（计算机应用技术专业论文）基于图像处理的岩石微裂隙宽度和粗糙度测量研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 几乎在所有岩体中都存在节理裂隙，这些不连续面不仅影响岩体的完 整性和连续性，而且有时会成为控制岩体强度和变形及破碎的主要因素。 大量实践证明，获得精确有效的岩石节理的几何信息，对于岩石工程项目 的成败，山体灾害的精确预测起着至关重要的作用。通过观察岩体裂隙的 情况判断其是否会危害相关工程项目，甚至预测岩层裂隙的稳定性，更早 地采取措施、更高效地防患于未然，这是当今的一大课题。 岩石微裂隙宽度是岩石微裂隙的一个重要几何信息，精确测量岩石微 裂隙宽度对监测岩体结构的健康状态、避免岩体结构损坏性缺陷具有十分 重要的意义。本文提出了一种测量节理微裂隙宽度的新方法，这个新方法 包括角点分段算法和最佳拟合长方形算法。最佳拟合长方形算法是在 f e r r e t 算法的基础上改进所得，它利用最小二阶矩解决了旋转依赖性问题。 为了精确测量岩石微裂隙宽度，首先利用角点分段算法对节理裂隙进行分 段：然后利用最佳拟合长方形算法测量每一段裂隙的宽度。把角点分段算 法和最佳拟合长方形算法相结合来测量裂隙宽度，与其它测量方法相比， 减少了劳动时间和劳动强度，提高了对岩石微裂隙宽度的测量精度。 岩石节理租糙度系数j r c ( j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i e i e n t ) 是估算岩石节 理抗剪强度和变形指标最重要的参数。j r c 的正确确定对岩体结构面抗剪 强度的计算有很大影响。本文提出了一种利用图像技术测量岩石微裂隙粗 糙度的新方法。首先对岩石微裂隙图像进行相关预处理，然后利用图像处 理技术得出岩石微裂隙曲线与其拟合直线的交点个数，岩石微裂隙曲线与 其拟合直线的宽度、岩石微裂隙曲线波峰与波谷之差，岩石微裂隙曲线的 角点个数四个参数。通过大量实验证实，这四个参数与粗糙度系数j r c 之 间有明显的关系，用这四个参数来描述岩石微裂隙的粗糙度是一个可行的 方法。在以上研究的基础上，建立了粗糙程度的计算公式。得出粗糙程度 值与粗糙度之间的关系折线图。利用己知粗糙度的节理裂隙进行验证，验 证结果表明效果较好。 关键词：岩石微裂隙，图像处理，角点分段算法，最佳拟合长方形算法， 节理粗糙度 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t r o c kj o i n t ( f r a c t u r e s ) a l m o s te x i s t si na l lr o c k s 。t h e s ed i s c o n t i n u i t y s u r f a c e sn o to n l ya f f e c tr o c k si n t e g r a t i o na n dc o n t i n u i t yb u ta l s op l a yt h ek e y r o l e st h a tc o n t r o lr o c ki n t e n s i t ya n dt r a n s f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a tp r e s e n t ， r o c kj o i n tm e a s u r e m e n tr e s e a r c hi sah o tt o p i ci nm a n yr o c ke n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s i ti sv e r yi m p o r t a n tt om e a s u r et h ea p e r t u r eo fr o c kj o i n t sf o rm o n i t o r i n g t h es t a t u so fb u i l d i n g sa n da v o i d i n gf a t a ld a m a g e so fr o c ks t r u c t u r e t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t san e wm e t h o df o ro p t i m a l l ym e a s u r i n gr o c kf r a c t u r e s t h em e t h o dm a i n l yc o n s i s t so ft w oa l g o r i t h m s ，o n ei sc o m e rd e t e c t i o nb a s e d o nt h ea l g o r i t h mf o rd i v i d i n ga p e r t u r ef r a g m e n t si nar e a s o n a b l ew a y , a n dt h e o t h e ri st h eb e s t f i t r e c t a n g l ea l g o r i t h mf o rm e a s u r i n gt h ed i v i d e ds e g m e n t