CN104268830A - 基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，首先对获取到的彩色数字图像进行去噪和二值化处理得到表示岩石和其它组分的二值图像，然后提取图像中的图形边界并转为矢量图形文件，最后基于矢量图形文件中的有限元网格通过数值模拟试验进行渗透分析，确定渗透系数。与现有技术相比，本发明克服了传统室内试验估测渗透系数的不足，如试验结果受样品影响大、试验尺度不同于现场等缺点，也克服了传统现场原位试验耗费大量的人力物力的缺点。本发明方法引入了数字图像技术，具有效率高、成本低等优点，可以分析大尺度不均匀岩土材料的渗透系数。

Description

基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法

技术领域

本发明是涉及一种确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法，具体地说是涉及一种利用数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的方法。

背景技术

渗透性是岩土材料物理特性研究的一项重要内容，已经被广泛地应用到岩土工程中。常规确定岩土材料渗透系数的方法主要有室内试验与现场试验两种。在室内试验中，对于常规介质，渗透系数通常是根据流速与水压估测的；对于低渗透介质，广泛使用脉冲试验来测量其气体渗透特性。实际上，这些室内试验的结果都局限于所取样品，并且室内试验与原位试验的规模也是不同的。在工程实践中，经常需要大量的现场试验，而这些现场试验往往需要耗费大量的人力物力。

岩土材料通常是有自然的或人工的材料如土壤、砂砾和水泥以及其他组分如孔隙和裂隙组成的。每种组分都以一种随机或遵循某种特定规律的分布着岩土材料中，并且每种组分都有不同的物理力学特性(比如密度、孔隙率以及杨氏模量)。也就是说，岩土材料的物理力学特性很大程度上依赖于其内部细观结构如组分分布、形状以及各组分比例等。因此，建立起可以表现不均匀岩土材料的细观结构的数值模型，对于研究不均匀岩土材料的渗透特性将具有非常重要的意义。

数字图像技术(Digital image processing,DIP)是一种将数字图像转换为数字形式，并且通过各种数学算法提取出其重要信息的技术。这种技术已经被广泛地应用于工程、计算机科学、信息科学、统计学、物理学以及其他学科，并且还有很广阔的发展前景。岩土材料是一种典型的具有复杂细观结构的不均匀材料。应用数字图像技术，这种内部多相性或微观信息可以被大量地提取。在近二十年里，文献调查显示融合数字图像技术的计算方法对于这种不均匀材料的分析非常有效。

本发明正是针对如何确定不均匀岩土材料的渗透系数而提出的一种基于数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法。

技术方案：一种基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，包括如下步骤：

(1)获取岩土材料的彩色数字图像文件；

(2)将彩色数字图像进行去噪和二值化处理，得到表示岩石和其它组分的二值图像文件；

(3)提取二值图像中的图形边界，并转换为矢量图形文件；

(4)基于矢量图形文件中的有限单元网格，通过数值方法模拟渗透试验确定不均匀岩土材料的宏观等效渗透系数。

其中，步骤(2)的具体步骤包括：

(2.1)将彩色图像数据的RGB色彩空间中的红、绿和蓝颜色分别对应的灰度图像进行中值滤波处理，将图像去噪；

(2.2)将数字图像转换到HIS色彩空间；

(2.3)根据数字图像在HIS色彩空间中的岩石和其它组分区别度最大的分量(如S分量)的频率分布情况设定二值化阈值，将数字图像二值化，得到表示岩石和其它组分的二值图像。

