岩石ct试验数据处理方法研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 岩石 CT 试验数据处理方法研究 摘 要：CT 技术在材料科学实验 中的应用使得材料的缺陷和内部结构得 以检测，同时 CT 试验成为岩石材料细 观破裂过程的热点研究课题。岩石内部 矿物组成、致密性等不均一，各部位密 度不同，在 CT 灰度图像中则表现为各 部位灰度值不一。一般针对 CT 实验数 据的处理仅仅停留在对不同扫描图幅中 灰度频率直方图的研究。文章通过对扫 描图像进行裂纹面积、分维计算、三维 重建等多种手段的分析，丰富了 CT 实 验数据处理的方法，为多角度分析岩石 应力应变过程提供了思路。 中国论文网 /8/view-12920126.htm 关键词：CT 试验；裂纹面积； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 分维计算；三维重建 中图分类号：TU45 文献标识码： A 文章编号： 1671-2064（2017）07- 0093-03 1 引言 20 世纪 80 年代以来，CT 技术在 材料科学实验中的应用使得材料的缺陷 和内部结构得以检测，X 射线 CT 试验 成为岩石材料细观破裂过程的热点研究 课题。岩石试样内部矿物组成、致密性 等不均一，各部位密度不同，在 CT 灰 度图像中则表现为各部位灰度值不一。 同时，加载过程中裂纹的萌生、扩展、 合并及贯通等都直接影响着试样内部不 同部位密度的大小。而由 CT 扫描原理 可知，被扫描材料对 X 射线的吸收系数 与材料密度成正比，故正比于吸收系数 的灰度图像可以表征材料内部的密度变 化1。因此，越来越多的研究人员通过 分析 CT 灰度图像中的影像特征来探索 压缩过程中泥岩裂纹的扩展与演化律。 王梦蔚等2针对混凝土试样开展 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 CT 扫描实验并结合数字图像处理技术 进行了宏细观建模研究；李磊3基于页 岩 CT 图像的数字图像处理技术，结合 流固耦合理论和损伤力学，研究了页岩 的损伤演化规律；王彦琪等4基于图像 检索技术对单轴压缩破坏过程中的 CT 图像进行了优化处理，得到了较好的效 果；刘京红等5在对裂纹扩展过程的分 析中加入分形维数指标，给出了岩石材 料从裂纹萌生、扩展到贯通的细观破损 的解释；彭瑞东等6从能量耗散及释放 角度探讨了层状盐岩破坏的细观机制。 虽然国内外学者借助 CT 实验对不同岩 石裂纹的演化过程及特征进行了一系列 研究，但对于 CT 数据的处理分析手段 较为单一，并不能充分利用到 CT 扫描 实验的技术特点。 文章以武汉岩土力学研究所科技 人员提供的压缩荷载下泥岩 CT 实验数 据为例进行分析，通过引入裂纹面积、 分维计算、三维重建等多种手段，丰富 了 CT 实验数据处理的方法，为多角度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 分析岩石应力应变过程提供了思路。 2 CT 实验数据处理传统方法 本次试验采用中国矿业大学（北 京）煤炭资源与安全开采国家重点实验 室与美国 BIR 公司合作研发的 ACTIS300-320/225CT/DR 高分辨率工业 CT 实时成像系统。该系统可以快速扫 描得到微米量级分辨率的像素大小为 10241024 的 16 位灰度切片图像。试 验过程中针对试样自上而下间隔 50m 依次扫描，共扫描 1000 层，其典型灰 度切片图像如图 1 所示。 传统数据处理的方法多通过对不 同应力状态下灰度切片图像进行灰度值 的数理统计，得到其灰度频率直方图， 再进一步进行对比分析7，不同应力水 平下灰度频率直方图 2 所示。 3 CT 实验数据处理新方法 3.1 裂纹面积处理法 图像的阈值分割及二值化可以定 量的提取细观层面岩石的内部结构。采 用单阈值分割法，即 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 （1） 即将小于某一阈值 T 的灰度级降 为 0，对应像素点为黑色，表征孔隙和 裂纹；而大于该阈值的灰度升为 65535，对应像素点为白色，表征岩样 较完整，没有孔隙、裂纹或裂隙。二值 化处理后的图像只有两个灰度级，因此 称为二值图像。 计算发现：当阈值为 26500 时， 基于初始扫描的 CT 二值图像求算的岩 石孔隙率和压汞试验的结果相近，因此， 将灰度阈值 26500 作为不同荷载水平下 灰度图像二值化过程的基准阈值。