s b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ed a t af r o me x p e r i m e n t s ，w ec a nk n o wt h a t c o m e rs e g m e n ta l g o r i t h mi sar e a s o n a b l em e t h o du s e dt od i v i d e ( o rs e g m e n t ) f r a c t u r ea p e r t u r e s t h ec o m b i n a t i o no ft h ec o m e rs e g m e n ta l g o r i t h ma n dt h e b e s t f i tr e c t a n g l em e t h o di ss a t i s f a c t o r yf o rm e a s u r i n gt h ea p e r t u r eo ft h er o c k j o i n t s j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ( j r c ) i st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri nt h e e v a l u a t i o no ft h es h e a rs t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o np a r a m e t e r so fr o c kj o i n t s a s c e r t a i n i n g o fr o c kj o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t a c c u r a t e l y e f f e c t sr o c k s t a b i l i z a t i o ng r e a t l y t h i st h e s i sd e s c r i b e san e wm e t h o df o rm e a s u r i n gj o i n t r o u g h n e s sc o e f f i c i e n t sb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e t h ej o i n t r o u g h n e s sc o e f f i c i e n t sw a sc o m p u t e dw i t ht h en e wm o d e lt a k i n gt h en u m b e r o fp o i n t so fi n t e r s e c t i o no o i n tc u r v ei n t e r s e c t st h ef i t t i n gs t r a i g h tl i n e ) ，t h e w i d t ho ft h es p a c eb e t w e e nt h ej o i n tc u r v ew i t ht h ef i t t i n gs t r a i g h tl i n e ，t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew a v ec r e s to ft h ej o i n tc u r v ea n dt h et r o u g h ，t h e n u m b e ro ft h ec o r n e rp o i n t sa st h eb a s i cf a c t o r s b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h ed a t af r o me x p e r i m e n t s ，w ec a nk n o wt h a tt h en e wm e t h o di ss i m p l ea n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：m i c r or o c kf r a c t u r e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m e rs e g m e n ta l g o r i t h m ， b e s t f i tr e c t a n g l ea l g o r i t h m ，j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞 邮电塞堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：主b 号 签字日期： 钎6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞整电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重废邮电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：呈b 芳 导师签名： 签字日期： 狮7 年6 月厂日 签字e l 期： 劫7 年6 月扩日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在岩体工程中，屡次出现重大事故。