步骤(3)的具体步骤包括：

(3.1)利用8连通域标记方法提取二值图像中的表示岩石或土壤的其中一种像素点集合；

(3.2)对属于该集合的每一个点根据位置进行拆分为四条线，记录四条线的坐标；

(3.3)对所有线的集合进行运算删除重合的线，得到该像素点集合的外边框；

(3.4)将外边框进行排序处理，形成首尾相连的锯齿状边界；

(3.5)对锯齿状边界进行平滑处理；

(3.6)根据一个像素点的实际尺寸，将边界图像文件转换为矢量图形文件。

步骤(4)的具体步骤包括：

(4.1)通过有限元网格划分软件将步骤(3)得到的矢量图形文件划分为有限元网格；

(4.2)设置数值渗透试验的边界条件与实验室相同，利用达西定律采用常水头测渗透系数的方法进行模拟渗透试验。

有益效果：与现有技术相比，本发明引入了数字图像技术，克服了传统室内试验估测渗透系数的不足，如室内试验的尺寸较小、与现场状况不符等缺点，也克服了传统现场原位试验耗费大量的人力物力的缺点。本发明方法效率高，成本低，较为先进，通过该方法可以分析大尺度不均匀岩土材料的渗透系数。

附图说明

图1是本发明实施例的总体流程图；

图2是本发明实施例举例处理的岩土材料的原始彩色照片的灰度图；

图3是图2在S分量下的二值化结果图；

图4是对图3进行优化后的结果图；

图5是图4中岩石锯齿状边界图；

图6是对图5进行边界光滑处理后的结果图；

图7是对图6进行有限元网格划分的结果图；

图8是常水头方法测试渗透系数原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明公开了一种基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，包括以下步骤：

S1：获取岩土材料的彩色数字图像文件。

随着数码相机的普及，岩土材料的表面可以被数字化，并存储为数字图像文件，其类型主要有两种：栅格图与矢量图。栅格图又叫位图，是包含矩形像素网格的点阵数据结构。矢量图是根据几何特性绘制图形，可以任意放大图像并不失真。数码相机中常用的数字图像格式如JEPG、PNG和BMP也常用于数字图像技术。彩色图像在RGB色彩系统中有三个整数分别代表红、绿和蓝三种颜色。如果一个图像有m×n个像素点，则该彩色图像数据可以表示为函数f_k(i,j)，其中k＝1,2,3，i＝1～n，j＝1～m。

S2：将彩色数字图像进行去噪和二值化处理，得到二值图像文件。其中去噪和二值化的具体步骤为：

S2.1将彩色图像数据的RGB色彩空间中的红、绿和蓝颜色分别对应的灰度图像进行中值滤波处理，将图像去噪。中值滤波方法是一种能保持原始图像清晰的非线性去噪方法，可利用程序实现数字图像的去噪。

S2.2将数字图像转换到HIS色彩空间。尽管RGB色彩系统在日常生活中应用非常普遍，但却不利于计算机程序进行图像识别。本发明采用便于计算机进行色彩辨识与操作的HSI色彩系统，利用MATLAB软件编写程序实现数字图像色彩空间的转换。由于数字图像在色相(H)与亮度(I)方面不均匀岩土材料不同组分区分不明显，而在饱和度(S)方面区分地比较明显，因此选择在饱和度(S)下的图像。

S2.3根据数字图像在HIS色彩空间中的S分量的频率分布情况设定二值化阈值，将数字图像二值化。具体为根据饱和度(S)值在HSI色彩空间中的频率分布直方图，设定其出现最大频率所对应饱和度(S)值作为数字图像二值化的阈值。在二值化图形中，0代表黑色，1代表白色。

S2.4在不同组分区分不明显的部分(比如有时岩石表面会被土壤覆盖)，可以通过观察原始彩色数字图像中的岩土分布情况对二值图像中的岩土边界进行手动优化以得到更符合实际情况的岩土分布二值图像，可以利用画图软件Photoshop或Painter辅助修改。

S3：提取二值图像中的图形边界，并转换为矢量图形文件。具体的步骤为：

S3.1边界提取。为了更好地区分不同组分，采用8连通域标记方法。假定一个像素点是矩形的，则一个有N个元素点的连接元件就共有4×N条边,删除重复的边，并对节点重新排序即可提取图像中各图形边界。

S3.2边界处理。步骤S3.1中提取得到的图形边界是锯齿状的，不能真实反映组分(如岩石)的边界，并且太多的边界点会对计算模型网格的生成带来很多问题。这里可以采用成熟的图形边界光滑算法(比如岳中琦在《岩石力学与工程学报》2004年06期的《岩土工程材料的数字图像有限元分析》一文中所提出的数字图像处理方法)处理图形边界，即可得到相对光滑的图形边界。

