【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于數據處理領域，特別是一種基于多源數據融合的掌子面數字化重建方法。
技術介紹
1、掌子面是指在開挖坑道（如采煤、采礦或隧道工程）中，不斷向前推進的前沿工作面。掌子面數字化重構是指利用多源數據（如地質勘探數據、激光掃描點云數據、隨鉆實時數據、無人機拍攝圖像等），結合先進的數據分析、機器學習或深度學習等技術手段，對掌子面的位置、形態、地質特征以及受力狀態進行實時數字化再現，從而形成對掌子面變化過程進行精確建模、實時監測和動態更新的重構的過程。掌子面數字化重建是進行爆破作業、支護設計、風險評估的基礎，也是提升隧道開挖的效率與安全性的前提。
2、目前，對于掌子面數字化重建如論文”《?基于m-c準則的任意角度隧道掌子面穩定性分析》”(單生彪,譚子安.?地下空間與工程學報,2024,20(z1):41-53,58.?doi:10.20174/j.juse.2024.s1.06.)所述，其提出了一種基于縱向傾斜隧道掌子面三維主被動破壞模型的隧道掌子面穩定性分析方法，包括：基于線性mohr-coulomb強度準則，運用空間離散技術及“點生點”技術，考慮傾斜角度對隧道掌子面穩定性的影響,改進現有的隧道掌子面三維主被動破壞模型，實現傾斜隧道掌子面的主被動破壞極限支護壓力的求解；建立線性mohr-coulomb準則下傾斜隧道掌子面三維主被動破壞模型,生成與之對應的主被動破壞模型的能耗方程；通過能耗方程求解縱向傾斜隧道掌子面的極限支護壓力,實現隧道掌子面的穩定性分析。然而，上述方法對掌子面數字化重構依賴于傳統盾構角度下掌子面三維
3、再如，關于掌子面數字化重建，如論文“《基于機器視覺三維重建技術的隧道掌子面巖體結構數字識別方法及應用》”（謝壯,陳寶林,傅金陽,等.?鐵道科學與工程學報,2019,16(4):1001-1007.?doi:10.19713/j.cnki.43-1423/u.2019.04.022.）所述，其公開了一種基于機器視覺三維重建技術的隧道掌子面巖體結構數字識別方法，包括：采集隧道開挖面的序列圖像，生成開挖面巖體表面的三維點云模型；利用投影算法獲得隧道掌子面及硐壁巖體結構的平面模型高清影像；基于影像表面結構跡線素描結果進行巖體節理特征的量化描述；然而，上述方法通過構建基于機器視覺三維重建技術的三維點云模型進行掌子面數據化重構，面對復雜環境下的地質與施工數據，無法有效精準重構與動態跟蹤，從而影響了方法的高效性與普適性。
4、總之，現有技術存在的問題是：掌子面數字化重建準確度不夠高、通用性較差、效率比較低。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種基于多源數據融合的掌子面數字化重建方法，準確度高、泛化能力強、效率高。
2、實現本專利技術目的的技術方案為：
3、第一方面，提供一種基于多源數據融合的掌子面數字化重建方法，其特征在于，包括如下步驟：
4、基于實際工況，獲取隧道掌子面的多源數據；其中，多源數據包括地質、地形、地貌勘探數據、隨鉆實時數據、激光掃描點云數據和無人機拍攝圖像紅外數據；
5、對多源數據進行預處理、數據配準以及數據融合，實現多源數據的融合；
6、結合融合后的多源數據，對掌子面進行數字化重建。
7、作為本專利技術的進一步優化方案，隧道掌子面的多源數據獲取步驟包括：
8、通過地質勘探、鉆探和遙感技術，利用地理信息系統gis獲取地質、地形和地貌勘探數據；
9、使用隨鉆數據采集系統mwd/lwd系統，獲取隨鉆實時數據；其中，隨鉆實時數據包括溫度、壓力、振動、鉆頭位置信息；
10、通過激光掃描儀，獲取激光掃描點云數據；
11、利用無人機搭載紅外熱像儀器，獲取無人機拍攝圖像紅外數據。
12、作為本專利技術的進一步優化方案，預處理步驟包括：
13、s211、缺失值處理：針對缺失的地質、地形和地貌勘探數據，采用線性化插值算法進行填補，實現缺失值處理；
14、s212、噪聲去除：針對隨鉆實時數據和無人機拍攝圖像紅外數據，利用統計濾波算法去除誤差或噪聲，同時采用基于鄰域的插值方法對激光掃描點云數據進行填補。
15、作為本專利技術的進一步優化方案，數據配準步驟包括：
16、對預處理后的地質、地形、地貌勘探數據、隨鉆實時數據、激光掃描點云數據分別進行特征提取，并對提取到的特征進行匹配；根據特征匹配結果進行數據對齊，實現在同一坐標系的數據配準；
17、將預處理后的激光掃描點云數據和無人機拍攝圖像紅外數據進行配準，實現兩者在空間上對齊。
18、作為本專利技術的進一步優化方案，數據融合步驟包括：
19、對數據配準后的多源數據進行特征提取，并進行標準化處理；
