[发明专利]一种岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法

说明书

本发明公开了一种岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法，所述岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法包括以下步骤：步骤一，对岩石节理面的点云数据进行重新采样得到格栅数据，即离散时域信号；步骤二，使用离散余弦变换算法将离散时域信号转换为离散频谱，并统计分析每个频谱分量的分布特征；步骤三，根据分布特征进行拟合，得到各频谱分量的经验关系，且将频谱的归一化幅值定义为描述因子，所述经验关系中包含了待定系数，基于大量样本频谱的统计求解出待定系数；步骤四，在分段频谱控制的基础上，调整特定频谱分量的归一化幅值，代入待定系数，利用离散余弦逆变换算法即可完成岩石节理面几何形貌的重建。

技术领域

本发明属于裂隙岩体技术领域，具体涉及一种岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法。

背景技术

岩石节理面的几何形貌特征是研究其抗剪强度的重要对象。学者们以剪切试验为基本方法进行了一系列研究工作。Barton等人，基于多个剪切试验反算结果，提取节理面的轮廓，并提出了经典的岩体Barton-Bandis破坏准则和节理粗糙度系数JRC。后来，Tse和Cruden等人，Yu和Vayssade等人提出了统计指标估算JRC值：均方根(Z₂)和结构函数(SF)。

近年来，数值模拟已经成为研究岩石节理面剪切特性的有效手段。三维扫描和打印技术的发展，使得获取节理面高精度三维模型成为可能，从而为数值模拟和室内剪切试验提供大量样本。但由于目前通过对岩石节理面直接用三维扫描进行采样获得数据集的方式花费较高，而科研和教学上又需要更多的数据内容不同却又具备岩石节理面特征的数据集。关于节理面的定量重建，学者们也有一些研究，除了三维扫描外，还根据特定参数重建虚拟节理面，并研究其对岩石节理剪切性能的影响。通过根据特定参数重建虚拟节理面能够为科研和教学上节约大量的经费。在这方面，目前主要基于齿状线拉伸方法和随机数生成方法重建模型。但是，基于齿状线拉伸方法和随机数生成方法重建的节理面与三维扫描结果相差较大。因此，三维节理表面重建方法的研究仍需要新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法，以解决背景技术中提出的目前主要基于齿状线拉伸方法和随机数生成方法重建的岩石节理面与岩石节理面三维扫描结果相差较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法，所述岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法包括以下步骤：

步骤一，对岩石节理面的点云数据进行重新采样得到格栅数据，即离散时域信号；

步骤二，使用离散余弦变换算法将离散时域信号转换为离散频谱，并统计分析每个频谱分量的分布特征；

步骤三，根据分布特征进行拟合，得到各频谱分量的经验关系，且将频谱的归一化幅值定义为描述因子，所述经验关系中包含了待定系数，基于大量样本频谱的统计求解出待定系数；

步骤四，在分段频谱控制的基础上，调整特定频谱分量的归一化幅值，代入待定系数，利用离散余弦逆变换算法即可完成岩石节理面几何形貌的重建。

在一种具体的实施方式中，所述岩石节理面几何形貌频谱分析与重建方法还包括在步骤一之前，使用摄影测量技术采集野外岩石节理表面，获得点云数据。

在一种具体的实施方式中，步骤二和步骤四中，通过频谱矩阵的归一化策略改写二维余弦正变换和逆变换的公式，改写后的二维余弦正变换和逆变换公式即离散余弦变换算法和离散余弦逆变换算法，包含下列信息：

1)用于频谱矩阵归一化的因子z₀：

2)改写后的二维余弦正变换公式及归一化后的频谱矩阵D：