至M1, A^AJ中所有樣本都進行完合并判別，最終得到新的 集合{Α/，Α2' "·Αν' };
[0104] 邊緣對象集合恥，ByBJ的合并也按上述原則進行合并，得到{B/，B2'…B w'}。
[0105] {A/，A2'…Av'}和{B/，B2'…B w'}則是聚類的最終結(jié)果，再利用聚類結(jié)果中各 元素的ID編號就能提取出對應法向量的Φρ Θ t、r值，也能標記出對應的三角面片；
[0106] 2)聚類結(jié)果處理
[0107] ①三角面片合并
[0108] 該步將除無效三角面片，彌補DBSCAN算法的不足，并將聚類后的結(jié)果提取、標示， 通過合并三角面構(gòu)建出巖體結(jié)構(gòu)面。
[0109] I、通過DBSCAN的聚類結(jié)果利用ID標記出各個簇中對應的三角面片，刪除重復的 三角面片，并對各個簇進行標號。
[0110] II、在簇Ah'（Ah'為{A/ ,A2'…Av' }中任意一樣本）中任取一三角面片i，若其 鄰近存在同屬于Ah'的其他三角面片，則將i保留；否則，delete。
[0111] III、經(jīng)過II生成的新簇Ah'中，任取兩三角面片ii、iii，若ii、iii能通過同屬于 Ah'中的任意多個三角面片相連通，則將ii、iii歸入結(jié)構(gòu)面X1;否則ii歸入X1, iii歸入 X2。如此，將Ah'中的三角面片進行結(jié)構(gòu)面分組；
[0112] 1￥、分別將認1'，4'~1'}中對應的三角面片進行11、111操作，得到^"&;
[0113] V、分別將{B/ ,B2'…Bw' }中對應三角面片進行II、III操作，得到
[0114] 最終得到的X1, Xy Xs，Y1, YyY1J尤是構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)面的三角面片，將這些三角面 片借由ID標示出來后即能得到巖體的各個結(jié)構(gòu)面；
[0115] ②剔除開挖面
[0116] 實際工程中，巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息中包含了大量的開挖面信息，而開挖面并不 屬于巖體的結(jié)構(gòu)面。由于開挖面產(chǎn)狀具有重復性、單一性的特征，只需要用人工剔除的方法 在RiscanPro中就能將其識別并將開挖面的三角面片刪除；
[0117] ③結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算
[0118] 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息包括結(jié)構(gòu)面的傾角與傾向，只要對X1, Xy Xs中三角面的參數(shù)進 行計算，就能得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息，具體算法如下：
[0119] 假設乂1對應11個三角面，計算乂1中三角面的法向量坐標（ &"，1^，(^)、法向量(^、 θ τ值（Φ Td、Θ Td) (d與X#對應三角面的ID相同）的算數(shù)平均值：
CN 105180890 A 說明書 9/15 頁
[0125] 則βχ1= |90° _θ χι| (〇°彡βχι< 90° )即為結(jié)構(gòu)面父丨的傾角；
[0126] 因傾向角度范圍為0°~360°，為精確計算傾向方向，需要利用X1的法向量與Y、 Z軸的余弦值來判斷X1的法向量指向的卦限。具體判別方法如下：
[0127] 假設X1的法向量為；直線L為X1與坐標系中X-Y面的交線，向量^為;^的 水平投影向量，根據(jù)傾向方向的定義，？^為結(jié)構(gòu)面X1傾向；α Χ1、γχ1分別為^與X、Z軸的 夾角；kxlS 與Y軸的夾角。則有：
[0132] 計算出的&即為結(jié)構(gòu)面X1的傾向；
[0133] 重復上述步驟，帶入剩余結(jié)構(gòu)面的參數(shù)，就能算出所有結(jié)構(gòu)面的傾角與傾向；
[0134] ④補全結(jié)構(gòu)面
[0135] 在采集、處理等一系列操作中可能造成少量點云、三角面片的缺失，影響最終展示 效果，將得到的三角面片導入到Geomagic、Pointcloud等軟件中進行補全，最終得到的各 簇所對應的輪廓面即可視為巖體結(jié)構(gòu)面；
[0136] 第五步：影像數(shù)據(jù)特征提取
[0137] 1)圖像光學矯正
[0138] 根據(jù)數(shù)碼相機成像數(shù)學模型，矯正參數(shù)分為數(shù)碼相機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，式 5-1為數(shù)碼相機成像數(shù)學模型公式， CN 105180890 A 說明書 10/15 頁
