信息获取技术，特别是地质体结构面三维激光扫描点云识别方法。

[0001]

背景技术

三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项测绘技术，其又被称为“实景复制技

术”，能够完整并高精度地重建扫描实物的空间三维形态，对扫描物体表面无需进行任何处理，真正实现无接触测量。三维激光扫描技术被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术”。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。[0003] 在科技日新月异的今天，水电建设借助高科技的力量取得了巨大发展，但是工程地质测绘的主要手段还是以“罗盘+地质锤+皮尺”等古老的传统方式来采集现场数据，然后再通过繁杂的室内数据整理来形成各种工程地质图。这种方法不但工作量大、效率低，而且有时得到的数据准确性亦较差。随着社会发展对能源的需求与日俱增，近年来中国水电建设方兴未艾，水电开发往往进行于高山峡谷之中，由于山高坡陡，水电建设的前期勘察工作艰苦并且危险，因为坡体过于高陡而且场地道路简易，对获取大量地质勘察信息，如岩体结构面空间展布形态、位置、规模、控制性结构面产状等信息存在大量困难。维激光扫描技术是获取地质体表面的三维数据，三维激光扫描所能获取的只是结构面的地表出露部分，是用高密度的点云反映结构面的空间状态，因此对于结构面的识别不能给出完全的结果。

[0002]

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描技术，实现快速、无接触、高精度获取地质结构面信息的三维激光扫描点云识别方法，该方法对高陡边坡地质调查及快速地质编录具有重要现实及理论意义。

[0005] 本发明的目的是通过如下技术方法实现的：地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，其特征是：

[0006] 1)确定需要扫描的地质体结构面范围；

[0007] 2)通过三个不在同一直线上的点坐标确定需要扫描的地质体结构面范围的一个面；

[0008] 3)通过三维激光扫描地质体结构面的三个点三维座标；获得一个平面方程；[0009] 4)对确定的结构面的粗糙起伏和地形，通过三维激光扫描结构面出露面上的所有点；

[0010] 5)重新选择下一个地质体结构面，如果下一个面不存在到第6步；如果下一个结构面存在，返回步骤2)；

[0011] 6)对上述获取的每一个平面方程，提取结构面的产状参数，然后进行[0012] 结构面拟合，给出扫描的地质体结构面三维图。

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说 明 书

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所述的通过平面方程，提取结构面的产状参数，获得拟合平面的是通过如方程完

成：

Ax+By+Cz+D＝0 (1)[0015] 其中A、B、C、D为方程参数(A、B、C不同时为零，且为该平面法向量坐标n＝{A、B、C})；

[0016] 根据平面的一般式方程(1)，我们可以推导出以下结构面产状参数的计算公式：[0017] 当在三个参数都不为“0”时；

[0014] [0018]

[0019]

[0020]

[0021]

其中，E、S、W、N分别方位东、南、西、北；[0023] 以上讨论的是结构面在一般情况下，即A、B、C三个参数都不为“0”时；而在结构面参数A、B、C存在为”0”或者“1”的情况时，其结构面的产状参数计算。

[0022] [0024]

所述的获取拟合平面时，对每个三点平面需要进行拼接、滤波，构成完整的三维结

构面。

[0025]

本发明的特点是：水电开发往往进行于高山峡谷之中，山体雄厚，边坡陡峻，常伴有悬崖峭壁的地形特征，使得地质调查工作因人员难以企及而无法正常开展。另外，在工程建设期间，面对快速开挖形成的高陡边坡，也必须很快完成相关的地质编录工作，而这不仅需要大量的人力投入，而且影响施工并带来作业人员的安全隐患问题；还有如何提高调查工作的效率和精度等。所有这些，都需要在高边坡地质调查工作中引进快速、高效，且对地形条件有很强适宜性的调查技术。利用三维激光扫描技术实现点云数据中地质结构面的识别与产状获取，可以解决这一难题并保持如下优点：l、将三维激光扫描的先进技术应用于

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说 明 书

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地质调查工作中；2、实现无接触测量，减少现场调查人员的危险性；3、提高测量精度；4、增加调查工作的时效性。附图说明

[0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032]

