基于数字图像处理技术的土石混合体颗粒组成分析

基于数字图像处理技术的土石混合体颗粒组成分析

土石混合体的力学特性与内部石材的含量密切相关。然而，由于结构岩石（土石混合体）的粒径较大（最大粒度约为2毫米），因此很难通过现有的粒度分析方法（例如，筛选）获得相应的粒度组成。随着现代图像处理技术及计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已被广泛应用于各类领域(如,医学、航空航天、材料、无损检测、岩土工程等),并表现出其强大的优势。本文拟对数字图像处理技术应用于土石混合体颗分进行研究。1土石混合体结构土石混合体是由粒径相对较大的块石及其土体填充成分构成。由于断面规模和尺寸的变化,其内部结构也将会发生相对的变化。如图1所示为一土石混合体断面结构示意图,图中I、II、III分别对应了不同的研究尺度。由图1中可以看出,对于I区,仅由细粒土体构成,未包含有任何块石,可以概化为连续介质;对于II区,已包含有一定尺度的块石,概化为由细粒土体作为充填成分,由细小碎石作为骨架的不连续介质;对于III区,不但包含由相对于II区来说不可忽略的碎石,而且还包含了粒径较大的块石,可概化为由相对较大的块石作为骨架,由土、砂土及尺寸相对较小的碎石填充构成的不连续介质。从某种意义上可以说:土石混合体的结构是相对的,只有在确定的地质条件及研究尺度条件下,土石混合体的结构才是唯一确定的。因此,土石混合体中作为充填成分的“土”为一个相对的概念,它不同于传统概念中的“粉土”、“粘土”等细粒土体,其粒度范围随着研究尺度的变化而发生相对的变化,粒径上限可能由几毫米到几厘米甚至几十厘米。要研究土石混合体的内部细观结构,首要的问题必须解决对于一定的研究尺度的土石混合体中“土”与“石”粒径分界值——土/石的阈值。Medley、Linquist(1994,1995)等人在对Franciscan等地分布的土石混合体的研究中发现,土石混合体具有很重要的一个性质——比例无关性;并定义土石混合体中土、石阈值为:dthr=0.05Lc,式中:dthr—为土、石阈值;Lc—为土石混合体的工程特征尺寸;Lc=A√‚ALc=A‚A—为研究区断面面积。因此,对于面积为A的研究区内,其土石混合体内部结构组成中的土、石判据为:{d≥dthr为石d＜dthr为土{d≥dthr为石d＜dthr为土。式中:d—量测块体的粒径。2数字图像的生成数字图像处理技术是把来自照相机、摄像机、扫描装置等的图像,经过数学变换后得到存储在计算机中的数字图像信息,再由计算机进行分析和处理,最后得到所需要的各种结果。数字图像在计算机中是由一系列矩形排列的像素点构成,在灰度图像中每个像素点对应一个整数值,用以表示该点的亮度,即灰度。常见的256色或二值化图像,其灰度值为0～255和0～1。整个图像便由具有不同灰度值的像素点阵构成,不同的灰度值分别代表了图像所包含的不同信息,这些象素点对应的各个离散数据便成为下一步数字图像处理的基础。2.1图像的灰色度和色彩使用相机或其它图像获取设备得到的岩土工程材料图像包含了这些材料的丰富信息,这些信息则会通过相应的灰度值或色彩来反应。因此,可以通过图像的不同象素点所反应的灰色度或色彩的变化来获取材料内部不同物质成分、颗粒含量、粒度分布、及其结构特征等有价值的资料,以进行一系列相关研究,并建立其相应的细观结构“概念模型”。图2显示了基于数字图像处理系统的土石混合体或其它岩土材料内部细观结构特征研究流程。2.2混合体一定尺寸的断面照片土石混合体物质组成的复杂性决定了在研究过程中难于取得其相应的原状试样,故无法利用现有的新技术手段(如CT、扫描电镜等)来精确获取其内部细观结构的数字图像。只有借助现有技术手段(如相机、摄像机等)现场获取土石混合体一定尺寸的断面照片,以研究土石混合体现场真实的细观结构特征,建立较为符合实际的“概念结构模型”。为此,首先在试验研究场地开挖一定尺寸的断面(或选取已有的断面),并将表面进行平整、清理干净。然后,在选取断面的适当位置水平放置刻度尺,以标定经过图像处理后试样图像的实际尺寸及图像方位。最后,利用高精度的数码相机或光学相机等对选取的断面进行拍照,并输入计算机存储。由于外界各种因素(如光照、断面的平整度、块体与周围填充土体的色彩差异性等)的影响,使得通过上述方法获得的断面图像通常存在有大量的图像噪音而难以直接用于数字图像分析。为此,首先要利用已有的图像处理软件对原始图像进行处理,以消除这些不良因素,提取需要研究的对象。2.3图像象素转换的比例关系数字图像是由一系列矩形排列的象素点构成,其中每个象素点对应于一个正方形,相邻象素点间的距离(水平或垂直)与图像所代表的实际尺寸(长或高)间存在一定的比例关系。为了对土石混合体的内部细观结构特征及数值模拟进行研究,需要对图像象素对应的实际尺寸进行转换。其转换比例为:S=LNS=LΝ,式中:S—数字图像中每个象素单位对应的实际尺寸;L—图像在横向或纵向上所对应的实际尺寸;N—图像在横向或纵向上的象素点数目。若一张数字图像的象素点数为1280×960(长×宽),且其长度所对应的实际尺寸为118cm,则其相应的转换比例为S=118/1280=0.09219cm/pels。3抗剪强度测试某堆积体由土石混合体组成,构成堆积体的岩土介质具有高度的不均质性,内部块石粒径较大,最大粒径达3m,且含石量大于40%,难以通过现有的粒度分析手段(如筛分)来获取其相应的粒度组成。为了明确该堆积体内部分布的岩土介质的粒度组成,为其抗剪强度研究提供依据,采用数字图像处理技术对该岩土体进行了大面积粒度分析试验。根据直剪试验