本技术涉及岩体力学实验，具体涉及一种基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法。
背景技术：
1、岩石节理面是影响岩体力学性质和稳定性的关键因素，其几何形态和空间分布对岩体的力学行为具有显著影响。随着三维扫描技术的发展，点云数据成为描述岩石节理表面特征的重要工具。基于点云数据建立节理面三维模型进行数值分析时，由于数据较为庞大，导致计算量大、运算效率低。因此当前研究仍主要基于二维数值模型。然而，如何科学合理地将三维点云数据转换为二维模型，是一个亟待解决的问题。
2、目前，已有专利提供了根据点云数据建立节理岩体三维离散元模型方法。例如，公开号为cn112784403b的中国专利公开了一种基于点云数据建立节理岩体离散元模型的数值模拟方法，其主要步骤为：采集节理岩体表面点云并预处理；根据精简后的点云数据集识别出结构面，并计算产状参数；根据结构面产状参数进行结构面参数统计分析；将所有结构面产状统计参数输入到裂隙建模软件中得到节理岩体的初始三维模型；利用3d造型软件，将节理岩体的初始三维模型转换为离散元数值分析软件可识别的文件类型；将文件类型可识别的三维模型输入到数值模拟软件中进行数值分析，生成节理岩体的最终三维模型。
3、虽然上述方法能够实现岩石真实三维模型的构建，但不适用于二维节理面模型的构建。
技术实现思路
1、本技术为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
2、第一方面，本技术实施例提供了一种基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，包括：
3、采用三维激光扫描仪从多个角度对岩石节理面进行分区扫描，获取节理面的三维点云；
4、对节理面三维点云进行去噪、中心归一化处理，得到预处理后的三维点云；
5、旋转所述预处理后的三维点云使其与三维坐标系的z轴平行；
6、根据旋转后三维点云在三维坐标系x轴和y轴上的最大值和最小值获得圆心，设定筛选半径，筛选保留在所述筛选半径内的三维点云；
7、将筛选后的三维云投影到设定的平面上获得二维点云；
8、建立二维坐标系，并将投影后的二维点云移至所述二维坐标系的第一象限；
9、对第一象限内二维点云按x值进行升序排序，同时排序y以保持对应关系，根据所述二维坐标系下点云的x范围将其划分为n份，找到每份中的y最大值及对应的x值，n份构成了节理面二维轮廓坐标；
10、根据所述节理面二维轮廓坐标得到建模点云，然后将建模点云数据输出为离散元软件通用的dxf格式。
11、在一种可能的实现方式中，所述采用三维激光扫描仪从多个角度对岩石节理面进行分区扫描，获取节理面的三维点云，包括：
12、将岩石天然节理表面清理干净，并在目标区域周围粘贴标记点；
13、然后通过三维激光扫描仪，从不同角度对节理面进行多次分区扫描，获取岩石节理面三维点云数据。
14、在一种可能的实现方式中，对节理面三维点云进行去噪包括：
15、对点云中的每个点pi，计算其k个最近邻点的距离均值和标准差，公式分别如下：
16、距离均值：
17、式中，pij为pi点的第j个最近邻点，d(pi,pij)为两点之间的距离；
18、距离标准差：
19、设定标准差比例因子std_ratio，若pi到其邻点的平均距离大于μi+std_ratio×σi，则pi被认为是离群点，删除该点。
20、在一种可能的实现方式中，所述对节理面三维点云中心归一化处理包括：
21、计算去噪后点云的平均坐标，即几何中心，公式如下：
22、
23、式中，n为点云点的总数，xi，yi，zi为第i个点的坐标；
24、将每个点的坐标减去几何中心的坐标，公式为：
25、points_centered[i]＝(xi-center[0],yi-center[1],zi-center[2])。
26、在一种可能的实现方式中，所述旋转所述预处理后的三维点云使其与三维坐标系的z轴平行，包括：
27、计算预处理后点云的协方差矩阵，协方差矩阵c公式为：
28、
29、式中，pi为点云中第i个点；n为点的总数；
30、通过公式c＝vλvt对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量式中，λ为对角矩阵，对角线上的元素为协方差矩阵的特征值，v为特征向量矩阵，每一列是一个特征向量；