裂纹 面积-荷载水平关系示意图 3 所示。通 过统计二值图像中黑色像素点的个数， 进而求算初始孔隙与裂纹所占面积的百 分比，并与初始扫描图层（未加载状态） 作差，可追踪裂纹面积的变化规律如下： 各扫描层裂纹面积求算方法：第 次扫描层裂纹面积 （2） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 第层二值图中黑色像素点数；未 加载时相应扫描层二值图中黑色像素点 数；扫描层圆形统计区域内像素点总数； 扫描层圆形统计区域的面积。 3.2 灰度图分维运算 谢和平8研究表明，岩石裂纹结 构具有分形特征，且表现出一定的自相 似性。几何上，分形维数 D 表征了岩石 裂纹形态的复杂程度，D 越大，裂纹图 形越弯折，分叉越多，且呈现混乱无序 状态；D 越小，裂纹图形越光滑，越趋 于规则有序排列。即分形维数 D 能定量 表征裂纹的复杂程度与不规则性9。对 二值化后的灰度图进行截图处理（圆形 图幅区域内截取内接四边形区域） ，仅 保留核心区域。截图处理后二值如图 4 所示。 同时采用计盒维数对截图处理后 的二值图进行分维计算。原理如下：把 数字图像看成是三维空间中的曲面为像 素点的位置坐标，代表对应点的灰度值 （二值化后灰度值仅可能在 0 和 65535 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 两者之间取值） ，图像大小为，用的格 子去覆盖图像中黑色像素点（灰度值为 0）的集合，统计盒子，由盒维数定义 可知，与呈线性关系，且直线的负号就 是图像曲面的分形维数，对于得到的一 组点的与， ，利用最小二乘拟合方法得 到直线的斜率，再取负号即为图像曲面 的估计分形维数。典型分维运算结果图 5 所示。 通过 Matlab 批处理得到不同荷 载水平下分形维数的平均值，如图 6 所 示。 从上图可以看出不同不同应力状 态下分维数据的变化，从而进一步分析 岩石内部裂纹扩展的规律。 3.3 图像切片三维重构 典型泥岩 CT 图像三维重建图 7 所示。连续 CT 扫描图像的三维重建使 用 Matlab硗瓿墒且恢钟行 姆椒 萌砑有很多函数可直接用于数字图像 处理，能够进行各种矩阵的运算，提供 了图像操作及图像处理工具。主要过程 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 步骤如下： （1）CT 图像的读 写：此次 CT 图像获取格式为 tiff 格式， 因此 Matlab 可以直接读取。 （2）图像 预处理：在初始的 CT 图像中在扫描过 程中会引入噪声，因此，需要对 CT 图 像进行图像预处理，合理去除噪声的干 扰。 （3）体数据的采集：进行三维体数 据的构造。按照顺序读入连续 CT 扫描 试验所得的岩石 CT 图像，把图像的序 号作为二维数据，以此构造出一个三维 的体数据集，建立图像的三维数据矩阵。 即将采集到的 N 幅泥岩 CT 扫描图像， 图像大小为 512512，将图像的数据形 成三维体数据，形成 512512N 的三 维矩阵。 （4）数据处理：所构造得到的 三维体数据集数据量非常大，因此，占 用计算机内存大，这将给进一步的数据 处理造成一定影响。一般情况下，在不 影响计算精度的前提下，可以降低所处 理的体数据集的数据量。然后再利用 smooth 函数对体数据集进行平滑处理。 （5）利用三维体数据集进行面的绘制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 及三维重建图像的显示。计算三维体数 据集在显示平面中的总投影，此步骤可 以使用 isosurface 函数。 经过三维重建，可以清晰地看到 岩石材料基质、孔隙等内部真实的细观 结构。但是此种方法重建速度较慢，数 据量非常巨大。MIMICS 是一套高度整 合而且易用的 3D 图像生成及编辑处理 软件，它提供了基于断层扫描图像的 3D 建模功能，同时也提供了很多有限 元接口，为用户自由化的应用提供方便。 使用该软件直接读取 tiff 格式的 CT 断 层图像，经定位图像、组织图片内插值 处理、界定阈值，采用阈值方法提取裂 隙，经 3D 计算建立混凝土三维几何模 型如图 8 所示。 如图 8 可以看出基于 MIMICS 软 件针对泥岩试样进行的三维重建更接近 其真实状态和结构，并且岩石内部的裂 纹结构和微裂纹的分布也可以通过阈值 分析完整真实地提取出来，为我们对裂 纹三维结构的分析研究提供了技术支持。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-