图1点云数据直接判识结构面类型；图2点云数据类比判识结构面类型；图3结构面上选择的三个点；图4由三点生成拟合平面；图5结构面出露的点云数据；图6选中结构面点云；

图7生成拟合平面并获取参数。

具体实施方式

[0033] 点云数据中结构面识别方法总结特征如下：[0034] (1)结构面的直接判识。这类结构面特征明显、产状稳定、部分张开，根据地表情况对于那些结构面出露有明显的面，易于在扫描图像上进行识别(如附图1)，这样的结构面在点云数据可以进行直接识别；[0035] (2)结构面的类比判识。这类结构面特征不明显、规模一般较小、闭合、产状有一定变化，地表出露的面较小或没有，这类结构面可以根据成组出现的特征，根据特征明显的结构面对其进行类比判识(如附图2)；[0036] (3)结构面的推理判识。即运用相关分析的方法通过间接的判识标志来推测、判断结构面。为提高推理判识的准确性，一般应采用多种证据或多种标志进行综合分析和相互验证，力求避免仅凭一种间接标志来推断。此类方法多用于断层等结构面判别；[0037] (4)结构面验证。在点云数据中的结构面识别初期，为了建立判别标志，需要现场调查及借助相关资料检验结构面的三维出露特征。对于结构面特征不够明显的还需要进行现场验证确定属性。验证是最为可靠的判识方法。[0038] 结构面产状是表征结构面的空间展布状态，是在地质调查中十分关心的一个重要参数。对于地质体中的结构面而言，首先它是一个面。一定空间范围内通常可以近似认为结构面是一个平面。因此，在经坐标校正或方位校正后的点云数据中可以通过平面来描述这些结构面，以获取需要的结构面参数。(1)“三点确定平面”法拟合结构面[0040] 在几何学中，不在同一条直线上的三个点确定一个平面。如果对于一个结构面而言，如果能够确定该结构面上的三个不在同一直线上的点坐标，就能够获得一个平面方程，由此方程便能够提取结构面的产状参数。通过以上分析三维点云数据中识别结构面，可以在结构面上确定三个具有代表性的不在同一条直线上的点，由这三个点生成一个平面，用这个平面来拟合该结构面。这种方法可应用在结构面在地表只有迹线出露，且在地表出露处地形上要有一定的转折，这样在出露迹线上选择三个点即能保证代表性，又能保证不在一条直线上，其过程如附图3～4。图4由三点生成拟合平面，图5结构面出露的点云数据。[0041] 这种方法由于只使用结构面上的三个点生成拟合平面，由于结构面的粗糙起伏和

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说 明 书

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地形影响，一般误差相对较大。但由于此类结构面没有面出露，在点云数据中的处理目前为止还没有更好的处理办法。考虑到此方法的误差产生原因，在选取三个点时，应注意点的代表性，并尽量选择在迹线出露明显稳定的地方，同时生成拟合平面后，注意在点云数据中的检验，观察平面与出露迹线的吻合情况。[0042] (2)多点法拟合结构面

[0043] 对于大多数地表出露的结构面由于卸荷松弛及地表改造等原因，结构面一般都有面出露。对于这类结构面可以利用三维点云数据中结构面出露面上的所有点(或者大部分点)来拟合一平面。这种方法克服了地质罗盘单点测产状而存在的不足，其效果较为理想。[0044] 其过程如附图5～7，图5结构面出露的点云数据，图6选中结构面点云，图7生成拟合平面并获取参数。

[0045] 首先是在三维点云数据中识别结构面的出露面，选择出露面上的尽可能多的点云数据，由选取的点云数据生成一拟合平面，并显示平面方程参数。此类方法能够对于规模较大的结构面，且产状有一定变换的，能够在宏观上得出综合的结构面产状参数，它克服了传统的罗盘测量结构面的局限性，更具有代表性。另外，对于那些高陡、调查人员难以抵近测量的结构面更显优势。

[0046] 本发明中采用三点确定平面和多点法拟合结构面相结合，其步骤包括：[0047] 1)确定需要扫描的地质体结构面范围；

[0048] 2)通过三个不在同一直线上的点坐标确定需要扫描的地质体结构面范围的一个面；

[0049] 3)通过三维激光扫描地质体结构面的三个点三维座标；获得一个平面方程；[0050] 4)对确定的结构面的粗糙起伏和地形，通过三维激光扫描结构面出露面上的所有点；

[0051] 5)重新选择下一个地质体结构面，如果下一个面不存在到第6步；如果下一个结构面存在，返回步骤2)；

[0052] 6)对上述获取的每一个平面方程，提取结构面的产状参数，然后进行[0053] 结构面拟合，给出扫描的地质体结构面三维图。[00] 由前面的介绍，我们知道对于结构面使用平面进行拟合，获得拟合平面的一般式方程：

[0055] Ax+By+Cz+D＝0 (1)[0056] 其中A、B、C、D为方程参数(A、B、C不同时为零，且为该平面法向量坐标n＝{A、B、C})。

[0057] 根据平面的一般式方程，我们可以推导出以下结构面产状参数的计算公式：[0058] 当在三个参数都不为“0”时。

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其中，E、S、W、N分别方位东、南、西、北[00] 以上讨论的是结构面在一般情况下，即A、B、C三个参数都不为“0”时。而在结构面参数A、B、C存在为”0”或者“1”的情况时，其结构面的产状参数计算，见表1。[0065] 表1特殊情况下的结构面参数计算表

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说 明 书

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利用三维激光扫描设备获取地质体的点云数据，并做大地坐标校正或者水平及方位校正，以达到扫描数据坐标方位与实际地质体方位相一致；对点云数据做后处理(包括拼接、滤波等内容)；利用上述技术方法对地质结构面进行识别并获取结构面参数；与现场地质工作相校核，检查数据准确性。

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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说 明 书 附 图

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图5

图6

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说 明 书 附 图

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图7

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