三维点云结构面驱动岩块重建方法、装置及介质

本技术涉及点云智能处理，尤其涉及一种三维点云结构面驱动岩块重建方法、装置及介质。

背景技术：

1、岩体通常由多组结构面和被结构面切割形成的岩块共同组成。结构面的空间展布、交切关系及其围限作用直接控制岩块的几何形态、空间位置和潜在失稳模式。在露天矿边坡、岩质边坡、地下硐室和隧道围岩等工程中，岩块的几何形态及边界特征是开展岩体稳定性评价、支护设计和工程风险分析的重要基础。因此，如何从岩体三维点云数据中自动识别结构面，并进一步重建由结构面控制的三维岩块模型，是岩体工程数字化建模与智能分析中的关键问题。

2、随着三维激光扫描、无人机摄影测量和多源点云获取技术的发展，岩体表面三维点云数据能够较为真实地反映岩体表面几何形态，为结构面识别和岩块重建提供了数据基础。现有技术通常通过点云法向量、曲率、空间距离、聚类分割或区域生长等方法识别岩体结构面，并进一步计算结构面的倾角、倾向等产状参数。然而，在天然岩体中，结构面常具有局部起伏、交切发育、边界不连续、点云密度不均和局部缺失等特征，单纯依靠法向量相似性或固定阈值区域生长方法容易出现结构面过分割、欠分割或跨结构面错误生长等问题，影响结构面识别结果的准确性和稳定性。

3、在岩块重建方面，现有方法多采用凸包、外包络拟合或单一几何曲面拟合等方式构建块体模型。此类方法虽然能够在一定程度上获得岩块的近似几何形态，但往往主要依赖点云外边界信息，难以充分利用结构面之间的邻接关系、交切关系和拓扑约束关系。当岩块边界由多组结构面共同围限形成时，传统方法难以准确表达结构面交切形成的复杂边界，也难以补全局部缺失或不连续的结构面边界，导致重建模型在边界完整性、几何合理性和工程适用性方面存在不足。

4、此外，现有岩体点云处理方法通常将结构面识别和岩块重建作为相对独立的步骤，缺乏一种能够将结构面迹线提取、结构面识别、结构面patch（面片）构建、结构面拓扑关系分析以及三维岩块边界闭合重建有效衔接的一体化方法。特别是在复杂岩体工程场景中，如何基于识别得到的结构面patch，进一步确定主控结构面及其邻接约束面，并通过多约束闭合、体素实体化、形态学修正和表面重建生成具有明确边界约束的三维岩块模型，仍是亟待解决的技术问题。

5、因此，有必要提出一种基于pb-dpmc（patch-based discontinuity multi-constraint closure）的三维点云结构面驱动岩块重建方法，以结构面patch为基本几何单元，综合利用结构面迹线约束、点云密度自适应区域生长、结构面空间邻接关系和拓扑关系，识别主控结构面及其邻接约束面，并通过多约束闭合、体素实体化、形态学修正和表面重建实现三维岩块模型的自动生成，从而提高复杂块体重建的完整性、合理性和自动化程度。

技术实现思路

1、本技术提供一种三维点云结构面驱动岩块重建方法、装置及介质，以解决现有岩块重建方法难以充分表达多组结构面共同围限形成的复杂岩块边界、重建模型完整性和几何合理性不足的问题。

2、第一方面，本技术提供一种三维点云结构面驱动岩块重建方法，所述方法包括：

3、获取岩体三维点云数据；

4、根据所述岩体三维点云数据，计算点云局部几何特征，并根据所述点云局部几何特征提取结构面迹线候选点；

5、根据所述结构面迹线候选点构建迹线约束，并结合点云密度自适应区域生长策略对所述岩体三维点云数据进行结构面识别，得到若干结构面点簇；

6、对每个所述结构面点簇进行平面拟合，得到拟合平面方程，根据所述拟合平面方程计算结构面产状参数，并根据所述结构面点簇、拟合平面方程、结构面产状参数和空间边界信息构建结构面面片；

