CN102866080A - 基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图像处理分析计算的抛石堆积体密度测定方法；该方法通过拍摄抛石堆积体整平后的二维图像，对二维图像进行经灰度处理间断检测分割技术，通过图像分析计算其二维面密度，根据二维面密度分析计算抛石体的三维体密度。本发明可以解决比一般堆石体粒径大的抛石及抛石体表面不平仪器布设困难时抛石体的密度，应用图像处理分析的方法，避免了对抛石堤岸的损伤，是一种真正的无损测定方法，测试成本低，节约工程经费，可以在护堤堤岸抛石工程中推广应用。

Description

基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法

技术领域

本发明涉及一种抛石堆积体密度计算的方法，特别涉及一种基于图像处理的护堤堤岸施工抛石密度测定方法。

背景技术

在护堤堤岸工程中，抛石施工是常用的方法，抛石密度是保证护堤堤岸安全的关键，是控制工程质量的重要参数指标。不同于一般的堆石坝中堆石材料级配的自然性，护堤抛石施工中的石块尺寸和级配一般有一定的要求，石块粒径比一般堆石坝要大一些，范围可能在0.3米到0.8米左右。抛石施工的密度测定一直是工程界没有很好解决的问题。对于一般堆石密度的测定，常用的方法有两大类，一类是直接测量法。比如水利部和地矿部的土工试验规程中提出的试坑灌水法或灌砂法。这类方法的优点是可以直接得到坑测的密度，但这种方法一方面由于挖坑破坏了原堆石结构，另一方面费时费工，而且挖坑位置所得密度不一定具有代表性。第二类方法为间接测量法，如压实观测法、振动碾装加速度计法、静弹模法、动弹模法等。这类方法的缺点是不能直接测定堆石的密度，只能间接、相对、定性的表示堆石密度。后来有的学者利用面波技术发明的面波检测仪，通过反演拟合或数理统计等方法计算堆石密度，但这些方法由于结果的可靠性或精度等问题在工程中应用有限。中国专利CN1165292A提出了一种堆石体密度测定的附加质量法，有的学者在其基础上提出了附加质量法数字量板求到堆石体密度的方法，但这些方法还是以试坑法为基础，因此具有第一类直接测量法的缺点。

护堤抛石的另外特点是，与一般堆石所不同的，由于抛石石块粒径较大，而一般试坑法等适用于最大粒径不大于0.3米的堆石体。另一方面，由于粒径较大，抛石体表面既使通过整平，其表面仍不是平整的，这就造成一般方法中的仪器在抛抛石表面很难布设。因此，护堤堤岩工程中的大粒径抛石体密度测定是工程实际中的一个难题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，而提供一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，先拍摄抛石堆积体整平后的二维图像，图像经黑白二相处理后通过图像分析计算其二维面密度，然后运用三维重构体视学分析方法根据面密度计算抛石体的体密度。

本发明的技术方案是这样得以实现的：一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，其特点是：抛石堆积体整平后拍摄二维图像，图像采用灰度处理间断检测分割技术，通过图像分析计算其二维面密度，根据二维面密度分析计算抛石体的三维体密度，其具体步骤如下：

1．抛石体平面二维面密度的计算

1）块石抛填完成后，对抛石堆积体表面进行整平。

2）对整平的抛石体用高像素相机进行俯视拍摄，得到抛石体表面二维平面图像。

3）对抛石堆体表面图像基于阈值方法进行灰度处理，运用基于间断检测的图像分割技术对图像进行修复处理，区分石块和空隙。

4）生成黑白二相图，利用图像分析计算石块面积A_s和空隙面积A_v。

5) 计算抛石体表面的二维面密度：

 其中：ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

         A_s -- 二维平面上石块所占面积；

         A_v -- 二维平面上孔隙所占面积。

2．抛石体三维体密度的计算

假定在统计学上，抛石堆积体内部块石分布均匀，则抛石堆积体三维体密度可以由二维面密度根据下式计算得到：

 

其中：ρ₃ -- 抛石堆积体三维体密度；

          ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

ρ_s – 固体石块密度；

本方法根据二维面密度计算三维体密度，其基本假定是对于抛石堆积体，表面经整平后，其表面和内部结构在统计学意义上是均匀的，从而可以从理论上由二维面密度计算三维体密度。

