基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的土石混合體顆粒組成分析

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的土石混合體顆粒組成分析

土石混合體的力學特性與內(nèi)部石材的含量密切相關(guān)。然而，由于結(jié)構(gòu)巖石（土石混合體）的粒徑較大（最大粒度約為2毫米），因此很難通過現(xiàn)有的粒度分析方法（例如，篩選）獲得相應的粒度組成。隨著現(xiàn)代圖像處理技術(shù)及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字圖像處理技術(shù)已被廣泛應用于各類領域(如,醫(yī)學、航空航天、材料、無損檢測、巖土工程等),并表現(xiàn)出其強大的優(yōu)勢。本文擬對數(shù)字圖像處理技術(shù)應用于土石混合體顆分進行研究。1土石混合體結(jié)構(gòu)土石混合體是由粒徑相對較大的塊石及其土體填充成分構(gòu)成。由于斷面規(guī)模和尺寸的變化,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也將會發(fā)生相對的變化。如圖1所示為一土石混合體斷面結(jié)構(gòu)示意圖,圖中I、II、III分別對應了不同的研究尺度。由圖1中可以看出,對于I區(qū),僅由細粒土體構(gòu)成,未包含有任何塊石,可以概化為連續(xù)介質(zhì);對于II區(qū),已包含有一定尺度的塊石,概化為由細粒土體作為充填成分,由細小碎石作為骨架的不連續(xù)介質(zhì);對于III區(qū),不但包含由相對于II區(qū)來說不可忽略的碎石,而且還包含了粒徑較大的塊石,可概化為由相對較大的塊石作為骨架,由土、砂土及尺寸相對較小的碎石填充構(gòu)成的不連續(xù)介質(zhì)。從某種意義上可以說:土石混合體的結(jié)構(gòu)是相對的,只有在確定的地質(zhì)條件及研究尺度條件下,土石混合體的結(jié)構(gòu)才是唯一確定的。因此,土石混合體中作為充填成分的“土”為一個相對的概念,它不同于傳統(tǒng)概念中的“粉土”、“粘土”等細粒土體,其粒度范圍隨著研究尺度的變化而發(fā)生相對的變化,粒徑上限可能由幾毫米到幾厘米甚至幾十厘米。要研究土石混合體的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu),首要的問題必須解決對于一定的研究尺度的土石混合體中“土”與“石”粒徑分界值——土/石的閾值。Medley、Linquist(1994,1995)等人在對Franciscan等地分布的土石混合體的研究中發(fā)現(xiàn),土石混合體具有很重要的一個性質(zhì)——比例無關(guān)性;并定義土石混合體中土、石閾值為:dthr=0.05Lc,式中:dthr—為土、石閾值;Lc—為土石混合體的工程特征尺寸;Lc=A√?ALc=A?A—為研究區(qū)斷面面積。因此,對于面積為A的研究區(qū)內(nèi),其土石混合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成中的土、石判據(jù)為:{d≥dthr為石d＜dthr為土{d≥dthr為石d＜dthr為土。式中:d—量測塊體的粒徑。2數(shù)字圖像的生成數(shù)字圖像處理技術(shù)是把來自照相機、攝像機、掃描裝置等的圖像,經(jīng)過數(shù)學變換后得到存儲在計算機中的數(shù)字圖像信息,再由計算機進行分析和處理,最后得到所需要的各種結(jié)果。數(shù)字圖像在計算機中是由一系列矩形排列的像素點構(gòu)成,在灰度圖像中每個像素點對應一個整數(shù)值,用以表示該點的亮度,即灰度。常見的256色或二值化圖像,其灰度值為0～255和0～1。整個圖像便由具有不同灰度值的像素點陣構(gòu)成,不同的灰度值分別代表了圖像所包含的不同信息,這些象素點對應的各個離散數(shù)據(jù)便成為下一步數(shù)字圖像處理的基礎。2.1圖像的灰色度和色彩使用相機或其它圖像獲取設備得到的巖土工程材料圖像包含了這些材料的豐富信息,這些信息則會通過相應的灰度值或色彩來反應。因此,可以通過圖像的不同象素點所反應的灰色度或色彩的變化來獲取材料內(nèi)部不同物質(zhì)成分、顆粒含量、粒度分布、及其結(jié)構(gòu)特征等有價值的資料,以進行一系列相關(guān)研究,并建立其相應的細觀結(jié)構(gòu)“概念模型”。圖2顯示了基于數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的土石混合體或其它巖土材料內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)特征研究流程。2.2混合體一定尺寸的斷面照片土石混合體物質(zhì)組成的復雜性決定了在研究過程中難于取得其相應的原狀試樣,故無法利用現(xiàn)有的新技術(shù)手段(如CT、掃描電鏡等)來精確獲取其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像。只有借助現(xiàn)有技術(shù)手段(如相機、攝像機等)現(xiàn)場獲取土石混合體一定尺寸的斷面照片,以研究土石混合體現(xiàn)場真實的細觀結(jié)構(gòu)特征,建立較為符合實際的“概念結(jié)構(gòu)模型”。為此,首先在試驗研究場地開挖一定尺寸的斷面(或選取已有的斷面),并將表面進行平整、清理干凈。然后,在選取斷面的適當位置水平放置刻度尺,以標定經(jīng)過圖像處理后試樣圖像的實際尺寸及圖像方位。最后,利用高精度的數(shù)碼相機或光學相機等對選取的斷面進行拍照,并輸入計算機存儲。由于外界各種因素(如光照、斷面的平整度、塊體與周圍填充土體的色彩差異性等)的影響,使得通過上述方法獲得的斷面圖像通常存在有大量的圖像噪音而難以直接用于數(shù)字圖像分析。為此,首先要利用已有的圖像處理軟件對原始圖像進行處理,以消除這些不良因素,提取需要研究的對象。2.3圖像象素轉(zhuǎn)換的比例關(guān)系數(shù)字圖像是由一系列矩形排列的象素點構(gòu)成,其中每個象素點對應于一個正方形,相鄰象素點間的距離(水平或垂直)與圖像所代表的實際尺寸(長或高)間存在一定的比例關(guān)系。為了對土石混合體的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)特征及數(shù)值模擬進行研究,需要對圖像象素對應的實際尺寸進行轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換比例為:S=LNS=LΝ,式中:S—數(shù)字圖像中每個象素單位對應的實際尺寸;L—圖像在橫向或縱向上所對應的實際尺寸;N—圖像在橫向或縱向上的象素點數(shù)目。若一張數(shù)字圖像的象素點數(shù)為1280×960(長×寬),且其長度所對應的實際尺寸為118cm,則其相應的轉(zhuǎn)換比例為S=118/1280=0.09219cm/pels。3抗剪強度測試某堆積體由土石混合體組成,構(gòu)成堆積體的巖土介質(zhì)具有高度的不均質(zhì)性,內(nèi)部塊石粒徑較大,最大粒徑達3m,且含石量大于40%,難以通過現(xiàn)有的粒度分析手段(如篩分)來獲取其相應的粒度組成。為了明確該堆積體內(nèi)部分布的巖土介質(zhì)的粒度組成,為其抗剪強度研究提供依據(jù),采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對該巖土體進行了大面積粒度分析試驗。根據(jù)直剪試驗