31、再由特征向量构成旋转矩阵r＝[v2,v1,v0]，其中，vi为协方差矩阵的第i个特征向量；
32、最后通过公式pi′＝pi×r旋转点云，得到法线方向与z轴平行的三维点云，即旋转后三维点云。
33、在一种可能的实现方式中，所述根据旋转后三维点云在三维坐标系x轴和y轴上的最大值和最小值获得圆心，设定筛选半径，筛选保留在所述筛选半径内的三维点云，包括：
34、确定旋转后三维点云在x轴上的最大值x_max和最小值x_min，以及在y轴上的最大值y_max和最小值y_min；
35、计算坐标点center_x，其值为(x_max+x_min)/2，以及坐标点center_y，其值为(y_max+y_min)/2；
36、设定半径r，然后仅保留以(center_x，center_y)为圆心，半径为r的圆内点云，得到筛选后的三维点云。
37、在一种可能的实现方式中，所述将筛选后的三维云投影到设定的平面上获得二维点云，包括：
38、定义投影平面方程为ax+by+cz+d＝0；
39、根据该平面所经过的已知点该平面法向量和点法式分别确定系数
40、其次计算点云中的任一点到投影平面的距离，公式为
41、
42、再计算投影点在投影平面上的坐标，公式为得到投影到平面的二维点云。
43、在一种可能的实现方式中，所述建立二维坐标系，并将投影后的二维点云移至所述二维坐标系的第一象限，包括：
44、定义投影平面与原三维坐标系中xoy平面的交线方向为二维坐标系的x轴，其基向量为投影平面法向量与xoy的平面法向量的叉积结果；
45、定义与原三维坐标系的z轴平行方向为二维坐标系的y轴，其基向量为(0，0，1)；
46、通过公式将投影点转换到二维坐标系下；
47、最后将二维坐标系下所有点的x值减去x轴上的最小值，y值减去y轴上的最小值，得到二维坐标系下第一象限内二维点云。
48、在一种可能的实现方式中，所述根据所述节理面二维轮廓坐标得到建模点云，然后将建模点云数据输出为离散元软件通用的dxf格式，包括：
49、将二维坐标系下节理面的二维轮廓坐标中所有点的x值减去x轴上的最小值，所有y值减去所有点y值的平均值，得到建模点云；
50、然后采用python第三方软件库ezdxf，将建模点云数据输出为离散元软件通用的dxf格式，并导入离散元软件pfc2d中。
51、在本技术实施例中，基于节理面三维点云数据，从点云数据预处理、筛选目标范围内点云，再到最终生成离散元建模通用的dxf格式，精确获取任意所需平面上的二维节理轮廓及其坐标值，将三维节理面模型转化为二维节理模型，实现高效批量的处理，对岩体力学试验领域发展具有重要的推动作用。
1.一种基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述采用三维激光扫描仪从多个角度对岩石节理面进行分区扫描，获取节理面的三维点云，包括：
3.根据权利要求1所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，对节理面三维点云进行去噪包括：
4.根据权利要求3所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述对节理面三维点云中心归一化处理包括：
5.根据权利要求1所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述旋转所述预处理后的三维点云使其与三维坐标系的z轴平行，包括：
6.根据权利要求5所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述根据旋转后三维点云在三维坐标系x轴和y轴上的最大值和最小值获得圆心，设定筛选半径，筛选保留在所述筛选半径内的三维点云，包括：
7.根据权利要求1所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述将筛选后的三维云投影到设定的平面上获得二维点云，包括：
8.根据权利要求7所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述建立二维坐标系，并将投影后的二维点云移至所述二维坐标系的第一象限，包括：
9.根据权利要求1所述的基于点云数据构建岩石节理面二维离散元模型方法，其特征在于，所述根据所述节理面二维轮廓坐标得到建模点云，然后将建模点云数据输出为离散元软件通用的dxf格式，包括：