7、根据所述结构面面片之间的空间距离、法向夹角和交切关系，构建所述结构面面片之间的空间邻接关系和拓扑关系；

8、根据所述结构面面片的空间邻接关系和拓扑关系，识别主控结构面及其邻接约束面；

9、基于pb-dpmc策略，对所述主控结构面和所述邻接约束面进行三维岩块重建，生成三维岩块模型。

10、在一种可能的设计中，获取岩体三维点云数据包括：

11、通过三维激光扫描或无人机摄影测量获取待分析岩体表面的三维点云数据，所述岩体三维点云数据表示为：

12、

13、式中，

p为岩体三维点云数据，

p

i为第

i个点的三维坐标，

n为点云总数，

x

i、

y

i和

z

i分别为第

i个点的x坐标、y坐标和z坐标。

14、在一种可能的设计中，根据所述岩体三维点云数据，计算点云局部几何特征，包括：

15、基于kd-tree建立点云邻域索引，并对每个点

p

i搜索其

k个邻域点，得到局部邻域，表示为：

16、

17、式中，

p

i1、

p

i2和

p

ik分别为点

p

i的第一个、第二个和第

k个邻域点；

18、在局部邻域内，计算邻域点的几何中心：

19、

20、式中，

j为点

p

i的邻域点索引，

k为点

p

i的邻域点数量，为点

p

i的第

j个邻域点；

21、基于邻域点的几何中心，通过如下公式构建局部协方差矩阵：

22、

23、式中，

t为矩阵转置；

24、对协方差矩阵进行特征值分解，得到三个特征值，分别为最小特征值、中间特征值和最大特征值，其中：

25、

26、最小特征值对应的特征向量

n

i即为点

p

i的单位法向量；

27、根据三个特征值，通过如下公式计算点

p

i的局部曲率：

28、

29、式中，

c

i为点

p

i的局部曲率。

30、在一种可能的设计中，根据所述点云局部几何特征提取结构面迹线候选点，包括：

31、根据所述点云局部几何特征中的法向突变程度、局部曲率响应和法向离散度，构建迹线强度函数：

32、

33、式中，

t

i为第

i个点的迹线强度，ω1、ω2和ω3分别为法向突变、局部曲率响应和法向离散度的权重，、和分别为归一化后的法向突变、局部曲率响应和法向离散度；

34、采用百分位阈值方法对迹线强度进行筛选，将迹线强度高于预设百分位阈值的点作为结构面迹线候选点，得到结构面迹线候选点集合：

35、

36、式中，

t

th为迹线候选点判定阈值，

p

tr表示结构面迹线候选点集合。

37、在一种可能的设计中，结合点云密度自适应区域生长策略对所述岩体三维点云数据进行结构面识别，包括：

38、通过如下公式计算点

p

i的局部点云密度：

39、

40、式中，

ρ

i为点

p

i的局部点密度，

n

i为点

p

i的邻域点数量，

v

i为邻域搜索体积；

41、根据局部密度变化，对法向夹角阈值和局部曲率阈值进行自适应调整：

42、

43、

44、式中，和分别为候选邻域点对应的自适应法向夹角阈值和自适应局部曲率阈值，

θ0和

c0分别为初始法向夹角阈值和初始局部曲率阈值，

η和

γ分别为密度对法向夹角阈值和局部曲率阈值的调节系数，

θ

iq为当前生长点

p

i与邻域点

p

q之间的法向夹角，

c

q为邻域点

p

q的局部曲率；

45、其中，相对密度偏差定义为：

46、

47、式中，

ρ

q为候选邻域点的局部密度，

ε为密度敏感系数，为有效点的平均点密度。

48、经过密度自适应区域生长与迹线约束后，原始点云被划分为若干结构面点簇：

49、

50、式中，ω

m为第

m个结构面点簇，

m为点簇数量。

51、在一种可能的设计中，所述拟合平面方程表示为：

52、

53、式中，

a、

b和

c分别为拟合平面法向量在

x、

y和

z方向上的分量，

d为平面常数项；

54、所述结构面产状参数包括倾角和倾向；

55、所述结构面面片表示为：

56、

57、式中，为最终构建得到的结构面面片集合，为第

l个结构面面片，

l为结构面面片数量。

58、在一种可能的设计中，根据所述结构面面片之间的空间距离、法向夹角和交切关系，构建所述结构面面片之间的空间邻接关系和拓扑关系，包括：

59、通过如下公式确定任意两个结构面面片和的法向夹角：

60、

