基于三维激光扫描技术的岩体非连续变形研究进展 - 副本

基于三维激光扫描技术的岩体非连续变形研究进展摘要：岩土变形问题的主要研究方法有实验探测法、理论研究法以及数值模拟，这三种方法是相互促进、相辅相成的关系，因此，“基于三维激光扫描技术的岩体非连续变形研究”的学术调研也需要从这三个方面入手。本文首先归纳了岩体非连续变形分析的主要研究方法，并概要地介绍了三维激光扫描技术及其发展的概况，并对三维激光扫描技术应用于岩体变形与位移的研究的进展进行了详细的调研。最后，本文指出了这项研究过程中可能会产生的相关问题，并初步提出了相关问题的解决思路，以便为下一步进入该领域进行研究提供理论、方法以及文献等方面的支持。关键词：三维激光扫描技术、岩体；非连续变形；综述；调研引言岩体在地质作用下会经历变形，严重时可对地质产生严重破坏。岩体的变形受组成、结构、演化过程以及地质条件等因素有关，并具有高度的离散型以及各向异性等特点。岩土变形的幅度如果过大，岩体结构会产生失稳现象，失稳岩体表面建筑物的结构也会变差，甚至发生安全风险。岩土力学的一个重要分支在于研究岩体的变形程度，进而预测和评估岩体及其附着构筑物的安全性能。[1]近几十年来，我国岩土力学得到了飞速发展，有力地保障了我国“大基建”的基础安全。同时，现代建筑学也提出了许多极为复杂的岩土变形方面的新课题，解决这些课题既需要岩土力学方面理论的更新，也需要探测技术和探测手段方面的进步。岩土变形问题的主要研究方法有：实验探测法、理论研究法以及数值模拟三种。[2]三种方法并不是互相排斥，而是相互促进、相辅相成的关系。本文所述的“基于三维激光扫描技术的岩体非连续变形研究”就涵盖了这三种研究方法，因此，对于这项研究的调研，也需要从这三个方向开始。本文将介绍岩体非连续变形方面的相关理论，非连续变形研究方面的数值仿真技术以及激光三维扫描技术测量的相关应用和前沿研究进展，以为下一步正式开展这项研究奠定文献调研的基础。1.岩体非连续变形相关研究岩体变形分析技术按照数值模型处理模型的特点，可以分成连续变形分析和非连续变形两大类。其中，岩土非连续变形分析是将岩体当做离散系统而进行的数值分析和结构模拟。为了解决岩体非连续性变形的计算问题，中外专家和学者提出了许多经典的解析方法，如负指数函数法、概率积分法、影响曲线函数法和典型曲线法等。其中，其中概率积分法的理论基础是随机介质理论，是目前岩层移动非连续变形领域应用最广泛的方法之一。为了能更简单地处理岩体变形非连续性的问题，人们通过推广有限元方法模拟出岩体非连续、单一岩土界面力学性能的方法，比如联结单元法（Ngo和Scordelis，1967[3]），接触—摩擦单元法（雷晓燕和Swoboda，1994[4]）无厚度接触单元法或节理单元法（Goodman，1968[5]）以及薄层单元法Desai，1982，1984[6,7]）。连接单元法的原理是在性能不通过的相邻岩体单元上设置切向量与法向量方向的弹簧，切向量弹簧的作用力与反作用力则可产生岩体界面的滑动位移，而法向量方向的作用力和反作用力则会产生岩体界面的分离。薄层单元法[8]则假定岩体界面由不同性质的介质组成的岩体单元，这种单元的力学性质取决于岩体介质的力学性质，岩体介质的力学性质数据通常由仪器来测取。测量岩体介质力学性质数据的方法很多，本文所述的三维激光扫描便是其中岩体数据测量方面重要的技术分支。三维激光扫描技术简介2.1三维激光扫描技术概况三维激光扫描（LiDAR）又被称作三维激光雷达技术，是一种测量岩体表面三维密集点的技术。三维激光扫描技术的测量电在于岩体的表面，因此经常无人机、卫星或者有人机等航空设备联合使用，三维技术还广泛与机器人、智能技术以及信号处理技术等现代电子技术相互融合，从而可以直接通过高时空分辨率三维对地面进行观测。[9]该技术可以直接获得岩体表面的三维坐标方面的数据，还可以获得不规则分布的三维点云数据。激光探测具有一定的穿透性，受气象影响因素少，因此在地质监测、地质测绘领域以及工程建设等领域发挥了越来越重要的作用。