一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法

本发明属于滑移潜在区域评估领域，尤其涉及一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法。

背景技术：

1、岩石裂隙是隧道开挖过程中开挖面普遍存在的一种结构特征。当施工进程遇到岩溶、断层、破碎带等不良地质体时，施工过程中的不同工序往往会以外荷载的形式导致开挖面裂缝的延生、滑移甚至破碎。进而造成突泥涌水、掌子面大面积坍塌等严重的工程事故，给隧道开挖带来不必要的生命财产损失。因此，充分利用开挖面裂隙影像集数据，根据开挖面裂隙图像信息，做好在隧道施工过程中潜在滑移区域程度评估，对隧道施工工作的顺利展开至关重要。

2、充分认识裂隙对岩体的强度和变形行为对于岩石工程中确定地下开挖稳定性尤为关键。同时，裂隙的几何分布对岩石强度和变形特性有着十分重要的影响。目前，对于地下开挖面裂隙的识别方法大致分接触式测量和非接触测量两种方法。其中，接触式测量主要是通过富有经验的地质技术人员利用游标卡尺、地质罗盘等工具进行人工测量和素描测绘。然而，这种方式除了工作人员需要暴露在高危环境之外，还极具依赖工作人员的主观经验。故该方法存在较大的缺陷。非接触式测量主要是基于传统图像处理算法的人工识别和基于机器视觉的深度学习算法的智能识别对拍摄的隧道开挖面影像集进行裂隙提取。其中，传统图像处理识别算法主要以基于canny算子、sobel算子等边缘检测算法为主。其缺陷在于受光照和噪声较为敏感，需要手动设置阈值来来处理不同情况下的影像集。相对的，基于机器视觉的深度学习算法，如卷积神经网络(cnn)和图像分割算法(如u-net、deeplabv3等)，能够自动学习图像中的复杂特征，从而实现对具有明确语义裂隙的自动化和智能化识别。但该类算法通常需要大量影像数据训练来保证较高的识别准确性。值得注意的是，近年来检测3d裂隙网络的深度学习算法，如3d cnns、pointnet等也得到不同程度的发展，但效果仍有所欠佳，其主要应用单一物体的分分类或规则物体的分割。

3、在岩石潜在滑移区域评估方面，岩石结构面的滑移崩塌往往受到各种不连续面的复杂组合控制，而这些不连续面的不连续性常与岩石表面的离散褶皱、裂隙等密切相关。目前，判定岩石潜在滑移区域程度大多集中于复杂山区高陡岩坡、寒冷地区冻融循环地质等自然条件下产生的天然岩石裂缝。判定方法包括基于三维裂隙模型的几何判定、基于力学准则的裂隙演化判定等。然而，针对现场开挖面人为裂隙网络的潜在滑移区域程度判定鲜有研究。进一步地，对于岩石工程中不断循环的岩石开挖面，其滑移崩塌的可能性则与表面的裂隙迹线密切相关。因此，提出一种基于开挖面裂隙迹线的潜在滑移区域评估对岩石工程安全施工至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法解决了现有潜在滑移区域评估未考虑岩石裂隙迹线，精准度不够的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，包括以下步骤：

3、s1、获取开挖面裂隙图像；

4、s2、基于开挖面裂隙图像边缘建立直角坐标系，并获取所有裂隙迹线的起点坐标和终点坐标；

5、s3、设置距离阈值，并根据各裂隙迹线的起点坐标和终点坐标，基于距离阈值，分别获取各裂隙迹线的关键节点，并分别基于各裂隙迹线的关键节点，将各裂隙迹线直线化，得到开挖面裂隙直线化图像；

6、s4、对开挖面裂隙直线化图像进行骨架提取，得到迹线骨架图像；

7、s5、依次遍历迹线骨架图像的像素点，根据预先设置的网格宽度，基于以像素点为中心的网格区域内裂隙迹线直线化后线段的长度和斜率的乘积，得到像素点的潜在滑移区域程度指标；

8、s6、将各像素点的潜在滑移区域程度指标进行归一化，得到潜在滑移区域程度矩阵，并将潜在滑移区域程度矩阵映射到伪彩色空间，完成岩石开挖面滑移潜在区域程度计算和可视化。

9、进一步地，所述步骤s3具体为：

10、s301、设置距离阈值；

11、s302、获取当前裂隙迹线的起点坐标和终点坐标；

12、s303、获取起点坐标和终点坐标所在直线的直线函数；

13、s304、根据起点坐标和终点坐标所在直线的直线函数，计算当前裂隙迹线上所有像素点与直线函数的距离；

14、s305、根据当前裂隙迹线上各像素点与直线函数的距离，以距离最大的像素点作为关键节点候选点；

15、s306、判断关键节点候选点与直线函数的距离是否小于距离阈值，若是，直接将当前裂隙迹线的终点作为关键节点，否则，将最靠近当前裂隙迹线的起点的关键节点候选点作为关键节点，并将关键节点作为当前裂隙迹线的新的起点，返回步骤s303，直至当前裂隙迹线的终点作为关键节点输出；

