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基于深度学习的钻孔图像岩体结构面识别

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 702-720页

作者：李炜刘耕葛云峰张占荣黄国良中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 湖南省地震局湖南长沙410004

岩体结构面对岩体稳定性和渗透性有着重要影响,是决定深部地下工程稳定性的重要因素.针对井下电视技术获取的钻孔影像,提出了一种基于深度学习算法(You Only Look Once version 4,YOLO v4)的岩体结构面识别方法,并计算识别岩体结构面的... 详细信息

岩体结构面对岩体稳定性和渗透性有着重要影响,是决定深部地下工程稳定性的重要因素.针对井下电视技术获取的钻孔影像,提出了一种基于深度学习算法(You Only Look Once version 4,YOLO v4)的岩体结构面识别方法,并计算识别岩体结构面的几何参数.首先,采集图像数据并进行预处理.以某隧道工程为案例,使用智能钻孔光学成像仪采集4号和6号钻孔图像,筛选含有结构面的钻孔图像进行标注以建立Ground truth数据集.从中随机选择数据集的70%作为训练数据、10%作为验证数据、20%作为测试数据,并对训练数据集使用数据增强处理.接下来使用CSPDarkNet53网络作为特征提取网络,构建YOLO v4模型,并采用试错法获取最优参数进行模型训练.利用测试集生成P-R(Precision-Recall)曲线来测试最终的模型训练效果,结果显示P-R曲线的平均精度达0.87,这表明YOLO v4训练结果较好.最后,将定位的结构面采用Canny算法通过拟合上、中、下正弦曲线函数获取岩体结构面边缘,并依据正弦函数的系数计算结构面的4个几何参数(倾向、倾角、深度和张开度).

关键词：岩石力学岩体结构面智能识别井下电视深度学习 YOLO v4

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数字钻孔图像岩体结构面自动化识别方法

重庆大学学报 2024年第2期47卷 40-50页

作者：张占旭苏俊辉吕光祖骆维斌许存禄甘肃路桥建设集团有限公司兰州730000 兰州大学信息科学与工程学院兰州730000

数字钻孔摄像技术能准确获取钻孔中岩体结构面特征信息,针对现有数字钻孔图像分析人力需求量大、主观性强、计算量大的不足,研究提出方案实现数字钻孔摄像技术采集的钻孔内壁图像自动识别。首先,用二维伽马函数光照自适应矫算法对图像... 详细信息

数字钻孔摄像技术能准确获取钻孔中岩体结构面特征信息,针对现有数字钻孔图像分析人力需求量大、主观性强、计算量大的不足,研究提出方案实现数字钻孔摄像技术采集的钻孔内壁图像自动识别。首先,用二维伽马函数光照自适应矫算法对图像进行光照均匀处理,利用经过预训练的DexiNed网络对矫正后图像边缘进行特征提取;其次,提出Epremoval方法处理边缘点噪声提取感兴趣区域;最后,根据正弦曲线泰勒展开式对图像中的表征数据进行多项式拟合。通过对得到曲线进行计算、空间变换和数理变换得到岩体结构面参数。以某隧道工程的数字钻孔图像为例,研究提出的算法结果优于人工辅助判读结果。

关键词：数字钻孔图像岩体结构面感兴趣区域泰勒展开式多项式拟合

改进的区域生长算法在三维激光点云识别岩体结构面中的应用

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水文地质工程地质 2024年第2期51卷 101-112页

作者：徐志华郭戈孙钱程丰光亮何钰铭谢迪湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站湖北宜昌443002 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 湖北省地质局水文地质工程地质大队湖北宜昌443002

交错分布的结构面构成了岩体中的薄弱部位,准确高效的岩体结构面识别和特征信息提取可为岩体稳定性评价提供重要依据。三维激光扫描技术可以极大地提高结构面勘测效率和精度,但目前主流的点云分析算法存在结构面边缘识别模糊、点云分割... 详细信息

交错分布的结构面构成了岩体中的薄弱部位,准确高效的岩体结构面识别和特征信息提取可为岩体稳定性评价提供重要依据。三维激光扫描技术可以极大地提高结构面勘测效率和精度,但目前主流的点云分析算法存在结构面边缘识别模糊、点云分割准确性不能满足结构面特征信息提取精度等问题。因此,考虑岩体结构面点云位置与其邻域的空间关系,利用KD-tree数据结构进行最邻近搜索的体素下采样,在稳健随机Hough变换的基础上改进了区域生长算法,通过多特征值对区域生长分割参数进行修正,依据点云法向量差值和特征终值进行结构面分割,实现了结构面产状、间距、延展度信息的提取。研究结果表明:与传统的主成分分析法和随机抽样一致法相比,在室内块体模型组成的24个结构面中,该方法在相同区域具有更高的识别率和准确率,既能在复杂变化的平面区域保证数据的完整识别,也能在平面的尖锐位置较好地分割边缘点云。利用该方法可以将24个结构面分为6组,并在识别数据中获取对应的结构面特征信息,与实际测量结果相比,角度信息误差约为1°,距离信息误差1cm以内。利用该方法在长江干流蟒蛇寨斜坡岩体中成功识别出3组结构面同时计算各组结构面间距与延展度信息,并采用赤平投影图分析不同结构面组对斜坡稳定性的影响。所提出的方法在室内模型及现场斜坡验证效果良好,可以为岩体结构面识别分割提供稳定且有效的技术支撑。