20、將除激光掃描點云數據外對應的標準化處理結果作為附加屬性映射到激光掃描點云數據的每一個點云上，構建融合特征點云，并進行點云增強，實現多源數據的融合，獲取隧道掌子面的三維點云數據。
21、作為本專利技術的進一步優化方案，掌子面數字化重建步驟包括：
22、利用隧道掌子面的三維點云數據，結合poisson表面重建方法，采用自適應網格細化技術，生成局部細化網格，實現高精度網格下的掌子面三維幾何模型重建；
23、結合隧道掌子面的三維點云數據和掌子面三維幾何模型，獲取裂縫擴展模型，通過設置力學載荷與邊界條件和標識高危區域，從而實現裂縫與破損區域精確重建。
24、作為本專利技術的進一步優化方案，裂縫與破損區域精確重建步驟包括：
25、提取隧道掌子面的三維點云數據中的幾何信息特征和力學信息特征，形成幾何-力學聯合信息特征；
26、基于掌子面三維幾何模型，設置力學邊界條件，進行有限元仿真，并根據仿真結果反向調整幾何形變位移，從而構建幾何與力學雙向耦合迭代模型；
27、基于幾何與力學雙向耦合迭代模型，結合隧道掌子面的三維點云數據中熱力學特征，構建熱-力-動多場相互作用的多場耦合的裂縫擴展模型；
28、設置靜態載荷、動態載荷實現力學載荷設置，通過設置固定邊界、自然邊界實現邊界條件設置；
29、基于有限元法對裂縫與破損區域進行受力分析，根據受力分析結果標識應力集中區域，完成高危區域標識，實現裂縫與破損區域精確重建。
30、作為本專利技術的進一步優化方案，幾幾何與力學雙向耦合迭代模型表示為：
31、，
32、，
33、其中，、分別表征第n+1、n步的掌子面三維幾何模型位移場，是基于第n步應力和應變計算的幾何調整函數，是調節系數，表征剛度矩陣，為施加的外力。
34、作為本專利技術的進一步優化方案，熱-力-動多場相互作用的多場耦合的裂縫擴展模型表示為：
35、，
36、，...
【技術保護點】
1.基于多源數據融合的掌子面數字化重建方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，隧道掌子面的多源數據獲取步驟包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，預處理步驟包括：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，數據配準步驟包括：
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，數據融合步驟包括：
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，掌子面數字化重建步驟包括：
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，裂縫與破損區域精確重建步驟包括：
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，幾何與力學雙向耦合迭代模型表示為：
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，熱-力-動多場相互作用的多場耦合的裂縫擴展模型表示為：
10.一種存儲一個或多個程序的計算機可讀存儲介質，所述一個或多個程序包括指令，其特征在于，所述指令當由計算設備執行時，使得所述計算設備執行如權利要求1-9中任一所述的方法。
【技術特征摘要】
1.基于多源數據融合的掌子面數字化重建方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，隧道掌子面的多源數據獲取步驟包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，預處理步驟包括：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，數據配準步驟包括：
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，數據融合步驟包括：
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，掌子面數字化重建步驟包括：
【專利技術屬性】
技術研發人員：彭江舟，胡杰，吳威濤，郭偉東，石少帥，謝肖坤，趙瑞杰，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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