基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，首先對(duì)獲取到的彩色數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理得到表示巖石和其它組分的二值圖像，然后提取圖像中的圖形邊界并轉(zhuǎn)為矢量圖形文件，最后基于矢量圖形文件中的有限元網(wǎng)格通過數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行滲透分析，確定滲透系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)估測(cè)滲透系數(shù)的不足，如試驗(yàn)結(jié)果受樣品影響大、試驗(yàn)尺度不同于現(xiàn)場(chǎng)等缺點(diǎn)，也克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)耗費(fèi)大量的人力物力的缺點(diǎn)。本發(fā)明方法引入了數(shù)字圖像技術(shù)，具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以分析大尺度不均勻巖土材料的滲透系數(shù)。
【專利說明】基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是涉及一種確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的新方法，具體地說是涉及一種 利用數(shù)字圖像技術(shù)確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 滲透性是巖土材料物理特性研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到巖土工程 中。常規(guī)確定巖土材料滲透系數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種。在室內(nèi)試驗(yàn)中， 對(duì)于常規(guī)介質(zhì)，滲透系數(shù)通常是根據(jù)流速與水壓估測(cè)的；對(duì)于低滲透介質(zhì)，廣泛使用脈沖試 驗(yàn)來測(cè)量其氣體滲透特性。實(shí)際上，這些室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果都局限于所取樣品，并且室內(nèi)試驗(yàn) 與原位試驗(yàn)的規(guī)模也是不同的。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 往往需要耗費(fèi)大量的人力物力。
[0003] 巖土材料通常是有自然的或人工的材料如土壤、砂礫和水泥以及其他組分如孔隙 和裂隙組成的。每種組分都以一種隨機(jī)或遵循某種特定規(guī)律的分布著巖土材料中，并且每 種組分都有不同的物理力學(xué)特性（比如密度、孔隙率以及楊氏模量）。也就是說，巖土材料 的物理力學(xué)特性很大程度上依賴于其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)如組分分布、形狀以及各組分比例等。 因此，建立起可以表現(xiàn)不均勻巖土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對(duì)于研究不均勻巖土材料 的滲透特性將具有非常重要的意義。
[0004] 數(shù)字圖像技術(shù)（Digital image processing, DIP)是一種將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字 形式，并且通過各種數(shù)學(xué)算法提取出其重要信息的技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工 程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)以及其他學(xué)科，并且還有很廣闊的發(fā)展前景。巖 土材料是一種典型的具有復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不均勻材料。應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，這種內(nèi)部多相 性或微觀信息可以被大量地提取。在近二十年里，文獻(xiàn)調(diào)查顯示融合數(shù)字圖像技術(shù)的計(jì)算 方法對(duì)于這種不均勻材料的分析非常有效。
[0005] 本發(fā)明正是針對(duì)如何確定不均勻巖土材料的滲透系數(shù)而提出的一種基于數(shù)字圖 像技術(shù)確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的新方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字圖像技術(shù)確定不均勻巖土材料滲 透系數(shù)的新方法。
[0007] 技術(shù)方案：一種基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，包括如下步 驟：
[0008] (1)獲取巖土材料的彩色數(shù)字圖像文件；