[0142] 其中，Z。為照片成像平面相對于鏡頭的距離；U與V為照片影像在成像平面內(nèi)像素 坐標系下的坐標；xw、Yw、Zw為現(xiàn)實物體在全局世界坐標系下的坐標；M i、M2S數(shù)碼相機的內(nèi) 部參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)只與相機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和鏡頭有關，可由相機及鏡頭的出廠說明書與技術規(guī) 格表中獲得;M3S數(shù)碼相機的外部參數(shù)，外部參數(shù)可由相機標定實驗經(jīng)相機成像數(shù)學模型 公式反演獲得；
[0143] 當?shù)玫匠C正參數(shù)后，即可按照公式5-1對影像圖片進行矯正，一般可采用成熟商 業(yè)軟件或者三維激光掃描儀附帶成套軟件來進行。
[0144] 2)圖像灰度化
[0145] 數(shù)碼相機所拍攝數(shù)字圖像的初始狀態(tài)是彩色圖像，首先需要對其轉(zhuǎn)成灰度圖像。 灰度圖像是指只含有亮度信息的數(shù)字圖像，且亮度值變化連續(xù)。將高分辨率數(shù)碼圖像轉(zhuǎn)換 為灰度圖并且數(shù)字化，實際上就是將圖像轉(zhuǎn)化為一個灰度值矩陣F (M，N)。即表明圖像大小 為MXN個像素由MXN階的矩陣表達，矩陣中每一個值表達為像素單元的灰度值。式5-2 為灰度值矩陣的表達形式。
[0147] 3)輪廓線提取
[0148] 輪廓線提取的方法是采用計算機圖像處理方法中的圖像分割法。本發(fā)明提出了一 種適合巖石節(jié)理輪廓線提取的混合全局和局部閥值法。
[0149] 第一步利用巖石節(jié)理區(qū)的灰度值一般為區(qū)域局部最小值的特點，采用局部閥值 法，經(jīng)過一系列閥值測試，可以得到局部閥值法中的min (x，y)為以（x，y)為中心的7X7像 素格網(wǎng)鄰域內(nèi)的局部最小灰度值，這樣可以減小節(jié)理區(qū)的噪聲干擾；令a(x，y)為以（x，y) 為中心的70X70像素格網(wǎng)鄰域內(nèi)的平均灰度值。首先，通過局部閥值法找出原始圖像中滿 足條件min(x，y)彡a(x，y)的像素格網(wǎng)點。第二步令滿足條件像素格網(wǎng)點的f(x，y) =0 形成中間過渡圖像。第三步對中間過渡圖像采用全局閥值法的Otsu法來確定分割閾值T。， 進而進行圖像分割來提取巖石節(jié)理輪廓線。Otsu法是根據(jù)統(tǒng)計理論來尋找閾值的，Otsu法 的最佳閥值是由背景圖像與目標圖像的類間方差最大值來確定的。設圖像中像素點的總和 為N，灰度級1上的像素點總數(shù)為叫，N與Ii1的關系如式5-3表示，圖像直方圖像素點的概 率分布P1符合式5-4, Otsu法的最佳閾值T。最終由式5-5求出。
[0153] 式中，4(/)為類間方差。
[0154] 4)圖像去噪，
[0155] 圖像噪聲對后續(xù)的在巖石節(jié)理骨架及拓撲關系提取會產(chǎn)生很大的干擾，所以應對 巖石節(jié)理輪廓線圖像去噪。
[0156] 具體方法如下：
[0157] I、對巖石節(jié)理輪廓線圖像進行二值化處理；
[0158] II、消除巖石節(jié)理輪廓線圖像中的巖石節(jié)理區(qū)里的黑斑或者巖石區(qū)里的白斑。運 用數(shù)字圖像形態(tài)學中膨脹運算算子。原圖像A被結(jié)構(gòu)元素 B膨脹可定義為：將結(jié)構(gòu)元素 B 的反射平移X個像素后仍與A有交點的所有的點X組成。即運算公式為：
[0160] 本發(fā)明使用線結(jié)構(gòu)元素對節(jié)理圖像進行膨脹運算。
[0161] III、膨脹處理后的節(jié)理區(qū)具有良好的連通性，運用Matlab軟件中的Bwareaopen函 數(shù)，根據(jù)連通區(qū)大小來過濾掉圖像中不需要的小面積部分；
[0162] IV、在第III步處理后節(jié)理輪廓線的邊緣會有一些不規(guī)則的細小毛刺，對后續(xù)節(jié)理 骨架提取產(chǎn)生影響，所以需要對不規(guī)則細小毛刺進行邊緣光滑。本文運用中值濾波法進行 光滑處理。中值濾波原理是：給定的D個數(shù)值{ai，a2. .. aD}按大小有序排列，當D為奇數(shù) 時，位于中間位置的那個數(shù)值被稱為這D個數(shù)值的中值；當D為偶數(shù)時，為于中間位置的那 兩個數(shù)值的平均值為這D個數(shù)值的中值，記作HiecHa1, a2. .. aD}，鄰域窗口內(nèi)所有像素點的 灰度中值作為窗口中被濾波的像素點的灰度值。即：圖像為[x(I，J)]MXN的矩陣，領域窗口 為Ad,中值濾波后像素點X (I, J)的圖像輸出y(I, J)記為：
[0163] = (5_7)
[0164] 本文使用5X5的正方形窗口對圖像進行中值濾波，
[0165] 5)節(jié)理跡線骨架提取
[0166] 節(jié)理輪廓線不能直觀地表達巖石節(jié)理骨架特征及其撲拓結(jié)構(gòu)，需要進一步提取節(jié) 理跡線骨架，提取工作分為兩個步驟：①、圖像細化；②、去除斷枝；
[0167] ①、圖像細化就是將二值圖像中的像素點在保持原有形狀與連通性的基礎上進行 一層一層地像素點剝離，直到殘余圖像骨架