如2 0 0 7 年4 月2 日重庆彭水县因 暴雨发生山体滑坡，导致7 人死亡1 人受伤；2 0 0 6 年5 月2 3 日鄞州区五 乡石山弄明国采石场岩体发生坍塌，导致二人死亡：2 0 0 6 年4 月1 2 日四 川省雅安市宝兴硗碛水电站发生一起岩体坍塌事故，导致6 人死亡。2 0 0 5 年8 月4 日，慈溪市杜湖墓园岩体发生坍塌，由于两位工作人员躲避不及 时，被下落的物体击中，导致二人死亡。以宁波市露天矿山为例，据统计 2 0 0 5 年全市露天矿山共发生死亡事故1 4 起，死亡1 8 人。其中边坡坍塌事 故发生3 起，死亡7 人( 占3 9 ) ；由于岩体坍塌导致人员被物体击中事 故l o 起，死亡1 0 人( 占5 6 ) 。大量统计数据表明，这个问题应该引起 广大工程技术人员的高度重视。如果能在事故发生之前，就能对岩石裂隙 稳定性进行预测，这样的事故发生的几率就会减少。 本文工作围绕岩石微裂隙图像处理、角点信息提取、宽度测量算法、 粗糙度测量算法而展开的，最终目的是为了测量岩石微裂隙的宽度和粗糙 度，为了精确分析岩石裂隙的稳定性做准备。 1 2 课题的目的和意义 上述事故多数情况都是因为坍塌造成的，坍塌产生的原因很多，但其 中很重要的一个因素就是由于地质情况和自然条件的变化，致使岩体裂隙 发生变化，因而使得岩体的内磨擦力减少，稳定应力受到破坏，最终导致 坍塌提前发生。在岩体工程中出现的地质事故中，绝大部分与岩石节理裂 隙和断层有关。当应力达到岩石强度极限时，岩石就会发生破裂而破坏， 岩石破裂起源于微裂隙的形成、扩展、集结、最终发展为宏观破裂。微裂 隙在地壳浅部层次中广泛发育，形成了各种样式的节理和断层构造。节理 是岩石中的裂隙，是没有明显位移的断裂，也是地壳上部岩石中发育最广 的一种构造。在岩石工程中，节理裂隙特征是一项非常重要的岩石物理性 质。节理的研究在理论上和生产上都具有重要意义。节理裂隙岩体是坝基、 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 边坡、地下洞室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂岩体，其力学强度、变 形、渗透性及与时间相依性等特征直接影响各类岩体工程设计、施工、运 行期的稳定分析与加固处理。节理有时被作为有用矿物的运移通道，有时 也是含矿构造，节理也是岩石中地下水运移、渗透的通道和储聚场所。大 量发育的节理常常引起水库的渗漏和岩体的不稳定，给水库和大坝等工程 带来隐患。据水利部调查统计资料显示，在全国2 4 1 座大型水库先后发生 过的1 0 0 0 宗工程事故中，因渗流破坏引起的事故占3 1 7 。因此，获得精 确有效的岩石节理的几何信息，对于岩石工程项目的成败，山体灾害的精 确预测起着至关重要的作用。通过观察岩体裂隙的情况判断其是否会危害 相关工程项目，甚至预测岩层裂隙的稳定性，更早地采取措施、更高效地 防患于未然，这是当今的一大课题【i 。】。 1 3 国内外研究现状分析 目前国内对于节理裂隙宽度测量及粗糙度测量的仪器虽然有不少，如 岩石节理表面粗糙度检测仪等，但这些仪器都需要接触式测量，需要与岩 石节理面进行接触才能得到测量结果。人工实地测量需要工作人员攀上裸 露的岩体才能进行测量。但很大一部分岩体的表面是人们不能到达的( 如 微裂隙，或悬崖处裂隙) 。人工实地测量是一种耗时而又危险的工作，这种 测量工作使得劳动强度高、效率低，同时测量精度并不高。并且由于没有 将岩石表面细节详细记录在案，影响进一步的工程应用分析。 为了精确地预测山体灾害，减小灾害带给人们的重大损失，客观、准 确、快速的测量岩石节理裂隙的几何信息，显得尤为迫切。本课题的研究 目的，是利用图像分析法来测量岩石裂隙宽度及粗糙度等特征参数。这种 方法减轻了检测工作的劳动强度，提高了测量效率、水平和精度，保证了 检测工作的客观性。同时为判断岩体裂隙的安全程度、预示危险岩体和危 险荷载、为重大事故的预警提供了保证。 1 3 1 岩石微裂隙宽度测量技术的研究现状 1 9 9 4 年由水利部发布的中华人民共和国行业标准一一土石坝安全监测 技术规范s l 6 0 - - 9 4 中规定：对土石坝表面裂缝，般可采用皮尺、钢尺 及简易测点等简单工具进行测量。对表面裂隙宽度的变化，宜采用在裂隙 两边设简易点，测量测点的距离来确定。裂隙宽度应精确到o 2 r a m 3 1 。通 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 常在工程中就按照此行业标准采用手工的方法测量岩石裂隙宽度，如使用 赛尺或直尺测量，但是随着量测尺度愈大或比例尺愈小，则量测精度愈差： 使用测隙规测量，易受到自然条件的影响，引起的随机误差和系统误差较 大【4 4 l ；不仅如此，手工方法都需要大量的人力劳动，工作效率较低。目 前检测岩石表面裂隙的方法除手工方法外，还有扫描电子显微镜法 ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y - - - s e m ) 、声发射法( a e ) ，红外线和摄影法 6 1 等。