[0009] (2)將彩色數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理，得到表示巖石和其它組分的二值圖 像文件；
[0010] (3)提取二值圖像中的圖形邊界，并轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件；
[0011] (4)基于矢量圖形文件中的有限單元網(wǎng)格，通過數(shù)值方法模擬滲透試驗(yàn)確定不均 勻巖土材料的宏觀等效滲透系數(shù)。
[0012] 其中，步驟（2)的具體步驟包括：
[0013] (2. 1)將彩色圖像數(shù)據(jù)的RGB色彩空間中的紅、綠和藍(lán)顏色分別對(duì)應(yīng)的灰度圖像 進(jìn)行中值濾波處理，將圖像去噪；
[0014] (2. 2)將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換到HIS色彩空間；
[0015] (2. 3)根據(jù)數(shù)字圖像在HIS色彩空間中的巖石和其它組分區(qū)別度最大的分量（如 S分量）的頻率分布情況設(shè)定二值化閾值，將數(shù)字圖像二值化，得到表示巖石和其它組分的 二值圖像。
[0016] 步驟⑶的具體步驟包括：
[0017] (3. 1)利用8連通域標(biāo)記方法提取二值圖像中的表示巖石或土壤的其中一種像素 點(diǎn)集合；
[0018] (3.2)對(duì)屬于該集合的每一個(gè)點(diǎn)根據(jù)位置進(jìn)行拆分為四條線，記錄四條線的坐 標(biāo)；
[0019] (3. 3)對(duì)所有線的集合進(jìn)行運(yùn)算刪除重合的線，得到該像素點(diǎn)集合的外邊框；
[0020] (3. 4)將外邊框進(jìn)行排序處理，形成首尾相連的鋸齒狀邊界；
[0021] (3. 5)對(duì)鋸齒狀邊界進(jìn)行平滑處理；
[0022] (3. 6)根據(jù)一個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸，將邊界圖像文件轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件。
[0023] 步驟（4)的具體步驟包括：
[0024] (4. 1)通過有限元網(wǎng)格劃分軟件將步驟（3)得到的矢量圖形文件劃分為有限元網(wǎng) 格；
[0025] (4. 2)設(shè)置數(shù)值滲透試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)驗(yàn)室相同，利用達(dá)西定律采用常水頭測(cè) 滲透系數(shù)的方法進(jìn)行模擬滲透試驗(yàn)。
[0026] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明引入了數(shù)字圖像技術(shù)，克服了傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)估 測(cè)滲透系數(shù)的不足，如室內(nèi)試驗(yàn)的尺寸較小、與現(xiàn)場(chǎng)狀況不符等缺點(diǎn)，也克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)原 位試驗(yàn)耗費(fèi)大量的人力物力的缺點(diǎn)。本發(fā)明方法效率高，成本低，較為先進(jìn)，通過該方法可 以分析大尺度不均勻巖土材料的滲透系數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的總體流程圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例舉例處理的巖土材料的原始彩色照片的灰度圖；
[0029] 圖3是圖2在S分量下的二值化結(jié)果圖；
[0030] 圖4是對(duì)圖3進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果圖；
[0031] 圖5是圖4中巖石鋸齒狀邊界圖；
[0032] 圖6是對(duì)圖5進(jìn)行邊界光滑處理后的結(jié)果圖；
[0033] 圖7是對(duì)圖6進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分的結(jié)果圖；
[0034] 圖8是常水頭方法測(cè)試滲透系數(shù)原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方 法，包括以下步驟：
[0037] S1 :獲取巖土材料的彩色數(shù)字圖像文件。
[0038] 隨著數(shù)碼相機(jī)的普及，巖土材料的表面可以被數(shù)字化，并存儲(chǔ)為數(shù)字圖像文件，其 類型主要有兩種：柵格圖與矢量圖。柵格圖又叫位圖，是包含矩形像素網(wǎng)格的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)。矢量圖是根據(jù)幾何特性繪制圖形，可以任意放大圖像并不失真。數(shù)碼相機(jī)中常用的數(shù) 字圖像格式如JEPG、PNG和BMP也常用于數(shù)字圖像技術(shù)。彩色圖像在RGB色彩系統(tǒng)中有三 個(gè)整數(shù)分別代表紅、綠和藍(lán)三種顏色。如果一個(gè)圖像有mXn個(gè)像素點(diǎn)，則該彩色圖像數(shù)據(jù) 可以表示為函數(shù)f k(i, j)，其中k = 1，2, 3, i = 1?n，j = 1?m。
