[发明专利]自动化的移动岩土测绘

说明书

提供了用于生成物理环境的表示的设备和方法，其包括：移动传感器平台(MSP)，所述MSP包括输出传感器信号的传感器，所述传感器信号与诸如距离、重力、地球磁场方向和角速度等的参数相关。所述MSP适用于在所述环境中移动。对所述传感器信号进行处理，并且在时间步长序列中对环境中的轴进行观测，针对每个时间步长估计MSP的方位，在每个方位上识别观察到的轴，并且关联相似的轴。所述的方位、环境中的轴以及重力和地球磁场的方向被链接，使每个观测值基于所述方位的估计被预测。所述方位的估计被优化，并且基于所述优化的方位估计生成物理环境的表示的输出。所述输出可以是轴向图、视觉表示和/或数据集。在一个实施方案中，输出装置可以产生包括stereonet立体图的输出。

发明领域

本发明一般涉及在物理环境中测量平面的方位。更具体地说，本发明涉及用于远程，移动，自动测量物理环境中的平面的方位的设备和方法。本发明特别适用于采矿、土木和地质应用。

发明背景

测量岩体性质的安全，高效，准确的方法在许多工程和地质应用中至关重要。这些应用包括确保民用和岩土工程项目(如建设高速公路、建筑物和桥梁)的稳定基础，建设安全高效的矿山(如隧道开挖，岩壁维护)，以及地质勘察(如测绘从而更好地了解地质特征的性质和演变)。由于构造活动，加热和冷却事件或应力的突然变化而引起的弱面(即不连续面)的存在，岩体具有高度的各向异性特性。这些特性非常重要，因为它们在很大程度上决定了岩体的力学行为，如应力和位移。举例来说，沿着不连续处的剪切强度可能会降低，并且不连续处的抗拉强度几乎为零。此外，不连续性的分布严重影响渗透率，影响流体如何流过岩体。

在岩面中，不连续性通常可以看作是平面表面，其方位可以用轴参数化。相同的不连续性可以表现为具有相似方位的一组轴(即，节理组)。一般来说，在岩面可以看到有限数量的节理组，每个节理组在方位和间距上都是统计分布的。节理组具有许多可以从中推断工程或地质信息的可测量性质。这些包括其方位、间隔(即，在相同节理组中的平面之间的垂直距离)、粗糙度和持久性(即，在预定体积的岩体中节理组的程度)。表征岩体特别重要，也许最常见的测量特征，是它的节理组的方位，因为这表明了最可能的破坏面。一个不连续面的常用的地质参数化是其走向和倾角。这两个量是平面的走向线的方位角(走向)，以及相对于法线是重力矢量(倾角)的平面的角度(参见图1)。尽管有经验的野外地质学家或岩土工程师有时可以通过研究岩面来定性评估岩体的可能的力学行为，但对于工程项目或安全考虑，定量评估是必要的。

测量节理组的方位通常可能是一个复杂的、耗时的、费力的，并且往往是危险的努力。测量岩面不连续面的走向和倾角的最广泛使用的方法是用指南针(测量走向)和倾角计(测量倾角)手动测量各个平面。试图自动化这个过程涉及用固定的3D光检测和测距(LiDAR)装置扫描岩面并处理所得到的点云以评估不连续面的走向和倾角。然而，这种方法尚未被广泛采用，可能由于诸如复杂性、时间要求和高成本等缺点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于生成物理环境的表示的设备，其包括：包括传感器的移动传感器平台(MSP)，所述传感器输出传感器信号，其中所述传感器感知和/或测量距离、重力、地球磁场的方向和角速度，并且所述的MSP适用于在环境中移动；处理器，其：(i)接收所述的传感器信号并且针对时间步长序列在所述环境中产生轴的观测值；(ii)估计所述时间步长序列的每个时间的MSP的方位，在每个方位识别观察到的轴，并且关联相似的轴；(iii)将所述方位、环境中的轴线以及重力方向和地球磁场方向链接起来，以便基于方位的估计来预测每个观测值，并且优化所述方位的估计；以及输出装置，其基于所述优化的方位估计来输出物理环境的表示。所述的设备可以包括输出装置，其用于产生包括轴向图、视觉表示和数据集中的一个或多个的输出。在一个实施方案中，所述的输出设备可以产生包括stereonet立体图的输出。

所述的MSP可以包括手持设备、机器人车辆、无人驾驶飞行器或非机器人车辆。所述的传感器可以包括距离传感器(即，可以以三维测量距离的装置，诸如闪光灯LiDAR、扫描仪或相机；其也可以被称为3D距离传感器)，三轴加速计，三轴陀螺仪和三轴磁力计。