扫描电子显微镜法( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s e o p y - - s e m ) 虽然分辨 率高，但只能实时观测到试样表面裂纹变化。声发射法( a c o u s t i c e m i s s i o n a e ) 通过声发射事件、振幅统计分析，可以探测岩石内部裂纹萌 生、扩展过程，但对岩石内部裂纹宽度测量均无能为力。应用断裂力学方 法也无法解决岩石内部裂纹宽度定量描述问题。除此之外，还有一些确定 岩石裂隙宽度的间接方法，如经验公式，水利实验法【5 j ，根据x 射线c t 方法推导出的岩石体应变公式得出裂隙宽度公式1 7 1 等，这些方法均涉及到 概率论与数理统计以及岩石力学方面的知识，对使用者要求较高，应用范 围不广，测量工作比较繁杂且所得结果精确度不高。 近年来，也有不少研究者采用图像技术来测量岩石裂隙宽度。尹兰等 人【8 】利用图像分析法来测量混凝土表面裂缝的宽度，他们先搜索到裂缝的 边缘点，然后利用距离公式直接求出每一边缘点到另一边缘的垂直距离作 为裂缝宽度。若采用这种方法，当裂缝旋转了一个角度后，仍计算一边缘 点到另一边缘点的垂直距离作为裂缝宽度，这时计算出来的裂缝宽度与旋 转角度前计算的裂缝宽度不同，计算结果不具有唯一性。李蒙等人【9 l 先提 取出节理裂隙的骨架，在骨架的基础上测量裂隙宽度，当骨架提取较好时， 节理裂隙边缘提取信息很丰富，进而裂隙宽度测量比较精确；当骨架提取 较差时，边缘提取信息也不理想，导致裂隙宽度测量误差比较大。但到目 前为止，还没有很理想的骨架提取方法，采用已有的骨架提取方法提取的 骨架都不太精确。因此，在骨架提取基础上测量节理裂隙宽度并不是非常 实用的方法。施树明等人【10 】利用数字图像技术测量裂缝宽度时，首先确定 图像中破损最严重的裂缝子块区域，然后对该子块进行中值滤波、二值化 等图像处理，最后通过计数的方法确定裂缝的宽度。这种方法中首先检测 出破损最严重的裂缝区域，只针对破损最严重的区域测量了裂缝宽度，对 于其他区域的裂缝宽度都没有给出测量方法。因此，采用这种方法测量节 理裂隙宽度也不是很实用的方法。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 2 岩石微裂隙粗糙度测量技术的研究现状 节理粗糙度系数j r c ( j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ) 由挪威学者 b a r t o n d 2 1 提出，是描述岩体结构面表面粗糙起伏形态对抗剪强度影响的 经验系数，是岩石节理表面几何形态的定量描述参数，j r c 的可靠测量是 客观地预测节理抗剪强度、位移时产生的膨胀和水力传导特征的关键。节 理粗糙度系数对岩体的摩擦角、膨胀和峰剪应力产生很大影响。在中等法 向力作用下，岩石节理的变形和抗剪强度在很大程度上受节理面粗糙度的 影响i t 3 。岩石粗糙度对节理强度的影响，已有许多研究。p a t t o n 】的研究 表明，不同的粗糙坡度使岩石节理的破坏机制发生转变，从而有不同形式 的剪切强度包络线。b a r t o n 等人【l5 l 提出的岩石节理抗剪强度经验准则，反 映了节理粗糙度( j r c ) 的影响。2 0 世纪7 0 年代初，l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t ， j a e g e r ，b a r t o n 和g o o d m a n 等人通过大量的理论研究和工程实践，提出了 具有齿凸的粗糙结构面双直线强度准则： 当盯较低时，f p = 孵( 线+ f ) ；而当盯较高时f p = o t g q + 5 ，。 ( 1 。1 ) ( 1 1 ) 式中吼为光滑结构面的摩擦角；i 为结构面齿凸角：f 。为结构 面的峰值抗剪强度；s ，为齿凸抗剪强度截距；盯为作用于结构面上的法向 应力。 b a r t o n 在1 0 0 多条人工拉断节理研究的基础上，总结出一种可估算结 构面峰值抗剪强度的方法，即j r c j c s 模型，其表达式为： 胪c f = 盯f g 【职c l g 【竺兰】+ 作】 ( 1 2 ) o r ( 1 2 ) 式中f 为峰值抗剪强度；盯。为有效法向应力；j r c 为节理粗糙 度系数；j c s 为结构面壁的抗压强度；矿，为结构面的残余摩擦角。 j a e g e r 也提出了节理剪切强度非线性地相关与节理粗糙度的经验公式。 赵坚认为j r c j c s 模型没有考虑到节理吻合系数的影响，往往过高地估计 了岩石的抗剪强度，于是在j r c j c s 模型基础上提出了j r c j m c 模型【1 6 】 ，r c f = 吒辔【职c m 纪l g 竺兰+ 作】 ( 1 3 ) 吒 ( 1 3 ) 式中r 为峰值剪切强度；盯为正压力；j r c 为节理粗糙系数； j m c 为节理吻合系数；j c s 为岩石的抗压强度；作为残余摩擦角。 在j r c j c s 模型及j r c j m c 模型中，j r c 是唯一的未知量。 从以上分析可知，精确获得岩石节理粗糙度系数为预测岩体稳定性起 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 着关键作用。