[0039] S2:將彩色數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理，得到二值圖像文件。其中去噪和二值 化的具體步驟為：
[0040] S2. 1將彩色圖像數(shù)據(jù)的RGB色彩空間中的紅、綠和藍(lán)顏色分別對(duì)應(yīng)的灰度圖像進(jìn) 行中值濾波處理，將圖像去噪。中值濾波方法是一種能保持原始圖像清晰的非線性去噪方 法，可利用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字圖像的去噪。
[0041] S2. 2將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換到HIS色彩空間。盡管RGB色彩系統(tǒng)在日常生活中應(yīng)用非常 普遍，但卻不利于計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行圖像識(shí)別。本發(fā)明采用便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行色彩辨識(shí)與操作 的HSI色彩系統(tǒng)，利用MATLAB軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字圖像色彩空間的轉(zhuǎn)換。由于數(shù)字圖像 在色相（H)與亮度（I)方面不均勻巖土材料不同組分區(qū)分不明顯，而在飽和度（S)方面區(qū) 分地比較明顯，因此選擇在飽和度（S)下的圖像。
[0042] S2. 3根據(jù)數(shù)字圖像在HIS色彩空間中的S分量的頻率分布情況設(shè)定二值化閾值， 將數(shù)字圖像二值化。具體為根據(jù)飽和度（S)值在HSI色彩空間中的頻率分布直方圖，設(shè)定 其出現(xiàn)最大頻率所對(duì)應(yīng)飽和度（S)值作為數(shù)字圖像二值化的閾值。在二值化圖形中，0代表 黑色，1代表白色。
[0043] S2. 4在不同組分區(qū)分不明顯的部分（比如有時(shí)巖石表面會(huì)被土壤覆蓋），可以通 過觀察原始彩色數(shù)字圖像中的巖土分布情況對(duì)二值圖像中的巖土邊界進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化以得 到更符合實(shí)際情況的巖土分布二值圖像，可以利用畫圖軟件Photoshop或Painter輔助修 改。
[0044] S3 :提取二值圖像中的圖形邊界，并轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件。具體的步驟為：
[0045] S3. 1邊界提取。為了更好地區(qū)分不同組分，采用8連通域標(biāo)記方法。假定一個(gè)像 素點(diǎn)是矩形的，則一個(gè)有N個(gè)元素點(diǎn)的連接元件就共有4XN條邊，刪除重復(fù)的邊，并對(duì)節(jié) 點(diǎn)重新排序即可提取圖像中各圖形邊界。
[0046] S3. 2邊界處理。步驟S3. 1中提取得到的圖形邊界是鋸齒狀的，不能真實(shí)反映組分 (如巖石）的邊界，并且太多的邊界點(diǎn)會(huì)對(duì)計(jì)算模型網(wǎng)格的生成帶來很多問題。這里可以采 用成熟的圖形邊界光滑算法（比如岳中琦在《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2004年06期的《巖土 工程材料的數(shù)字圖像有限元分析》一文中所提出的數(shù)字圖像處理方法）處理圖形邊界，即可 得到相對(duì)光滑的圖形邊界。
[0047] S3. 3矢量文件轉(zhuǎn)換。將土壤與巖石混合材料的幾何信息轉(zhuǎn)換為AutoCAD中圖形轉(zhuǎn) 換文件（.DXF)。
[0048] S4:基于矢量圖形文件中的有限單元網(wǎng)格，通過數(shù)值方法模擬滲透試驗(yàn)確定不均 勻巖土材料的宏觀等效滲透系數(shù)。具體步驟為：
[0049] S4. 1有限元網(wǎng)格劃分。將矢量化的圖形文件導(dǎo)入常用的有限元網(wǎng)格劃分軟件中 (如Ansys，HyperWorks和Gmsh等），即可獲得可用于分析的有限元網(wǎng)格。
[0050] S4. 2建立數(shù)值滲透試驗(yàn)測(cè)定宏觀滲透系數(shù)。設(shè)置數(shù)值滲透試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)驗(yàn) 室相同，利用達(dá)西定律采用常水頭測(cè)滲透系數(shù)的方法，分別模擬不同組分作為滲透介質(zhì)的 滲透特性，進(jìn)而確定不均勻巖土材料的宏觀滲透系數(shù)。
[0051] 下面以取自于某工程的土壤與巖石混合物的照片（如圖2)為例，說明本發(fā)明實(shí)施 例方法的處理過程。
[0052] 1、對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理。