61、式中，和分别为结构面面片和的单位法向量，

θ

ij为两结构面之间的无符号法向夹角；

62、计算两个结构面面片之间的空间距离，当两个结构面面片同时满足预设法向夹角阈值和空间距离阈值时，判定二者具有空间邻接关系；

63、基于所述结构面面片之间的空间邻接关系和交切关系，构建结构面面片拓扑图

g：

64、

65、式中，

v为结构面面片节点集合，

e为满足约束条件的邻接边集合，通过所述拓扑图表征结构面面片之间的空间连接关系和边界约束关系。

66、在一种可能的设计中，所述pb-dpmc策略包括结构面面片桥接和主控结构面多约束闭合；

67、所述结构面面片桥接用于当结构面面片存在局部缺失、边界不连续或点云局部遮挡时，基于相邻结构面面片之间的空间关系和边界趋势，对不连续区域进行桥接处理；

68、所述主控结构面多约束闭合用于根据所述主控结构面及所述邻接约束面的空间关系生成闭合岩块边界，将所述主控结构面作为岩块边界形成的主要控制面，将所述邻接约束面作为岩块闭合方向和边界范围的限制条件，通过多个结构面共同约束形成岩块闭合区域，重建得到的块体集合表示为：

69、

70、式中，为重建得到的块体集合，

k为块体数量；

71、将多约束闭合后的岩块空间区域转换为体素占据域，对所述体素占据域进行形态学修正，所述形态学修正包括膨胀、闭运算和内部填充操作，表示为：

72、

73、式中，、和分别表示形态学膨胀、闭运算和内部填充操作；

v

k表示第

k个候选块体的初始体素模型；表示经过形态学修正后的第

k个最终块体模型；

74、从形态学修正后的体素占据域中提取等值面，生成显式三角网格形式的三维岩块模型。

75、第二方面，本技术提供一种三维点云结构面驱动岩块重建装置，所述装置包括：

76、点云数据获取模块，被配置为获取岩体三维点云数据；

77、候选点提取模块，被配置为根据所述岩体三维点云数据，计算点云局部几何特征，并根据所述点云局部几何特征提取结构面迹线候选点；

78、点簇识别模块，被配置为根据所述结构面迹线候选点构建迹线约束，并结合点云密度自适应区域生长策略对所述岩体三维点云数据进行结构面识别，得到若干结构面点簇；

79、结构面构建模块，被配置为对每个所述结构面点簇进行平面拟合，得到拟合平面方程，根据所述拟合平面方程计算结构面产状参数，并根据所述结构面点簇、拟合平面方程、结构面产状参数和空间边界信息构建结构面面片；

80、关系构建模块，被配置为根据所述结构面面片之间的空间距离、法向夹角和交切关系，构建所述结构面面片之间的空间邻接关系和拓扑关系；

81、结构面识别模块，被配置为根据所述结构面面片的空间邻接关系和拓扑关系，识别主控结构面及其邻接约束面；

82、岩块重建模块，被配置为基于pb-dpmc策略，对所述主控结构面和所述邻接约束面进行三维岩块重建，生成三维岩块模型。

83、第三方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如上第一方面以及第一方面各种可能的设计所述的三维点云结构面驱动岩块重建方法。

84、本技术提供的三维点云结构面驱动岩块重建方法、装置及介质，其至少具有如下有益效果：

85、本技术通过构建包含法向量、曲率、法向突变程度和法向离散度的多维度局部几何特征体系，并基于该体系构建迹线强度函数提取结构面迹线候选点，能够准确捕捉结构面边界处的几何突变信息，有效降低点云噪声和离群点对边界定位的干扰；在此基础上，根据迹线候选点构建迹线约束阻断跨结构面的错误连通，同时结合点云密度自适应区域生长策略，根据局部密度变化自适应调整法向夹角阈值和曲率阈值，从而适应点云密度不均的实际工况，提高不同产状结构面边界的区分准确性；通过构建结构面面片之间的空间邻接关系和拓扑关系，并基于面片面积和拓扑连接程度识别主控结构面及其邻接约束面，可从全局拓扑角度确定对岩块几何形态起主要控制作用的结构面组合，避免单一结构面信息不足导致的边界推断偏差；最后基于pb-dpmc策略对主控结构面和邻接约束面进行多约束闭合，通过面片桥接补全局部缺失边界，并结合体素实体化、形态学修正和表面重建生成三维岩块模型，能够有效解决因点云局部遮挡或结构面交切复杂导致的边界缺失问题，提高复杂岩块边界表达的完整性、闭合性和几何合理性，为露天矿边坡、岩质边坡、地下硐室、隧道围岩等岩体工程场景中的结构面识别、岩块重建、稳定性评价和工程风险分析提供可靠的技术支撑。