j r c 的确定方法有很多方式，传统方法是根据经验来确定j r c 值，其中一个经验方法是目测法 】，与国际岩石力学协会公布的1 0 条 b a r t o n 标准轮廓线( 这些值的范围从2 0 ( 非常粗糙断裂) 至1 0 ( 波状起 伏的断裂) 至小于5 ( 平面光滑断裂) ) 进行目测比较，但是仅仅通过目测 进行曲线对比来确定j r c 值存在很大的人为因素。 另一个经验方法尾数值估算法，为了避免视觉上的主观性，t s e 和 c r u d e n t ”】通过对8 种表面几何参数的研究，发现节理面一阶导数均平方根 z ，( 拟粗糙体坡度) 和结构方程( s f ) ( 拟粗糙点高差) 与j r c 有较好的 相关性，于是产生了j r c 值数值估算法。下面即为低正应力时j r c 的近似 值。 j r c = 3 2 2 + 3 2 4 7 l o g ( z 2 ) ( 14 ) j r c 23 7 2 8 + 1 6 5 8 l o g ( s f ) ( 1 5 ) ( 1 4 ) 式中z ，为剖面一阶导数的均方根，( 1 5 ) 式中的s f 为剖面的一 阶导数的均方。此法中厶及肛不好确定，所以用起来也不方便。 从以上分析可知，只凭借经验来确定j r c 值，存在很大的缺陷。很多 研究者在租糙度测量方面做了大量的研究工作，到目前为止，除了经验方 法外，粗糙度测量方法大体上可以分为3 类：机械测量方法、光学测量方 法和岩石力学测量方法 1 9 】。机械测量方法包括简单的触觉试验、用手工或 电子画线器测量横断线粗糙度的接触测量方法，用滚球作动、静摩擦试验 ( 类似于倾斜试验) 、用表面粗糙的金属球进行顺服试验、从冶金学引用过 来的分段切面法以及用于大规模路面粗糙度测量的垂直加速计方法；光学 测量方法主要有光断面显微术方法、干涉仪方法、斑点计量学方法、激光 轮廓仪方法、摄影测量学方法、阴影轮廓曲线仪方法以及测量大规模海浪 波形的反射激光方法；岩石力学方法主要有倾斜试验方法、直剪试验方法、 c l a r 罗盘和圆盘倾斜仪方法、标准轮廓曲线方法、分形分维方法、直边法 和修正直边法，以及测量大规模岩石节理表面粗糙度的线形断面法等。上 述各种测量方法在实际测量中各有利弊，有的需要人工后续计算，比较麻 烦；有的是属于机械接触型测量，其接触装置的使用寿命以及测量精度都 会受到机械磨损的影响，甚至有的还对岩石微裂隙表面产生负面影响。 h a a s 等人( 1 9 7 5 ) 利用表面轮廓记录仪绘制长6 1 e m 的水平节理表面轮 廓曲线，该仪器具有精度高、曲线连续、绘制速度快、可直接读出峰高和 谷深值等优点【2 ，但试件要求加工成一定的尺寸且严格按一定的比例安 装，从而限制了操作速度，而且只适用于室内6 l 6 1 c m 的水平节理面。 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 s t i m p s o n ( 1 9 8 2 ) 研制的轮廓尺和模型模子 2 1 】将1 7 0 根等长的针夹于一 长形夹子内组成一个平面，并垂直放置于基准面水平的节理表面，将沿节 理表面起伏而自由升降形成的针上端起伏轮廓以喷漆或喷墨记录于背景 的绘图纸上，得到节理表面轮廓曲线，其精度取决于针的直径，其测量长 度受针的直径和针的数目控制，而且只能绘制水平节理面的轮廓曲线。 夏才初等人( 1 9 9 4 ) 的r s p 1 型智能岩石表面形貌仪将机械、控制、测试 和数据处理4 个部分合为一体，在绘制轮廓曲线的同时，求得表面形貌特 征参数。该仪器的测试量程为1 0 m m ，分辨率为0 0 1 m m ，适用于实验室节 理租糙度测量 2 2 1 。由于设备复杂，实际应用特别野外现场测量困难很大。 近年来许多研究人员运用分形几何描述岩石节理表面的粗糙度，并试 图建立分形维数与j r c 的量化关系 2 3 - 2 7 。实验表明：结构面的粗糙曲线分 形维数差别极小，从j r c 为0 的轮廓曲线到j r c 为2 0 的轮廓曲线，分形 维数最小为1 0 0 0 0 3 。最大为1 0 6 9 4 0 ，均接近于1 。这是由于根据分形理 论，精确的分维量测结果应当在适当小的码尺尺度范围内获得。而一般节 理位形量测仪的分辨率是有限的，尺度范围不可能适当地小，故导致其分 维值很小。理论上，分维数d 使j r c 估测实现了定量化，优于经验估测法。 但码尺方法得到的标准轮廓曲线的分维数差别太小，这种微小的差别常被 测量误差所覆盖。利用分形几何来描述岩石节理表面的粗糙度的基本前提 就是结构面表面具有自相似分形( s e l f - s i m i l a r ) 结构，而自然岩石节理很 难严格满足这种条件。岩石节理表面轮廓曲线不具完全自相似性，而具统 计自相似性。岩石节理表面轮廓曲线的统计自相似性要求在运用分形方法 估测j r c 时，统计测量是必须的。实际应用发现，采用人工方法求取一条 节理曲线的分维数d 需2 3 小时，目前也有很多求分维数d 的算法，但 对同一条节理裂隙曲线采用不同的算法计算出的分维数差别很大，可见采 用分形几何方法估测j r c 步骤繁琐、速度缓慢，精确度不高，不适用于具 各质异性、各向异性和非均一性的j r c t 2 8 j 统计测量。一般认为，j r c 越大， 分形维数也越高，即节理面越粗糙。