关键词：三维激光扫描点云信息提取区域生长算法智能识别岩体结构面

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

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地质与勘探 2024年第2期60卷 388-406页

作者：王松挺王昌硕杜时贵罗战友雍睿宁波大学岩石力学研究所浙江宁波315211

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分... 详细信息

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0 MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC(Area Under Curve)值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。

关键词：岩体结构面粗糙度剪切破坏区域机器学习直剪试验

基于无人机贴近摄影测量的露天采石场高陡岩质边坡岩体结构面信息自动识别

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安全与环境工程 2024年第2期31卷 164-172页

作者：茅娜张文明孙侃中交和美环境生态建设有限公司湖北武汉430030

岩体结构面的识别与解译在露天采石场岩质边坡稳定性分析中具有重要意义,对于高陡岩质边坡而言,传统的勘察手段效率低且危险性高,无人机倾斜摄影测量生成的高陡岩质边坡三维实景建模精度低且自动解译困难。提出了一种基于无人机贴近摄... 详细信息

岩体结构面的识别与解译在露天采石场岩质边坡稳定性分析中具有重要意义,对于高陡岩质边坡而言,传统的勘察手段效率低且危险性高,无人机倾斜摄影测量生成的高陡岩质边坡三维实景建模精度低且自动解译困难。提出了一种基于无人机贴近摄影测量的高陡岩质边坡岩体结构面信息的精细化调查方案,并在武汉市东湖高新技术开发区长岭山露天采石场崩塌地质灾害调查中完成了实例应用,该方法使用大疆M300 RTK无人机搭载DJI P1相机完成倾斜摄影测量与贴近摄影测量工作,建立高精度的露天采石场高陡岩质边坡的实景三维模型和高密度三维点云,通过区域生长算法自动解译其岩体结构信息。结果表明:采用本文方法进行岩体结构面调查所提取到的信息准确度高、可视化效果好,且计算效率高,可为类似边坡实际地质灾害调查与防治提供依据。

关键词：露天采石场高陡岩质边坡贴近摄影测量岩体结构面自动识别无人机

基于三维激光扫描技术的岩体结构面智能识别方法

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激光与光电子学进展 2024年第14期61卷 128-137页

作者：王宇翔沈月千河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100

岩体结构面是构成岩体结构并控制岩体稳定性的主要因素,利用三维激光扫描技术获取岩体点云数据,针对传统相似性度量对岩体点云相似性表达单一的问题,提出一种新的相似性度量方法,综合表示数据之间的空间位置差异和方向差异,降低了不同... 详细信息

岩体结构面是构成岩体结构并控制岩体稳定性的主要因素,利用三维激光扫描技术获取岩体点云数据,针对传统相似性度量对岩体点云相似性表达单一的问题,提出一种新的相似性度量方法,综合表示数据之间的空间位置差异和方向差异,降低了不同结构面上各点之间的相似性。将此相似性度量作为DBSCAN算法的聚类依据,通过动态的聚类参数对岩体点云进行聚类,得到单个结构面的点云,最后对聚类结果进行改正,实现了岩体结构面的智能识别。将该方法用于沉积岩露头点云,通过结构面产状信息比较算法识别结果与人工识别结果,结果表明:两种算法所得结果基本一致,产状的最大偏差在2°以内,满足工程应用需求,可为同类应用提供理论基础和应用参考。

关键词：激光雷达智能识别密度聚类相似性度量岩体结构面

基于三维点云的岩体结构面识别与快速聚类分析

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应用激光 2024年第7期44卷 199-210页

作者：孔夏丽夏永华鄢敏太浩宇李晨朱琪昆明理工大学国土资源工程学院云南昆明650093 昆明理工大学城市学院云南昆明650051 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明650051

岩体结构面识别与聚类分析是研究岩体结构特征和评估岩体稳定性的基础。为对岩体结构面进行快速、有效聚类,提出一种基于三维点云的岩体结构面识别与快速聚类方法。首先,通过FACET进行点云分割和平面拟合,提取岩体结构面。其次,通过不... 详细信息

