石窟风化裂隙智能识别和三维重构方法、系统和存储介质

本发明涉及石窟裂隙智能识别与信息表征，尤其涉及一种石窟风化裂隙智能识别和三维重构方法和系统。

背景技术：

1、石窟所依附的地质体经历了漫长的自然环境作用与人类活动影响，面临着岩体裂隙发育、渗漏水毁、风化侵蚀以及环境剧烈变化等复杂多样的病害威胁。其中，风化裂隙从根本上改变了岩体的力学特性，并且对石窟岩体结构的完整性和稳定性均起到重要的控制作用。获取石窟损伤区域风化裂隙的几何特征并探究其空间损伤分布信息，有利于保障石窟长期的安全稳定。因此，需要对石窟岩体的风化裂隙展开精细化调查研究。

2、传统的测量手段包括采用人工测量方式获取裂隙的几何信息，如采用地质罗盘、卷尺、塞尺等接触式地采集风化裂隙，这些人工测量方式不仅费时费力，在崩塌、垮落等严重破坏区域研究人员还直接暴露在灾害危险中，因此还存在人身安全问题。传统的测量手段还包括采用一些物探技术，如探地雷达、超声波等，来检测石质文物损伤区的裂隙。无论是人工测量方式还是物探技术，都属于接触式采集方法，不仅对操作人员的专业技术能力要求较高，稍有不慎可能会对石窟损伤区造成不可逆的损毁和破坏。此外，传统的人工测量手段和物探技术难以根据风化裂隙的几何参数真实反映石窟损伤区域三维裂隙的分布特征。公开号为cn111579646a、发明名称为“石质文物裂隙的原位、无损检测方法”的中国专利，公开了一种基于在不同介质中纵波传播速度不同，超声波检测石质文物裂隙长度和倾斜角度的方法。该专利存在的问题是超声波检测必须触碰到石质文物表面，该种检测方法可能会对石质文物造成不可逆破坏，而且只能获取裂隙长度和倾斜角度两个有限的参数，以及超声波等方法测量的区域有限，不能反映损伤区域中裂隙的三维空间分布信息。

3、由于石窟文物的不可再生性和特殊性，对损伤区域的探测技术提出非接触、无损的要求，传统接触式测量方法难以满足这种需求。针对石窟损伤区域裂隙探测，亟需探寻出一种非接触式、快速智能化识别石窟损伤区域风化裂隙几何信息和准确表征其形貌和空间分布特征的方法，以无损、快速、真实反映损伤区域风化裂隙的形貌和空间分布特征。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供了一种石窟风化裂隙智能识别和三维重构方法和系统，以非接触地、快速、智能化识别石窟损伤区域风化裂隙几何信息并准确表征其形貌和空间分布特征。

2、本发明实施例的一个方面提供了一种石窟风化裂隙智能识别和三维重构方法，该方法包括以下步骤：

3、获取通过近景摄影从多个位置和角度所拍摄的石窟代表性岩体损伤区域而得到的满足图片重叠率要求的多张近景影像图像；

4、将所述多张近景影像图像导入到三维建模软件中进行处理，基于运动恢复结构技术生成密集三维点云数据；

5、利用动态聚类算法对生成的密集三维点云数据进行聚类，基于聚类结果对每个风化裂隙面所在的平面进行分割，并基于分割结果识别损伤区域岩体表面的风化裂隙；

6、通过平面拟合算法对各风化裂隙面的点云数据进行拟合，基于解析几何理论表征风化裂隙几何特征参数，所述风化裂隙几何特征参数包括：产状、迹长、间距和发育深度；

7、将代表性岩体损伤区域进行子区域划分，统计各子区域内风化裂隙几何特征参数并得到各风化裂隙几何特征参数的概率分布模型；

8、将生成的密集三维点云数据利用几何拓扑信息封装形成三维实体模型，并基于各风化裂隙几何特征参数的统计结果和概率分布模型在封装形成的三维实体模型中分区构建得到矩形的风化裂隙网络。

9、在本发明的一些实施例中，图片重叠率要求为图片纵向重叠率和横向重叠率分别大于第一比例和第二比例。

10、在本发明的一些实施例中，所述三维建模软件为agisoft metashape软件，所述动态聚类算法为动态dbscan算法。

11、在本发明的一些实施例中，利用动态聚类算法对生成的密集三维点云数据进行聚类，基于聚类结果对每个风化裂隙面所在的平面进行分割，包括：

12、确定步骤：确定邻域半径和最少包含点数；

13、核心点识别步骤：遍历点云中的每一个点，基于确定的确定邻域半径和最少包含点数识别点云中的核心点，并将识别的核心点纳入核心点聚类子集中；

14、分簇步骤：从核心点聚类子集中随机取出一个未被分簇的核心点，将该核心点的邻域半径范围内的邻域点纳入到同一个子簇中，并遍历子簇内所有的核心点，将遍历的核心点的邻域半径范围内的邻域点纳入到该同一个子簇中；

15、在本发明的一些实施例中，基于解析几何理论表征风化裂隙几何特征参数包括：

16、通过平面拟合算法对风化裂隙面的点云数据进行拟合，得到风化裂隙面的几何方程；

17、基于风化裂隙面的单位法向量和风化裂隙面产状之间的转换关系，计算风化裂隙面的产状；

18、提取并测量代表风化裂隙面多边形的顶点间最大距离作为风化裂隙的迹长；

19、计算垂直于迹长且位于风化裂隙面内两个点的距离作为风化裂隙的发育深度；

20、计算相邻两风化裂隙面之间的垂直距离，作为所述相邻两风化裂隙的间距。

21、在本发明的一些实施例中，统计各子区域内风化裂隙几何特征参数并得到各风化裂隙几何特征参数的概率分布模型，包括：

22、统计各子区域内风化裂隙几何特征参数；

23、将统计的风化裂隙产状结果绘制到等密度图上，根据风化裂隙面产状的极点在等密度图分布的密集程度和系统聚类法划分风化裂隙面优势组数，然后采用k-均值聚类算法得到石窟各子区域风化裂隙面的优势产状，进而统计并拟合风化裂隙面几何特征参数的概率分布模型。

24、在本发明的一些实施例中，基于各风化裂隙几何特征参数的统计结果和概率分布模型在封装形成的三维实体模型分区构建得到矩形的风化裂隙网络，包括：

25、获取风化裂隙几何特征参数的统计结果和概率分布模型；

26、利用产状表示风化裂隙的空间位置，迹长和发育深度限定风化裂隙的长度和宽度，体积密度限定风化裂隙的数量，三维离散单元法结合蒙特卡罗技术在三维实体模型中分区构建矩形的风化裂隙网络。

27、本发明的另一方面提供了一种石窟风化裂隙智能识别和三维重构系统，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现任一实施例所述方法的步骤。

28、本发明的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述方法的步骤。

29、本发明的石窟风化裂隙智能识别和三维重构方法和系统，通过非接触式地、快速、智能化识别石窟损伤区域风化裂隙获取其三维数字化空间分布信息，能够无损、快速、真实地反映风化裂隙尺度和形貌特征的矩形的风化裂隙网络。

30、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

31、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。