基于凹陷预分割的爆破岩块碎片检测方法研究

为什么隧道碎石很重要

每当工程师在山体中爆破开挖隧道时，都会留下一个杂乱的破碎岩石堆。这些碎块的尺寸直接影响卡车运输速度、因过大块需二次爆破的频率，甚至影响破碎岩石能否作为建筑材料再利用。然而在活跃隧道的恶劣、多尘环境中，可靠地测量成千上万形状不规则的石块远非易事。本研究提出了一种新的三维“可视化”与分割方法，帮助施工人员更好地判断每次爆破的效果并改进下一次爆破。

从凌乱堆到可测量碎块

在山区隧道施工中，钻爆仍然是主要的开挖方式。每次爆破后，工人面临一堆必须清理的碎石，只有在清理后才能展开下一轮作业。如果残留大量大块，需进行二次破碎甚至再爆破，导致进度放慢、成本上升。同时，现代可持续性目标鼓励更细的破碎，这样更多的破碎岩石可以被重复利用而不是弃置。因此碎块尺寸分布是判断爆破设计是否成功的直接指标，但传统的尺寸测量方法（如人工测量或筛分机）对繁忙的隧道工地来说既慢又不现实。

为什么照片不足以解决问题

过去十年间，基于图像的软件因能从照片估算碎块尺寸而变得流行。诸如 Split Desktop 和 WipFrag 等工具通过分析二维图片中的颜色与亮度差异，自动勾画表面可见的块界。然而隧道环境很少对相机友好：粉尘、不均匀照明和重叠的碎块常常使这些算法混淆，导致把一个块分成多块或把多个块合并为一块。尝试逐像素分类的深度学习方法虽能提高精度，但需要大量精心标注的图像数据集，而且每张照片只能看到石块的一面，无法恢复碎石的真实三维形状和体积。

利用激光扫描与隐藏的凹陷

为克服这些局限，作者采用了三维激光扫描。支架式扫描仪以激光束扫过碎石堆，记录密集的“点云”，捕捉碎块的完整表面。该方法的关键思想是利用岩块相互挤压处自然形成的凹陷缝隙。在点云中，这些凹陷呈现为表面法向向内弯曲的区域。研究者设计了一种基于凹陷的预分割算法：它在每个点的邻域内搜索，比较该点的表面方向与邻点的方向，并标记位于这种向内弯曲区域的点。随后移除这些凹陷点及其最近的邻点，从而在逻辑上沿着块与块之间的自然缝隙“切开”岩堆。

锐化边界并计数岩块

在清除这些间隙区域后，剩余的点形成了大体对应单个岩块的分离簇。接着采用基于距离的聚类方法将相邻点分组为候选块。由于预分割过程中移除了一些边界点，作者增加了第二步细化：估计每个簇的边缘点，然后从被移除的凹陷区域中有选择地恢复与之兼容的点，使用简单的平整度检查。这样既补全了缺失的边缘，又保持相邻块的独立性。最后，用一种常规的几何工具——定向包围盒，紧密包裹每个碎片以估算其三个主要尺寸，并编制整个碎石堆的粒级分布。

真实隧道测试与对比

该团队在中国仙岳山隧道的爆破碎石上测试了他们的方法，使用商业三维激光扫描仪并在常规施工约束下采集数据。在这些真实世界的数据上，该方法对厚度约30厘米以上的大块的正确分割率超过80%，误检率低于20%。过度或不足分割主要与扫描器的限制有关，例如在某些角度采样稀疏或小石块将位于大块间的凹陷处被遮挡。研究者还将其方法与四种常见的三维点云算法进行了比较，包括基础的距离聚类、带表面方向检查的聚类、区域生长以及一种流行的超体素（supervoxel）技术。所有四种替代方法在处理大块被分成许多部分或将独立块合并时均表现不佳，尤其是在碎块尺寸差异较大时。

这对隧道施工意味着什么

简而言之，研究表明，通过先去除接触石块之间的自然凹陷，工程师可以更可靠地在三维扫描中分辨单个岩块。基于凹陷的预分割加上改进的聚类能够在隧道中直接提供更可信的碎块计数和尺寸估算。尽管仍需进一步工作以加快计算速度并处理极其复杂的岩堆，该方法已为核查爆破效果与优化后续爆破提供了实用手段。更准确的碎块尺寸信息可以缩短清运时间、减少返工并支持更智能的出土料再利用，这些都有助于更安全、更快速、更可持续的地下施工。

引用: Xiao, Y., Lei, M., Jia, C. et al. Research on a detection method for blast rock fragments based on concavity-based pre-segmentation. Sci Rep 16, 14935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38799-8

关键词: 隧道爆破, 岩块碎片, 三维激光扫描, 点云分割, 碎石粒级分布