岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (7): 2525-2540.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0745CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0745

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基于点云几何与信号特征的结构面识别方法

李铎1,黄磊1,张成2,叶武3,吴丽斌3,张伟丽2,吕利1,葛云峰2   

  1. 1.中国地质大学(武汉) 湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站,湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074; 3.浙江海川地矿科技有限公司,浙江 杭州 310015
  • 收稿日期:2025-07-16 接受日期:2025-11-25 出版日期:2026-07-13 发布日期:2026-07-15
  • 通讯作者: 黄磊,男,1986年生,博士,研究员,博士生导师,主要从事岩体结构与工程岩体稳定性方面的研究。E-mail: huanglei@cug.edu.cn
  • 作者简介:李铎,男,生于1996年,博士研究生,主要从事岩体结构与地质灾害分析方面的研究。E-mail: liduov587@163.com
  • 基金资助:
    杭州市建设科研项目(No. 2024364)

A method for discontinuities identification using geometry and signal features of point cloud

LI Duo1, HUANG Lei1, ZHANG Cheng2, YE Wu3, WU Li-bin3, ZHANG Wei-li2, LYU Li1, GE Yun-feng2   

  1. 1. Badong National Observation and Research Station of Geohazards, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 2. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 3. Zhejiang Haichuan Geology and Mining Technology Co. Ltd, Hangzhou, Zhejiang 310015, China.
  • Received:2025-07-16 Accepted:2025-11-25 Online:2026-07-13 Published:2026-07-15
  • Supported by:
    This work was supported by the Hangzhou Construction Research Program (2024364).

摘要: 高陡岩质边坡稳定性分析的关键在于岩体结构面的产状和位置信息的精确获取。针对聚类方法依赖点云法向量、点云数据存在突变时结构面识别误差较大的问题,提出一种基于点云几何和信号特征的结构面识别方法,提高结构面识别的准确性及鲁棒性。同时,改进k-means++算法判别流程,优化聚类中心选择,进行岩体结构面分割和信息提取。将该方法应用于浙江某岩质边坡,结果表明:该方法可以有效识别目标点云数据,并进行结构面产状提取和优势分组。通过与基于密度的聚类算法(density-based spatial clustering of applications with noise,简称DBSCAN)对比,验证了方法有效性。相比于人工测量数据,倾向和倾角的误差分别小于3°和4°,识别结果准确可靠,具有一定的工程实用价值。

关键词: 岩质边坡, 无人机测量, 三维点云, 结构面识别, 点云特征, 聚类算法

Abstract: Accurate acquisition of the orientation and spatial distribution of rock mass discontinuities is essential for the stability analysis of high and steep rock slopes. Conventional clustering-based methods, which rely heavily on point cloud normal vectors, often suffer from significant identification errors when abrupt variations exist in the point cloud data. To address this limitation, a discontinuity mapping approach integrating geometric and signal features of point cloud is developed, improving both the accuracy and robustness of the identification result. Furthermore, the k-means++ algorithm is enhanced by refining its decision-making process and optimizing cluster center selection, enabling more effective segmentation and information extraction of rock mass discontinuities. The proposed method is applied to a rock slope in Zhejiang, China. The results demonstrate that it can effectively identify discontinuities from point cloud data, accurately extract their orientations, and perform dominant set classification. Comparative analysis with the DBSCAN algorithm further verifies the effectiveness of the proposed approach. Validation against manual measurements shows that the errors in dip direction and dip angle are within 3° and 4°, respectively, indicating that the method provides accurate and reliable results with strong engineering applicability.

Key words: rock slope, UAV measurement, 3D point cloud, discontinuity identification, point cloud feature, clustering algorithm

中图分类号: TU 435
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