由于诸多研究者采用的测量方法、尺 规以及对分形维数的计算方法有所不同，得到的结果存在一定差距，甚至 相反【2 弘3 0 】。综上所述，利用分形几何描述岩石节理表面的粗糙度并不理想。 从以上的分析可知，以上的各种方法均不能很好的测量粗糙度。 国际岩石力学学会( i s r m ) 指出，测定粗糙度之全部用途在于对岩石节 理抗剪强度和位移时产生的膨胀作出最后的评价或计算【”1 。如果粗糙度测 量步骤过于繁琐，测量条件限制过于严格或者适用范围过于狭窄，甚至粗 糙度测量困难大于对岩石节理进行抗剪试验，那么节理粗糙度测量就失去 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 了其实际应用价值。换言之，节理粗糙度测量的目的在于，通过野外岩石 节理j r c 的定向统计测量，分析节理籀糙度的各质异性、各向异性和非 均一性规律，从而选择代表性强的j r c 指标用于预测节理抗剪强度、变形 特征和水力传导参数，为正确评价工程岩体的稳定性提供可靠的依据。 随着计算机图像处理功能的广泛应用，数字图像处理技术已经深入到 了人们生活中的各个方面。目前，图像处理技术在许多应用领域受到广泛 重视，并取得了重大的开拓性成就，其中包括航空遥感、工业检测、机器 人视觉、生物医学工程、公安司法、交通控制、军事制导、文化艺术等。 在近2 0 年内数字图像技术在物体非接触测量领域也得到了快速发展。与 人工实地测量相比，图像测量除安全性好、速度快和精确高外，还可得到 人工测量不能获得的信息( 如微裂隙，或悬崖处的裂隙几何特征等) ，并可 以同时采集多个样本的多个参数，进行并发式测量。 由瑞典s k b 和欧盟联合资助的项目t r u e ( t r a c e rr e t e n t i o nu n d e r s t a n d i n g e x p e r i m e n t s ) 是通过研究岩石节理裂隙来防止核废料的扩散。该项目其中一 项重要的内容就是利用图像处理的方式对岩石节理裂隙进行研究。研究的 方面涉及到岩石节理裂隙图像采集、图像处理、节理裂隙测量、节理裂隙 综合分析等方面。利用数字图像技术测量岩石微裂隙粗糙度也是该项目中 的一部分。利用图像技术测量岩石节理粗糙度，是一种新的方法，它比以 前的一些方法相比，是一种非接触式的自动测量方法。这种方法能避免接 触测量的缺点，同时它能适用于野外任意产状的岩石节理面，安全性好， 速度快、精确度高。 1 4 本文所做的工作 因为当前岩石节理裂隙的检测手段多数情况只能得到手工的裂隙相关 数据，所以系统的分析整体岩体结构的稳定性与节理裂隙之间的关系是个 相当烦琐的过程，并且现实存在数据量不足、不十分可靠的问题。为了解决 这个问题，我们需要做以下几方面的工作： 对岩石节理裂隙图像进行预处理 岩石节理裂隙图像属于强噪声图像，信噪比比较低。本文首先采用通用 图像预处理技术消除了图像中的椒盐噪声和随机噪声；采用图像分割技术 分割出岩石节理裂隙；采用图像边缘检测和图像细线化技术对图像进行边 缘检测和细线化处理；采用形态学中的膨胀和腐蚀技术填补岩石节理裂隙 中的孔洞：采用断裂裂隙连接技术连接上断裂的裂隙；岩石节理裂隙图像 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 经过以上的图像预处理后，突出了图像中的节理裂隙信息，方便了图像的后 续处理。 利用图像技术自动获得岩石节理裂隙宽度。 提出了角点分段算法，改进了简单f e r f e t 算法，提出了最佳拟合长方 形算法。首先利用角点分段算法对预处理后的二值图像分段，然后利用最 佳拟合长方形算法测量每一段裂隙宽度。 利用图像技术自动获得岩石节理裂隙粗糙度。 提出了利用岩石微裂隙曲线与拟合直线的交点个数，岩石微裂隙曲线 与拟合直线的宽度、岩石微裂隙曲线的波峰与波谷之差，岩石徼裂隙曲线 的角点个数四个参数来描述岩石微裂隙的粗糙度。并建立了粗糙程度的计 算公式，得出了粗糙程度值与粗糙度之间的关系折线图。并用已知粗糙度 的裂隙对该数学模型进行验证。 1 5 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章绪论：介绍了岩石微裂隙宽度和粗糙度测量的研究背景、目的 和意义、以及目前岩石微裂隙宽度和粗糙度测量技术的国内外研究现状。 阐明了岩石微裂隙宽度和粗糙度测量研究具有十分重要的理论价值。 第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理：介绍了常规获取图像的 方法，分析了岩石节理裂隙的特征，以及针对岩石节理裂隙采用的图像获 取方法。介绍了本研究中用到的岩石节理裂隙图像处理算法。 第三章岩石微裂隙宽度测量及相关实验分析：分析了利用图像技术测 量岩石微裂隙宽度的优势，提出了角点分段算法，以及最佳拟合长方形算 法，并用模拟图像和实际微裂隙图像对新提出的算法进行了验证，验证结 果较好。 第四章岩石微裂隙粗糙度测量及相关实验分析：分析了岩石节理微裂 隙的粗糙度常规测量方法的优劣，提出了一种新的基于图像处理技术的测 量岩石节理微裂隙租糙度的测量方法，利用该方法对十条标准粗糙度裂隙 曲线进行了测试，能很好的区分出标准粗糙度曲线。用己知粗糙度的微裂 隙曲线对新模型进行验证，效果较好。 