岩体结构面识别与聚类分析是研究岩体结构特征和评估岩体稳定性的基础。为对岩体结构面进行快速、有效聚类,提出一种基于三维点云的岩体结构面识别与快速聚类方法。首先,通过FACET进行点云分割和平面拟合,提取岩体结构面。其次,通过不同岩体结构面之间的相似性距离,计算局部密度和控制距离,并绘制决策图,自动寻找聚类中心和聚类数量。最后,根据边界密度,将结构面划分为核心结构面和离群结构面,剔除异常值。该方法避免了人为主观因素的干扰,提高了聚类分析的准确性。通过对立方体、六面体进行聚类分析,聚类数量与预期相一致,且每簇平均产状与点云结构面拟合结果相近,倾向最大误差分别为0.47°、1.78°,倾角最大误差分别为2.98°、2.57°。同时,聚类性能与K-means、K-means++和DBSCAN聚类算法相比,有了一定程度的提高,最大可达0.834。将其运用于四川省会东县老君峰南侧高陡悬崖岩体结构面分析,无须指定聚类中心和簇数,聚类结果与实测产状、RocScience dips结果相近,精度满足要求,性能较好。

关键词：岩体结构面三维点云聚类分析密度峰值快速搜索聚类中心

基于高斯过程回归的岩体结构面粗糙度系数预测模型

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地质科技通报 2024年第4期43卷 252-261页

作者：郑可馨吴益平李江苗发盛柯超中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074 湖北省自然资源厅信息中心武汉430071

岩体结构面粗糙度系数(JRC)的估算是岩体力学性质评价的重要环节,由于单一统计参数法难以全面表征岩体结构面的复杂粗糙形貌,单一统计参数法建立的JRC计算模型精度较低。选取表征结构面粗糙形态的8种统计参数,结合主成分分析法(PCA)和... 详细信息

岩体结构面粗糙度系数(JRC)的估算是岩体力学性质评价的重要环节,由于单一统计参数法难以全面表征岩体结构面的复杂粗糙形貌,单一统计参数法建立的JRC计算模型精度较低。选取表征结构面粗糙形态的8种统计参数,结合主成分分析法(PCA)和高斯过程回归(GPR)算法,构建基于多参数融合的JRC预测模型。以公开的112条岩体结构面剖面线数据集(其中95条作为训练样本,17条为验证样本)为例进行分析研究,最后将预测所得JRC与实测值对比并分析预测效果。结果表明:由高斯过程回归构建的JRC预测模型决定系数(R^(2))高达0.972,均方根误差(MSE)为0.517,反映出高斯过程回归方法在小样本条件下构建多统计参数与JRC值隐式关系的适用性,为今后人工智能在JRC指标预测方面实现合理预测提供了思路。

关键词：岩体结构面粗糙度高斯过程回归统计参数预测

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基于地质模型的岩体结构面三维网络模拟

水利水电技术(中英文) 2024年

作者：闫福根钟坤李爽高厚长江勘测规划设计研究有限责任公司中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

【目的】岩体内部各结构面相互制约、相互影响而非完全独立，为了使各类结构面有效耦合，对结构面进行三维网络模拟，建立结构面三维模型，以实现各类结构面的三维可视化表达。【方法】采用混合数据结构技术对岩石中存在的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类... 详细信息

【目的】岩体内部各结构面相互制约、相互影响而非完全独立，为了使各类结构面有效耦合，对结构面进行三维网络模拟，建立结构面三维模型，以实现各类结构面的三维可视化表达。【方法】采用混合数据结构技术对岩石中存在的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类结构面进行精确的地质模型构建；采用Monte Carlo +动态校核方法，对Ⅳ类结构面进行网络模拟；根据实际结构面分布规律，以分组最近原则对Monte Carlo法建立的初步模型进行动态校核，实现初步模型的逐步修正，最后在Vgeo平台上对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类结构面和Ⅳ类结构面进行模型耦合。【结果】结果显示：成功构建了X水电站坝后厂房包含岩层、软弱夹层及破碎带的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类结构面三维地质体耦合模型；根据实测计算得到的2组Ⅳ类结构面实测样本，得到了开挖面实际揭露结构面三维模型并动态校核构建最终模型；对构建的多重三维地质体模型和三维结构面模型进行组合，实现了X水电站坝后厂房各类结构面的三维可视化统一表达与重构。【结论】实践表明：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类结构面模型与实测二维剖面一致性较好，Ⅳ类结构面迹长、体密度误差较小，分别为-3.13%～-1.77%和6.36%～7.69%，且与实际揭露的结构面分布一致，模型具有较好的精度和可靠性。工程师基于模型可快速获取结构面的可视化分析成果和任意高程、任意剖面的结构面分布图，也可通过数字钻孔实现地质超前预报，同时也能为基础处理、渗流等问题处理提供直观的分析基础。

关键词：岩体结构面三维网络模拟地质模型动态校核