16、s307、将当前裂隙迹线的起点和各关键节点依次连接，完成当前裂隙迹线的直线化，并返回步骤s302执行下一裂隙迹线的直线化，直至完成开挖面裂隙图像上所有裂隙迹线的直线化，得到开挖面裂隙直线化图像。

17、进一步地，所述步骤s5具体为：

18、s501、设置网格宽度；

19、s502、根据迹线骨架图像，获取当前像素点；

20、s503、根据网格宽度，以当前像素点为中心划分网格，得到当前像素点的网格区域；

21、s504、获取位于当前像素点的网格区域内的裂隙迹线直线化后的线段，得到当前像素点的裂隙线段；

22、s505、获取当前像素点的裂隙线段的像素点个数，得到当前像素点的裂隙线段的长度；

23、s506、获取当前像素点的裂隙线段的斜率；

24、s507、根据当前像素点的裂隙线段的长度和当前像素点的裂隙线段的斜率的乘积，得到当前像素点的潜在滑移区域程度指标；

25、s508、返回步骤s502，进行下一像素点的潜在滑移区域程度指标获取。

26、进一步地，所述步骤s507中当前像素点的潜在滑移区域程度指标的表达式为：

27、

28、其中，ωnow为当前像素点的潜在滑移区域程度指标；为当前像素点的第m条裂隙线段的惩罚系数；m为当前像素点的裂隙线段编号；lm为当前像素点的第m条裂隙线段的长度；km为当前像素点的第m条裂隙线段的斜率；|·|为绝对值；a和b均为根据工程实际确定的惩罚系数具体值。

29、进一步地，所述s6具体为：

30、s601、将各像素点的潜在滑移区域程度指标进行归一化，得到各像素点归一化后的潜在滑移区域程度指标；

31、s602、根据迹线骨架图像的大小建立空矩阵，并将各像素点归一化后的潜在滑移区域程度指标基于像素点坐标进行排列，得到潜在滑移区域程度矩阵，并将潜在滑移区域程度矩阵映射到[0-255]的伪彩色空间，完成岩石开挖面滑移潜在区域程度计算和可视化。

32、进一步地，所述步骤s601中各像素点归一化后的潜在滑移区域程度指标的表达式为：

33、

34、其中，ωr'为第r个像素点归一化后的潜在滑移区域程度指标；ωr为第r个像素点的潜在滑移区域程度指标；ωmin为各像素点的潜在滑移区域程度指标中的最小值；ωmax为各像素点的潜在滑移区域程度指标中的最大值。

35、本发明的有益效果为：本发明主要根据深度学习和传统图像算法，针对性提取和量化岩体开挖面的关键特征及分布并提出了循环开挖面破碎程度和滑移潜在区域的指标计算方法，为开挖过程中不同岩石结构面表征和预测提供了重要基础；同时，岩石隧道开挖过程中，准确把握开挖面结构特性对隧道施工安全开展至关重要；本发明通过精细化表征分析裂隙迹线长度、倾角等参数，计算岩体开挖面破碎程度和潜在滑移区域来评估开挖面结构特性为精细化岩体结构特性提取，保障隧道安全建设提供重要参考。

技术特征：

1.一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：

3.根据权利要求1所述岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：

4.根据权利要求3所述岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，所述步骤s507中当前像素点的潜在滑移区域程度指标的表达式为：

5.根据权利要求1所述岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，所述s6具体为：

6.根据权利要求5所述岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，其特征在于，所述步骤s601中各像素点归一化后的潜在滑移区域程度指标的表达式为：

技术总结
本发明公开了一种岩石开挖面滑移潜在区域程度计算方法，属于滑移潜在区域评估领域，该方法包括获取开挖面裂隙图像；获取所有裂隙迹线的起点坐标和终点坐标；根据各裂隙迹线的起点坐标和终点坐标，将各裂隙迹线直线化，得到开挖面裂隙直线化图像；对开挖面裂隙直线化图像进行骨架提取，得到迹线骨架图像；依次遍历迹线骨架图像的像素点，得到像素点的潜在滑移区域程度指标；将各像素点的潜在滑移区域程度指标进行归一化，得到潜在滑移区域程度矩阵，并将潜在滑移区域程度矩阵映射到伪彩色空间，完成岩石开挖面滑移潜在区域程度计算和可视化。本发明基于多因素的指标计算方法解决了现有潜在滑移区域评估未考虑岩石裂隙迹线，精准度不够的问题。

技术研发人员：陈佳耀,沈一凡,李阳,房倩,张顶立,黄宏伟
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23