第五章结论及未来的工作：总结了本文所做工作，并探讨了进一步的 研究方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 2 1 岩石节理裂隙图像获取 图像获取的方式方法一般是根据工程和试验的内容而定，但提高图像 质量是图像获取的主要目标。图像质量的好坏直接关系到后续的图像处理 及分析。 2 1 1 常规获取的图像类型 目前能获取的图像类型有以下几种 3 2 1 ： 光学图像 图像来自卫星探测、航空测量、地面摄影及显微镜图像采集等，精 度越来越高。 激光图像 主要是三维测量几毫米至几米大小的节理裂隙 c t 图像 在实验室用于测量微小裂隙。 雷达图像 由于雷达设备精度提高，可用于钻孔和卫星探测等。 超声波图像 根据波反射原理来获取岩体内部的节理裂隙结构。 红外图像 用于特殊场合。 2 1 2 岩石节理裂隙图像特征 岩石节理裂隙图像有以下几个主要特点： 图像由几十条乃至几百条粗细及长度不等的裂隙交织而构成，裂隙 的粗细宽度比可高达百倍，多尺度图像处理方法对此较为敏感。 由于裂隙生成过程及环境不同，既有山脊或山谷式的裂隙，也有阶 梯式的裂隙，所以单一的边界扫描算法不能将所有的裂隙准确地检测出 9 重庆邮电大学硕士论文第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 来。 由于裂隙中充填物的异同，裂隙表面较为粗糙，如果用单纯的基于 区域的分割法进行分割，粗裂隙部分容易被过分分割，而细裂隙部分易被 丢失而产生断口。 粗裂隙部分中内部的孔隙及矿物颗粒是裂隙中的一个重要组成部 分，为得到这些信息，在裂隙被提出后，还要进行二次精细分割。 岩石表面除颜色及灰度变化较大外，表面上的粉尘及高低不平度( 三 维构造) 也会使表面粗糙( 背景和前景界限不清楚) 。一般的阈值分割方法很 难将裂隙网络从背景中分离出来。 所以，如果只采用可见光获取岩石节理裂隙图像，这些特性不仅使图 像处理分析困难，同时也无法搞清楚表面裂隙在第三维方向上的信息。如 果结合其它光源的图像( 如紫外光图像 进行处理分析，信息获取效果就 会好很多。 2 1 3 岩石节理裂隙图像获取 可见光图像详细地反映了节理裂隙的连接细节及孔壁面上的岩石类 型，而紫外光图像清晰地展示了岩石节理裂隙的整体结构，这是可见光图 像难以得到的结果，二种图像的信息结合，可获得岩体的大量物理信息【3 ”。 本文中结合了可见光和紫外线两种光照系统成像的优点，获取两种不同类 别的图像，紫外线图像清晰地展示了岩石节理裂隙的开启程度( 这是可见光 图像难以得到的结果) ，而可见光图像详细地反映了节理裂隙的连接细节及 其充填物类型。二种图像的信息融合，不仅可获得岩体节理裂隙的大量几 何信息，而且还可为节理裂隙图像的自动处理和分析提供准确的信息和便 利。图2 1 和图2 2 是对同一个标本采用可见光和紫外线光分别拍照后的 两幅图像。 图2 1 可见光图像图2 2 紫外线光图像 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 从图2 1 中可以看出：在可见光图像中，开启的节理裂隙中侵入的环氧 树脂材料呈现暗绿色；而在具有松软充填物的节理裂隙中，侵入的环氧树 脂材料同充填物粘合在一起，颜色为非均匀的浅绿色。可见光图像由于包 含了所有可见细节信息，适用于局部的详细分析，但无法判断裂隙的开启 程度，而又由于噪声太多，影响了对岩石裂隙边缘数据的获得。在紫外光 图像中i 紫外线本身并不可见，但环氧树脂吸收紫外线以后会发光，所以 注入了环氧树脂的节理裂隙部分亮度比较高，而没有注入环氧树脂的非节 理裂隙部分亮度较低，这部分的细节不显示在图像中。该图像适合岩石裂 隙边缘获取，裂隙的光亮程度也反映出了裂隙的开启程度。但对图像细节 表达不够，忽略了很多对裂隙细节及充填状况分析很有用的数据。 在该研究中，5 0 个不同的岩石节理裂隙样本被选择进行图像获取试验， 对每个样本进行可见光和紫外光两种不同的光照取像。除了用数码相机取 像外( 放大系数为7 ) ，还用显微镜取像( 放大系数为6 0 ) 。这样，我们有 了两种不同光源的图像，而两种图像的互补为我们的图像分析具有很大的 启发和帮助。共计获取图像约5 0 0 幅。 2 3 岩石节理裂隙图像处理基本算法 2 3 1 灰度图像处理基本算法 图像预处理 图像预处理的功能是去除图像中的噪声以便于图像的识别。图像噪声 去除的一般方法有平均模板平滑、中值滤波、空间域低通滤波、频率域低 通滤波等 3 3 1 。 平均模板平滑的思想是用一点和邻域内像素点的平均来代替突变的像 素点，从而滤去一定的噪声，其主要优点是算法简单，计算速度快，但其 代价是会造成图像一定程度上的模糊。平均模板平滑的平滑效果与所采用 邻域的半径有关。半径越大，则图像的模糊程度越大，因此，减少图像的 模糊是图像平滑处理所研究的主要问题之一。 中值滤波就是用一个奇数点的移动窗口，将窗口中心点的值用窗口内 各点的中值代替。二维中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波效果影响很大， 不同的图像内容和不同的应用要求，往往采用不同的窗口形状与尺寸。常 用的二维中值滤波窗口形状一般采用线状、方形、圆形、十字形以及圆环 重庆邮电大学硕士论文第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 形等。窗口尺寸一般先用3 * 3 ，再取5 * 5 逐渐增大，直到滤波效果满意为 止。