岩体不连续提取工具---Discontinuity Set Extractor (DSE)

1 引言

岩体不连续提取工具DSE(Discontinuity Set Extractor)最初是Adrián Riquelme为他的博士论文研究工作编制的工具软件，其目的是为了从岩体中提取不连续集(Discontinuity Set)。输入的数据是三维点云，三维点云数据由三维激光扫描仪如LiDAR或TLS【地面激光扫描仪TLS在岩土工程中的应用(2)---节理粗糙度JRC; 地面激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanner)在岩土工程中的应用(1)---Rockfall】产生，也可以由数字摄影测量(digital photogrammetry)技术【摄影测量技术在岩石工程中的应用(application of photogrammetry)】或合成数据产生。这个工具可以从三维空间按平面排列的无组织的点云中半自动地识别和提取出不连续组。DSE使用MATLAB语言编写，DSE的最新版本3.01需要在MATLAB R2021b环境下运行【个人观点---为什么数值模拟优先使用Python而不是MATLAB】。 

2 原理

DSE的工作原理基于Riquelme的如下论文：

[1] (2014) A new approach for semi-automatic rock mass joints recognition from 3D point clouds

[2] (2015)  Discontinuity spacing analysis in rock masses using 3D point clouds

[3] (2016) Characterization of rock slopes through slope mass rating using 3D point clouds>

[4] (2017) Identification of rock slope discontinuity sets from laser scanner and photogrammetric point clouds: a comparative analysis

[5] (2018) Automatic mapping of discontinuity persistence on rock masses using 3D point clouds

岩体特征需要对影响岩石暴露的不连续集有深刻的几何理解，目前，光探测和测距(LiDAR)仪器的最新进展允许快速和准确的三维数据采集，从而为岩体不连续的自动特征化开发了新的方法。DSE利用LiDAR获得的三维数据识别和分析岩石边坡出露平面的方法。该方法通过应用基于邻接点共面性测试的分析来识别和定义岩石边坡不同平面的代数方程，通过核心密度估计(Kernel Density Estimation)寻找主要产状，并通过基于密度的噪声扫描算法识别集群。采用了不同的信息来源--合成数据和三维扫描数据，对参数进行了完整的敏感性分析，以确定建议方法变量的最佳值。

DSE使用了MATLAB的两个工具箱(toolbox)，一个是Computer Vision Toolbox (CVT)，可以对3D点云进行快速的可视化；另一个是Statistics and Machine Learning Toolbox (SMLT)，SMLT使用了dbscan功能，一种机器学习的聚类算法，我们在自然语言处理中曾经使用过dbscan算法【BERT模型的应用回顾(阶段性总结)；BERTopic(V0.9.0)主题模拟技术】。

3 应用

一个岩石边坡使用LiDAR激光扫描仪获得了1,515,722个扫描点，其间距小于2厘米，加载数据XYZI(坐标和反射率)。

对每个点搜索其knn最相邻的点，然后进行共面性测试，计算法向矢量和极点的密度，提取出最具代表性的极点，因此得到主要平面的产状。

使用DSE对点云进行分类，然后进行聚类分析，取出5个不连续组(J1~J5)。 

一些应用DSE的研究论文如：

(2019) Rock fractures analysis using Structure from Motion technology: new insight from Digital Outcrop Models

(2020) Rock Mass Characterization of Karstified Marbles and Evaluation of Rockfall Potential Based on Traditional and SfM-Based Methods; Case Study of Nestos, Greece

(2021) A state-of-the-art review of automated extraction of rock mass discontinuity characteristics using three-dimensional surface models

(2022) Landslide hazard and risk level assessment of quarried slopes in Lebanon using drone imagery

DSE也应用在一些知名的岩石工程咨询公司的工程项目中，如BGC Engineering和SRK Consulting。