[0053] 該照片長(zhǎng)229. 2mm，有2750個(gè)像素點(diǎn)，寬166. 7mm，有2000個(gè)像素點(diǎn)。利用中值濾 波法將圖像去噪。然后利用MATLAB軟件編寫程序?qū)?shù)字圖像轉(zhuǎn)換到HSI色彩空間下。最 后根據(jù)該圖像飽和度（S)值在HSI色彩空間中的頻率分布直方圖，設(shè)定其出現(xiàn)的最大頻率 所對(duì)應(yīng)飽和度（S)值為0.35作為數(shù)字圖像二值化的閾值，生成二值化圖像，如圖3。然后利 用繪圖軟件（比如Photoshop或Painter)進(jìn)行輔助修改，可以得到圖像在S分量下的最終 二值化圖形，如圖4。
[0054] 2、微觀結(jié)構(gòu)分析與二值圖像的幾何矢量化。
[0055] 采用8元件連通標(biāo)記方法，得到鋸齒形邊界的圖像，如圖5。采用成熟的圖形邊界 光滑算法處理圖形邊界，得到相對(duì)光滑的圖形邊界，如圖6。然后將土壤與巖石混合材料的 幾何信息轉(zhuǎn)換為AutoCAD中圖形轉(zhuǎn)換文件（.DXF)。
[0056] 3、基于有限元網(wǎng)格進(jìn)行滲透分析。
[0057] 對(duì)幾何矢量化的圖像劃分有限元網(wǎng)格，如圖7,然后利用表1的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值滲透 測(cè)試，采用常水頭測(cè)滲透系數(shù)的方法，其原理如圖8所示，所應(yīng)用的公式是：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，其特征在于包括如下步 驟： (1) 獲取巖土材料的彩色數(shù)字圖像文件； (2) 將彩色數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理，得到表示巖石和其它組分的二值圖像文 件； (3) 提取二值圖像中的圖形邊界，并轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件； (4) 基于矢量圖形文件中的有限單元網(wǎng)格，通過數(shù)值方法模擬滲透試驗(yàn)確定不均勻巖 土材料的宏觀等效滲透系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，其特征 在于，所述步驟（2)中將彩色數(shù)字圖像進(jìn)行去噪和二值化處理的具體步驟包括： (2. 1)將彩色圖像數(shù)據(jù)的RGB色彩空間中的紅、綠和藍(lán)顏色分別對(duì)應(yīng)的灰度圖像進(jìn)行 中值濾波處理，將圖像去噪； (2. 2)將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換到HIS色彩空間； (2. 3)根據(jù)數(shù)字圖像在HIS色彩空間中的巖石和其它組分區(qū)別度最大的分量的頻率分 布情況設(shè)定二值化閾值，將數(shù)字圖像二值化，得到表示巖石和其它組分的二值圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，其特征 在于，步驟（2.3)之后還包括結(jié)合原始彩色數(shù)字圖像中的巖土分布情況對(duì)二值圖像中的巖 土邊界進(jìn)行修改以得到更符合實(shí)際情況的巖土分布二值圖像的步驟。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，其特征 在于，所述步驟（3)中提取二值圖像中的圖形邊界，并轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件的具體步驟包 括： (3. 1)利用8連通域標(biāo)記方法提取二值圖像中的表示巖石或土壤的其中一種像素點(diǎn)集 合； (3. 2)對(duì)屬于該集合的每一個(gè)點(diǎn)根據(jù)位置進(jìn)行拆分為四條線，記錄四條線的坐標(biāo)； (3. 3)對(duì)所有線的集合進(jìn)行運(yùn)算刪除重合的線，得到該像素點(diǎn)集合的外邊框； (3. 4)將外邊框進(jìn)行排序處理，形成首尾相連的鋸齒狀邊界； (3. 5)對(duì)鋸齒狀邊界進(jìn)行平滑處理； (3. 6)根據(jù)一個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸，將邊界圖像文件轉(zhuǎn)換為矢量圖形文件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數(shù)的方法，其特征 在于，所述步驟（4)基于矢量圖形文件中的有限單元網(wǎng)格，通過數(shù)值方法模擬滲透試驗(yàn)確 定不均勻巖土材料的宏觀等效滲透系數(shù)的具體步驟包括： (4. 1)通過有限元網(wǎng)格劃分軟件將步驟（3)得到的矢量圖形文件劃分為有限元網(wǎng)格； (4. 2)設(shè)置數(shù)值滲透試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)驗(yàn)室相同，利用達(dá)西定律采用常水頭測(cè)滲透 系數(shù)的方法進(jìn)行模擬滲透試驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK104268830SQ201410462519
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】徐衛(wèi)亞, 孟慶祥, 楊蘭蘭, 王環(huán)玲, 王如賓, 閆龍, 張強(qiáng) 申請(qǐng)人:河海大學(xué)