2.2三维激光扫描硬件技术发展概况三维激光扫描技术发展到现在已经有20余年，其设备在体积、精度、稳定性以及智能性能方面都有大幅度的进步，其在不同载具的应用越来越广泛。国际上先后出现了知名三维激光扫描设备厂商，比如国外的Riegl、Optech以及Velodyne等，以及我国北科天绘、海达数云等测绘设备厂商。从三维激光扫描硬件从技术发展趋势来看，三维激光技术目前正从厘米级低精度向毫米级高精度的门槛迈进。[11]我国近年来在三维激光硬件技术上发展的速度很快，先后开发了多个系列的三维激光扫描装备，如Riegl公司为无人机配套的三维激光扫描系统，武汉大学遥感实验室的机载三维激光扫描系统Heli－Mapping，北京拓维思科技有限公司先后开发的“巡线鹰”系列三维激光扫描机载装备等。这些装备很大程度上填补了我国相关技术的空白，为我国三维激光扫描技术的应用奠定了装备基础。2.3三维激光扫描软件技术发展概况激光技术除了需要高性能的硬件技术，还需要高性能数据处理软件的支持。从某种意义上，处理软件的性能直接决定了三维激光测控技术性能的有效发挥。国际上比较知名的三维激光扫描技术信号处理软件有Trimble公司开发的RealWorks软件平台、TerraSolid公司开发的TerraSolid软件处理平台以及Bentley公司开发的Pointools软件技术平台等。我国中科院的一些测控机构及下属的产业公司也开发过一些可用的工具软件，但这些软件功能性比较单一，通用性较差，技术完整性和先进性较国外也有较大的差距。目前，国际上先进的扫描技术处理软件在处理精度、智能化水平、软件接口通用化以及界面友好性等方面均有极大的进步。[12]3.国内外研究的相关进展3.1国外研究相关进展国外对三维激光扫描技术的地质应用研究比较早，且不仅仅限于前沿领域的科学研究，很多研究机构和厂商很快将该技术应用于地质测绘领域，比如美国的MENSL和CYRA两家企业。[13]在引用领域，EspositoGiuseppe等人[14]收件将三维激光扫描技术用于文物遗址保护区附近的地质测绘，以便建立数字化的文物博物馆。三维测绘领域首先应用于地质领域的标志性事件是2003年美国华盛顿州的Caseade地区突发的大规模泥石流灾害，在这次灾难发生后，来自哥伦比亚大学的地质学学者采用三维扫描技术对地质灾害发生区进行数据测绘，用来分析和计算灾害地区泥石流的规模以及地质位移变形的情况，并尝试建立泥石流地质灾害预测模型。[15]在后来，三维数据扫描技术被应用于矿山领域的地质测绘，如Giuseppe等人[16]采用无人机搭载的三维激光扫描装置对矿区的地质进行三维数据扫描，从而确定矿产的开挖量和施工进度等。Dzugala等人[16]则首次利用三维激光扫描技术检测洞穴附近边坡的裂纹进行检测，以提高地质裂纹引发灾害预测的准确性，首次开启了三维激光扫描技术应用于岩体位移变形的检测研究。Belmonte[17]则在三维技术扫描技术的基础上引入了DEM等相关算法，从而提高了数据处理效率，提高了地质变动预测的准确度和效率。VassenaG.等人[18]将SLAM技术和三维激光扫描技术联合应用于岩体位移和变形的测量和检测，取得了良好的效果。LongNguyen等人[19]则采用网络算法对三维激光扫描技术的数据精度进行了重建，从而将三维激光扫描技术的精度提高到毫米级。Stojcsics等人[20]则利用无人机的三维激光扫描装置，实现了对岩体形变检测的自动化。3.2国内研究相关进展我国国内将三维扫描技术应用到岩体形变研究方面也比较早。如我国地质学者陈永剑[21]利用地面固定三维激光扫描装置对边坡裂缝进行了检测，从而验证了地面三维激光扫描技术在岩体形变测绘过程中的有效性。刘科伟[22]则对露天矿台阶采空区的岩体的稳定性进行了测量分析，从而提高了预测边坡稳定性的准确度。雷朝锋根据岩体位移测绘的技术需求，三维激光扫描的技术特点，探讨了不同算法条件下三维激光扫描技术应用到地质变形测控方面的可行性。