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论文速览 | IJRMMS:基于自适应聚类与曲面拟合的 3D 点云岩体不连续面产状自动提取

论文速览 | IJRMMS:基于自适应聚类与曲面拟合的 3D 点云岩体不连续面产状自动提取 智水岩研
2025-11-09
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导读:提出集成化全自动化方法,从 3D 点云精准高效提取岩体不连续面产状参数

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岩体工程稳定性评估的核心依赖不连续面产状数据,但传统测量耗时、危险且主观,3D 点云技术虽能突破场景限制,却面临自动化提取的精度与效率瓶颈。本文提出的新方法实现了高精度与高速度的双重突破,为复杂地质条件下的工程应用提供了可靠解决方案。

标题: Automatic extraction of rock discontinuity orientations from 3D point clouds via an adaptive clustering and surface fitting approachg

译文: 基于自适应聚类与曲面拟合的 3D 点云岩体不连续面产状自动提取

期刊: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences  (IF = 7.5)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2025.106246 

代码: https://github.com/MingmingRen0616/RockDiscontinuityExtraction/

一、研究背景

1. 传统手动测量(罗盘测绘、扫描线调查等)受可达性限制,依赖操作员经验,且存在安全风险,数据可重复性差

2. 现有 3D 点云提取方法多为半自动化,需手动调整参数,或存在计算成本高、噪声鲁棒性差、分割精度不足的问题

3. 边缘检测、区域生长等传统方法易受点云噪声、遮挡、采样密度不均影响,导致过分割或漏分割

   岩体不连续面产状是工程设计与稳定性评估的关键参数,自动化、高精度、高效的提取方法能显著提升工程安全性与决策时效性,解决复杂地质场景下的测量难题。

二、核心问题

   从 3D 点云数据中自动、高效、精准地提取岩体不连续面的产状参数(倾向、倾角),实现无人工干预的全流程结构面表征。

1. 提出局部几何校正法向量估计方法,在提升精度的同时保留尖锐结构特征;

2. 改进无监督 K 均值(UKM)聚类算法,无需预设聚类数量,自动完成不连续面方向分组

3. 集成增强 DBSCAN 与 RANSAC 算法,实现噪声鲁棒的平面分割与产状参数精准计算;

4. 构建全自动化流程,在两个真实数据集上验证了方法在精度与计算效率上优于现有主流技术。

三、研究方法

通过 “下采样预处理→法向量估计→聚类分组→平面分割→产状提取” 的五步法,构建兼顾精度、效率与自动化程度的 3D 点云岩体不连续面产状提取框架

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1. 八叉树下采样

递归将 3D 空间划分为体素,用体素几何质心替换内部点,在保留核心几何特征的同时降低数据冗余

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基于八叉树的点云下采样

2. 局部几何校正法向量估计

先通过曲率分类平面点与尖锐特征点,再经法向投影、主轴投影、分割与校正,提升法向量估计准确性。

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法向量估计流程

3. 改进UKM聚类

以点到平面距离和法向量夹角为相似性度量,结合熵正则化项自动确定聚类数量,实现不连续面方向分组。

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聚类分析伪代码

4. 增强DBSCAN平面分割

基于 k 距离曲线自适应确定邻域半径与最小点数参数,精准分割不同结构平面。

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结构面提取示意图

5. RANSAC 平面拟合与产状计算

通过平面方程拟合得到法向量,再通过解析公式推导不连续面的倾向与倾角。

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四、关键结果

1. 数据集A

数据集 A 高精度提取(表 1:手动与本文方法提取的不连续面产状对比):成功识别 162 个结构面与 6 组主要节理,平均倾向误差 0.81°、倾角误差 0.65°,总处理时间 53.6 秒。

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手动不连续方向提取示意图

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手动与本文方法提取的不连续面产状对比

2. 数据集B

平均倾向误差 0.91°、倾角误差 0.93°,精度优于 4 种主流方法,处理时间仅 76.3 秒。

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不连续平面分割结果演示

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不连续面产状误差对比结果

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计算时间对比

3. 结构面分组与稳定性指示

清晰识别出主导节理组,为边坡楔体滑动、平面滑动等稳定性风险评估提供关键结构依据。

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五、意义与影响

该文提出的全自动化 3D 点云岩体不连续面产状提取方法,在精度与计算效率上实现双重突破,有效解决了传统方法的场景限制与效率瓶颈。

1. 为隧道开挖、边坡治理等危险或难以到达的场景提供安全、快速的结构面测量工具,降低现场作业风险;

2. 摆脱对人工参数调整和干预的依赖,提升复杂地质条件下(噪声、采样不均)的提取鲁棒性;

3. 为岩体力学数值模拟、地质灾害监测等领域提供高质量基础数据,推动工程地质分析的自动化与精准化发展。

摘要

原文摘要

The orientation of rock discontinuities is a critical parameter for evaluating the stability and safety of rock engineering structures. With the continuous advancement of remote surveying techniques, analysis of exposed rock surfaces based on 3D point cloud data has emerged as a mainstream approach, owing to its high data fidelity and rich geometric information. However, efficiently and accurately extracting geometric parameters of rock discontinuities from point clouds remains a significant challenge. To address this issue, this study proposes an efficient method for the automatic extraction of geometric features of rock discontinuities from 3D point clouds. First, a downsampling and smoothing preprocessing strategy is employed to significantly enhance computational efficiency while preserving essential geometric features. Concurrently, a local geometric adjustment normal estimation algorithm is introduced to generate high-precision normals while retaining sharp structural features. An improved Unsupervised K-means (UKM) clustering algorithm is subsequently proposed to planar segmentation of the point cloud, enabling the automatic identification and classification of discontinuity orientations. Finally, an enhanced Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) algorithm is adopted to achieve precise planar segmentation, followed by Random Sample Consensus (RANSAC) method to ensure accurate extraction of discontinuity orientations. Experiments conducted on two real-world datasets demonstrate that the proposed method outperforms four widely used approaches in terms of both accuracy and computational efficiency, providing a novel and effective solution for the automated extraction of structural surface information in rock engineering applications.

译文

岩体不连续面产状是评估岩体工程结构稳定性与安全性的关键参数。随着遥感测量技术的持续发展,基于 3D 点云数据的裸露岩体表面分析因其数据保真度高、几何信息丰富,已成为主流研究手段。然而,从点云中高效精准地提取岩体不连续面几何参数仍是一项重大挑战。为解决该问题,本研究提出一种从 3D 点云自动提取岩体不连续面几何特征的高效方法。首先,采用下采样与平滑预处理策略,在保留核心几何特征的同时显著提升计算效率;同时,引入局部几何校正法向量估计算法,生成高精度法向量的同时保留尖锐结构特征。随后,提出改进的无监督 K 均值(UKM)聚类算法用于点云平面分割,实现不连续面方向的自动识别与分类。最后,采用增强型基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)算法实现精准平面分割,结合随机抽样一致性(RANSAC)方法确保不连续面产状的准确提取。在两个真实数据集上的实验表明,所提方法在精度与计算效率上均优于四种广泛使用的方法,为岩体工程中结构面信息的自动化提取提供了一种新颖有效的解决方案。


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