本发明虽然以二维平面图像为基础，但基于定量体视学理论，可以根据二维平面密度明确严格地计算测定抛石体三维体密度。该方法的优点包括：（1）解决了传统坑测法要求粒径不大于0.3米的问题，只需要对抛石体表面进行简单整平，解决了一般方法中抛石体表面布设仪器时需要平整的要求；（2）该方法不需要试坑，对抛石结构的完整性没有影响，是一种真正的无损测定方法；（3）与一些堆石体密度测定间接方法相比，该方法相对直接，所得结果确定可靠；（4）该方法成本低，节约工程经费。

附图说明

图1为经黑白二相处理后的平面二维图像。

图中：白色代表石块，黑色代表孔隙。

具体实施方式

一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，先拍摄抛石堆积体整平后的二维图像，对二维图经黑白二相处理，通过图像分析计算其二维面密度，运用三维重构体视学分析方法根据面密度计算抛石体的体密度，其具体步骤如下：

1．抛石体平面二维面密度的计算

1）块石抛填完成后，对抛石堆积体表面进行整平。

2）对整平的抛石体用高像素相机进行俯视拍摄，根据拍摄高度和抛石范围尺寸，确定需要拍摄的图片数量。如果抛石平面尺寸范围不大，可整体拍摄一张，如果拍摄范围尺寸较大，为保证数据统计学上的正确性，可拍摄有重叠区域的一组图像，重叠区域在两个方向上各取50%。

3）如果抛石表面为一组图像，使用图像处理软件进行图像拼接，拼接时根据重叠区域保证图像的拼接的准确性，拼接后形成一张图像。

4）对抛石堆体表面图像基于阈值方法进行灰度处理，运用基于间断检测的图像分割技术对图像进行修复处理，具体过程为:

    A. 利用二阶近似导数来检测图像的边缘，二维函数的拉普拉斯算子定义为

 

；

B. 考虑拉普拉斯算子对噪声的敏感性，与图像的平滑处理一起使用。如考虑高斯函数

 

；

 其中：为标准差。图像的平滑处理由图像与该函数的卷积实现。高斯函数的拉普拉斯算子为

；

      C. 将检测到边缘的像素点后使用连接过程将边缘像素点组合成边缘。

5）对图像基于阈值方法，区分石块和空隙，生成黑白二相图，利用图像分析计算石块面积A_s和空隙面积A_v。

6) 计算抛石体表面的二维面密度：

 ；

其中：ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

         A_s -- 二维平面上石块所占面积；

         A_v -- 二维平面上孔隙所占面积。

2．抛石体三维体密度的计算

假定在统计学上，抛石堆积体内部块石分布均匀，则抛石堆积体三维体密度可以由二维面密度根据下式计算得到：

 

 其中：ρ₃ -- 抛石堆积体三维体密度；

          ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

ρ_s – 固体石块密度。

本发明应先对抛石堆积体表面进行初步整平；抛石体平面二维图像的分辨率应该能够保证识别石块和孔隙。 

Claims (3)

1.一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，其特征在于：抛石堆积体整平后拍摄二维图像，图像采用灰度处理间断检测分割技术，通过图像分析计算其二维面密度，根据二维面密度分析计算抛石体的三维体密度，其具体步骤如下：

1）抛石体平面二维面密度的计算

 块石抛填完成后，对抛石堆积体表面进行整平；

 对整平的抛石体用高像素相机进行俯视拍摄，得到抛石堆积体表面二维平面图像；

 对抛石堆体表面图像基于阈值方法进行灰度处理，运用基于间断检测的图像分割技术对图像进行修复处理，区分石块和空隙；

 生成黑白二相图，利用图像分析计算石块面积A_s和空隙面积A_v；

 计算抛石体表面的二维面密度：

 

其中：ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

            A_s -- 二维平面上石块所占面积；

            A_v -- 二维平面上孔隙所占面积；

 2）抛石体三维体密度的计算

假定在统计学上，抛石堆积体内部块石分布均匀，则抛石堆积体三维体密度可以由二维面密度根据下式计算得到：

 

 其中：ρ₃ -- 抛石堆积体三维体密度；

            ρ₂ -- 抛石堆积体二维面密度；

ρ_s-- 固体石块密度。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，其特征在于：先对抛石堆积体表面进行初步整平。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理分析的护堤抛石密度测定方法，其特征在于：抛石体平面二维图像的分辨率应该能够保证识别石块和孔隙。

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