[发明专利]一种结构面极点图和产状玫瑰花图自动绘制系统

说明书

一种结构面极点图和产状玫瑰花图自动绘制系统，属于岩体结构面处理技术领域，其步骤包括：点云数据自动处理模块、近邻传播算法自动计算模块、极点图自动绘制模块、结构面自动统计分析模块、数据自动输出模块、走向玫瑰花图自动绘制模块、倾向玫瑰花图自动绘制模块和倾角玫瑰花图自动绘制模块。本发明实现了结构面点云数据的自动处理、产状的近邻传播算法自动聚类分组、极点图的自动绘制、结构面的自动统计分析、数据的自动输出、走向玫瑰花图的自动绘制、倾向玫瑰花图的自动绘制和倾角玫瑰花图的自动绘制。本发明方法手段快速自动，工程应用便捷。

技术领域

本发明涉及一种结构面极点图和产状玫瑰花图的自动绘制方法，特别的是本发明基于近邻传播算法和产状玫瑰花图自动绘制方法编程研发结构面极点图和产状玫瑰花图自动绘制系统，将理论算法和软件系统研发相结合，提供了一种结构面极点图和产状玫瑰花图自动绘制系统，属于岩体结构面处理技术领域。

背景技术

结构面的产状是控制岩体稳定的重要因素，在岩体稳定性中起着至关重要的作用。如在岩质边坡稳定性分析中，结构面的产状对稳定性有着很大的影响，如岩体发育与边坡相同方向，且倾角小于边坡角的节理，就能导致边坡失稳，如果它们发育程度在密集，那将大大削弱边坡的稳定性。因此如何有效的对结构面产状进行分析和描述，自动获得区域内结构面的产状和分布特征等，一直以来是岩体工程界最关心和亟待解决的关键技术问题。

常用的节理产状统计方法有结构面玫瑰花图和极点图。结构面玫瑰花图是一种简单、清晰、直观的基础地质图件，在表征构造破裂面发育程度和优势方位方面应用广泛。其做法简单，醒目，能比较清楚的反映出主要节理的方向，有助于分析区域构造。在地质分析时，一般常把节理玫瑰花图，按测点位置标绘在地质图上，以清楚反映不同构造部位的节理、褶皱或断层的关系，综合分析出其局部应力的状况，大致确定主应力轴的性质和方向。其中，走向玫瑰花图多应用于节理产状比较陡峻的情况，倾向和倾角玫瑰花图多用于节理产状变化比较大的情况。产状玫瑰花图的缺点是只依据产状的分布进行分组，当同一产状有多组结构面时，产状玫瑰花图不能完全表示出来。

极点图是将所测结构面的极点投影到赤平投影图上，它是一种利用平面上的点和线解析三维空间的线和面的一种图解方法。并能通过旋转变换，恢复构造破坏前的节理、地层产状，通过节理等密度线图可以求出优势结构面的产状。极点图可以同时展现结构面的倾向和倾角的分布，相较于玫瑰花图的方法更科学和准确一些。但是极点图的图解过程却是相当繁琐。手工完成一张极点图如等密线图，需要经过投点，密度统计、百分比换算、勾绘等直线等工序，即费时间又容易出错。同时，极点图还存在着分组结果主要依靠经验，在各组边界不明显的情况下，分组结果缺乏客观性。因此统计分析方法和计算机处理程序逐渐成为极点图绘制的重要方法手段。目前应用较成熟的方法是聚类分析法，其中比较常用的为K均值聚类算法和C均值聚类算法，但这两种算法属于动态聚类算法，存在着对聚类中心敏感且容易陷入局部最优的缺点。也有学者引入人工智能算法，如蜂群算法、遗传算法等，取得了一定的聚类效果，但是仍然不能彻底摆脱算法的本质问题，需要不断的调试输入参数，计算效率较低。而近邻传播聚类算法具有不受初始聚类中心影响、计算效率高的优点，已经广泛应用于很多领域，在结构面产状聚类中也取得了较好的效果。

由于结构面玫瑰花图和极点图均能够反映结构面产状的不同方面，单一的图解在应用和绘制过程中总存在着或多或少的问题。如果现场测量的结构面数据量过大，还存在处理繁琐，费时的问题。因此，如果能够将两种绘制方法融合到一个绘制系统中，既能实现结构面玫瑰花图的自动绘制，又能实现结构面极点图的自动绘制，将会对结构面的产状分析带来很大的益处。目前国内外学者虽然有通过编写程序实现结构面产状的识别，但是却很少有学者将其形成系统化自动化的软件系统。

结构面产状在自动处理方面的不足，概况来说，是如何将野外测量的大量结构面数据，系统化自动化的实现数据识别处理、产状分组、极点图绘制、数据统计分析、数据导出和玫瑰花图绘制，即如何形成一套完整的、自动的、可视化的结构面产状处理系统。这些不足具体体现在以下几个方面：