李卫强等[23]利用三维激光扫描进行数据采集做岩体研究时，结合了南方Cass7.0岩体扫描数据处理软件，大幅度地提高了数据的分辨精度，也提高了数据处理的效率。林学艺等[24]在三维激光扫描技术红引入了网络RTK算法，验证了其算法的可行性和可靠性。4.存在的问题及解决途径4.1相关问题综上所述，很多中外学者采用三维扫描技术对岩体移动开展了相关研究，但从现有的文献来看，采用这项技术存在的问题主要有几个方面∶（1）岩体的力学数据到目前位置依旧需要靠地质钻孔、gps接收机以及全站仪来获取，这些方法要么成本太高，要么效率太低、要么时间花费过长。采用全站仪或gps接收机往往需要数天时间。受制于地形和设备因素，这些方法的测绘精度往往很低，采集到的数据往往不能满足岩体变形研究的精度要求。摆脱对传统方法的依赖，就需要提高三维激光扫描技术的精度和有效性，这是当前岩体变形研究的一个重点领域。（2）岩体位移和失稳的机理复杂，结构复杂多样。由于现代测绘技术很难对岩体下层的力学结构进行高精度测量，从而导致基于表面测绘的数据很难应用到模拟和预测领域。在此情况下，岩体力学理论模型和岩体结构动力学模型的模拟结果可靠性很大程度上来于数据处理和算法技术的进步。另外，如何让数据处理和算法技术与三维扫描技术相匹配，也是当前岩体变形研究的一个重点领域。（3）岩体下部的位移规律研究较少，基本处于探索阶段。岩体下部力学的空间分布更加复杂，从而造成了岩体形变和位移的不可预见性，该领域的研究基本处于起步阶段，尚且没有良好的理论支持和算法支持。4.2解决思路采用三维激光扫描技术数据实现对岩体变形的精确预测，不但须在一定程度上结合其他方法获得的地质数据，还要跟最新的岩土力学理论和技术方法进行有机地结合，从而提出准确的预测模型。针对上述可能在今后研究遇到的主要问题，有以下几个解决的对策以供参考：（1）对采用三维数据扫描技术获得的岩体的三维空间分布数据进行空间插值分析处理，建立岩体空间分布等值线，从而确定岩体非连续变化的界线。（2）对基于三维激光扫描技术的数据进行优化处理。通过对三维点云数据进行拼接、去噪处理，得到准确的岩体界面分布三维建模数据。结合岩体界面分布三维建模平台和GIS空间分析方法，进行岩体力学的空间分析，从中提取岩体界面的形变区域，从而提高对岩体位移与方向预测的精度。（3）对岩体位移预测模型进行构建和优化。比如利用灰色关联分析法对岩体位移的各个影响因素进行定量分析，从而确定岩土力学中各个影响因素的权重，以提取主要影响因素记性分析；再比如在预测模型中引入人工神经网络技术进行位移和方位角旋转角度的预测，并验证优化后预测模型的精度以及有效性。5.结论和展望本文介绍了岩体非连续变形数值分析的特点和方法，并通过文献调研表明三维激光扫描技术为岩体非连续变形数值分析提供数据支持具有一定的可靠性和等效性。但是三维激光扫描技术本身也有自身的缺点，如数据需要插值处理、需要其他测绘手段数据的支持以及缺少岩土理论研究成果的支持等等。这项技术对地下岩体的深度信息也没法进行有效的模拟和估计，数据处理和建模方法效率较低，研究成果受研究者主观因素和水平影响较大等等。今后，可以考虑在相关研究中引入神经网络技术、智能技术和深度学习等相关技术，以实现对测绘流程进行全自动化处理，如采用云数据处理提高数据建模的速度和效率，以便大幅度地排除或者减少研究者主观因素的影响，大幅度地提高该项技术的可靠性和准确度。最后，地下岩体地理分布和力学分布复杂的问题则需要岩土力学学术和理论研究方面的继续进步，并进一步将地质学、计算机科学以及工程学的相关理论进行有机融合，从而建立起理论依据更加完善的数据模型，届时，岩体变形与位移的预测结果将会更加准确，预测的效率也会大幅度地提升。以上作品的著作权为本作者所有，仅供参考，严禁抄袭，需要全套资料或者专业辅导请联系作者：QQ：2993571832微信：lxj1234511参考文献[1]陆家佑.岩体力学及其工程应用[M].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