放射性核废料的处置大多采取深埋,因此对于将要存放高放废物地质场址的岩体结构面发育特征进行深入研究具有十分重大的意义。本文以西北某地国家核废料处置实验室场址为研究对象,结合数字摄影测量技术以及相关计算机视觉算法建立现场地表以及地下巷道岩体数字化三维模型并进行结构面参数的数字化提取和三维网络模拟。本文的主要研究工作和结论如下:(1)基于数字摄影测量技术和Structure from Motion三维建模算法进行研究区岩体三维数字表面模型构建,其主要步骤为:首先进行岩体影像资料的采集,然后基于SIFT算法进行图像特征匹配,稀疏点云构建,点云稠密化,最后利用MeshLab网格编辑软件实现泊松曲面重构。重构得到的数字表面模型具有较高的精度,控制点的误差均在1cm以下,可以保证后续结构面参数提取结果的准确性。(2)基于构建的岩体数字表面模型,提出了一种结构面自动识别方法。首先利用拉普拉斯平滑算法平滑数字表面模型以减少模型表面的噪声,然后利用主成分分析法建立平坦性度量指标对模型进行平面分割,最后基于区域生长算法进行平面区域精确搜索以获取独立的完整结构面平面。将该方法应用于典型露头和地下巷道围岩的结构面识别和产状获取并将结果与现场实测数据以及现有结构面识别软件(DSE)进行比较,结果表明该方法不仅对地表露头岩体结构面的识别具有良好的适用性,而且对地下巷道结构面的识别也有较好的效果。(3)利用随机采样一致性(RANSAC)算法对结构面点云进行拟合并与主成分分析法(PCA)进行了比较,结果表明RANSAC算法考虑了点的波动性,更适合结构面点云的拟合。编写了基于最大密度原理改进模糊聚类算法的结构面产状分组程序。基于研究区实测数据建立了地表露头以及地下巷道结构面迹线三维模型,并通过编写相应的程序实现了地表以及地下巷道结构面迹长、间距以及频率参数的数字化提取。(4)基于数字化提取得到的研究区岩体结构面参数进行结构面三维网络模拟,其中结构面形状采用圆盘模型,直径符合对数正态分布,中心位置满足泊松均匀分布。基于微分思想将圆盘与巷道表面的交切问题转化为直线与圆盘的相交问题,大大提高了程序的计算效率,实现了巷道模型表面模拟迹线的可视化。对巷道表面布置圆形测窗方法统计结构面参数的适用范围进行了分析。利用巷道表面统计得到的已知结构面参数对建立的三维网络模型进行结构面直径和体密度修正,使模拟得到的模型更加符合实际。
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