就一般的经验来讲，对有缓变的较长轮廓线物体的图像，采用方形或 圆形窗口为宜；对于包含有尖顶物体的图像，用十字形窗口，而窗口大小 则以不超过图像中最小有效物体的尺寸为宜。如果图像中点、线、尖角细 节较多，则不宜采用中值滤波。 平均模板平滑和中值滤波都是局部平均平滑技术常用的方法，他们都 是基于图像是由许多灰度恒定的小块组成，相邻像素间存在很高的空间相 关性，而噪声则是统计独立的。这2 种方法对两幅裂缝图分别处理的结果 如图1 所示。结合它们的数学模型并比较图1 ( a ) 与( b ) ，( c ) 与( d ) 四幅图，可 看出，中值滤波清除噪声的同时，对突出微裂隙的边缘没有较好的帮助； 而平均算法对边缘有一定的破坏，但却锐化了微裂隙边缘，为以后的微裂 隙计算提供了充分的准备。本文采用平均模板平滑微裂隙图像。 ( a ) 平均平滑 ( b ) 中值滤波 ( c ) 平均平滑( d ) 中值滤波 图2 3 平均平滑和中值滤波平滑后图像 图像分割 图像分割的主要目标是将图像划分为各具特性的区域，并提取出感兴 趣的目标。图像分割是图像分析、处理的最重要的步骤之一，图像分割的 结果直接关系到图像分析、处理的结果。目前关于图像分割的算法已有一 千多种，很多学者对此做了分类【3 4 q6 1 。常用的分割技术有阈值分割法、类 判别法、区域法、匹配法等【3 。但由于成像条件的复杂性，很难找到效果 重庆邮电大学硕士论文 第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 很好且普遍适用的分割规则，必须根据有关景物的总体知识和先验经验， 对不同图像采用不同的分割技术。 1 ) 手动阈值分割 图像中的背景和目标区域中相邻像素的灰度值具有相近性，不同目标 和背景的像素灰度值有差异。反映在直方图上，不同目标和背景对应不同 的峰。手动阈值分割就是选取两峰之间的谷作为阈值，从而将各个峰分开， 实现图像分割。阈值分割的优点是实现简单，对于不同类别的物体灰度值 差别很大时，能实现有效地分割。 2 ) 自动阙值分割 阈值的选择是图像阈值分割的关键。若阈值取得过高或过低，都将产 生目标和背景像素点的误判。手动阙值分割操作费时。因此，人们开始致 力于自动阈值分割算法的研究。b c v ( b e t w e e nc l a s sv a r i a n c e ) 算法就是 其中一种。 b c v ：假设灰度值为i 的像素点出现的概率为p ， 灰度值均值为： = p f ( 2 1 ) 这幅图像分为两部分( 比如背景、图像前景) ，一部分图像的灰度值从 l 到k ， 概率为： 均值为： = 所= c o ( k ) i = l i 胁= p j = ) 国o ) 另一部分图像的灰厦值从k + l 到m ， 概率为： 国r 。 - + p i = 1 - w ( 七) 均值为： - 2 ，萎? ，= ( 声一以七) ) ( 1 一( 七” 且 国o o + ( - ) 1 - a 12 试着找出变量为k 的函数的最大值： ，：o ) ：( 鳓一y + q “一r ；。一。) 2 = 芝黼 此时的k 为阈值。对于目标区域和背景对比明显的图像， 以实现较好的自动分割。 3 ) 类判别法寻找阈值 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) b c v 算法可 重庆邮电大学硕士论文第二章岩石节理裂隙图像获取及相关预处理 由输入图像的灰度级直方图( 用灰度级的概率函数p h s ( i ) 来表示) ，来计 算灰度均值： a v e = ( f 1 ) 胁( f ) ( 2 8 ) 然后计算灰度类均值a v e r ( k ) 及类直方图和w ( k ) ，即 彳懈 ) = ( i + 1 ) p h s ( i ) ( 2 9 ) 矽( | j ) = p i 拈o ) ( 2 1 0 ) 将式( 2 8 ) ，( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 算得结果代入式( 2 1 1 ) 中求类分离指标： q ( k ) = ( d v 丽e x w 丽( k ) 西- a v ；两e r ( k 一) ) 2 ( 2 1 1 ) 最后计算使q 最大的k 值，即可得出最佳阈值t = k l 。 二值化图像的关键是阈值选取，因为这将直接影响图像边缘点提取的 精度，利用手动选阈值，虽然可以通过不断观测，不断调整二值化裂缝图 像，但这样会影响测量速度，精度亦受影响。本文首先采用类判别法寻找 阈值，再利用形态学中的开运算对图像进行处理，就可以得到较好的二值 图像。图2 4 是对图2 3 中的两条裂隙利用类判别法得到的二值图像。 图2 4 图2 3 中两条裂隙的二值图像 4 ) 图像边缘检测 图像边缘检测也属于分割中的一部分，边缘检测的算法也非常多1 3 8 - 4 0 。 r o b e , s 算子对具有陡峭的低噪声的图像处理效果较好，但定位不是很准 确；s o b e l 算子有抑制噪声的能力，对边缘定位比较准确，但提取的边缘 比较粗；p r e w i t t 算子对灰度渐变和噪声较多的图像处理效果比较好；l o g 算子具有各向同性，可以通过选择不同的高斯尺度核o r 使其适合于多尺度 空间的边缘检测，但经常出现双像素边缘，且检测到的边缘的连结性较差， 对噪声比较敏感；c a n n y 算子使用两种不同的阈值分别检测强边缘