S3.3矢量文件转换。将土壤与岩石混合材料的几何信息转换为AutoCAD中图形转换文件(.DXF)。

S4：基于矢量图形文件中的有限单元网格，通过数值方法模拟渗透试验确定不均匀岩土材料的宏观等效渗透系数。具体步骤为：

S4.1有限元网格划分。将矢量化的图形文件导入常用的有限元网格划分软件中(如Ansys，HyperWorks和Gmsh等)，即可获得可用于分析的有限元网格。

S4.2建立数值渗透试验测定宏观渗透系数。设置数值渗透试验的边界条件与实验室相同，利用达西定律采用常水头测渗透系数的方法，分别模拟不同组分作为渗透介质的渗透特性，进而确定不均匀岩土材料的宏观渗透系数。

下面以取自于某工程的土壤与岩石混合物的照片(如图2)为例，说明本发明实施例方法的处理过程。

1、对数字图像进行去噪和二值化处理。

该照片长229.2mm，有2750个像素点，宽166.7mm，有2000个像素点。利用中值滤波法将图像去噪。然后利用MATLAB软件编写程序将数字图像转换到HSI色彩空间下。最后根据该图像饱和度(S)值在HSI色彩空间中的频率分布直方图，设定其出现的最大频率所对应饱和度(S)值为0.35作为数字图像二值化的阈值，生成二值化图像，如图3。然后利用绘图软件(比如Photoshop或Painter)进行辅助修改，可以得到图像在S分量下的最终二值化图形，如图4。

2、微观结构分析与二值图像的几何矢量化。

采用8元件连通标记方法，得到锯齿形边界的图像，如图5。采用成熟的图形边界光滑算法处理图形边界，得到相对光滑的图形边界，如图6。然后将土壤与岩石混合材料的几何信息转换为AutoCAD中图形转换文件(.DXF)。

3、基于有限元网格进行渗透分析。

对几何矢量化的图像划分有限元网格，如图7，然后利用表1的参数进行数值渗透测试，采用常水头测渗透系数的方法，其原理如图8所示，所应用的公式是： $k=\frac{\mathrm{QL}}{\mathrm{A\Δh}}.$

其中取Δh为1m，渗透断面即采用长L为229.2mm和宽为166.7mm，渗透流量取Q＝18.64mm³/s，得到岩土材料的宏观渗透系数为1.36×10^-2mm/s。

表1岩土材料渗透系数建议值

进一步的，为了研究细观结构的不均匀特征对宏观渗透系数的影响，定义不均匀参数λ＝k_soil/k_rock来表示材料的不均匀程度(其中k_soil和k_rock分别代表土壤和岩石的渗透系数)，从而可以建立不均匀参数λ与宏观渗透系数k_macro(其中k_macro表示土壤与岩石混合材料的渗透系数)之间的关系。

Claims (5)

1.一种基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)获取岩土材料的彩色数字图像文件；

(2)将彩色数字图像进行去噪和二值化处理，得到表示岩石和其它组分的二值图像文件；

(3)提取二值图像中的图形边界，并转换为矢量图形文件；

(4)基于矢量图形文件中的有限单元网格，通过数值方法模拟渗透试验确定不均匀岩土材料的宏观等效渗透系数。

2.根据权利要求1所述的基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，其特征在于，所述步骤(2)中将彩色数字图像进行去噪和二值化处理的具体步骤包括：

(2.1)将彩色图像数据的RGB色彩空间中的红、绿和蓝颜色分别对应的灰度图像进行中值滤波处理，将图像去噪；

(2.2)将数字图像转换到HIS色彩空间；

(2.3)根据数字图像在HIS色彩空间中的岩石和其它组分区别度最大的分量的频率分布情况设定二值化阈值，将数字图像二值化，得到表示岩石和其它组分的二值图像。

3.根据权利要求2所述的基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，其特征在于，步骤(2.3)之后还包括结合原始彩色数字图像中的岩土分布情况对二值图像中的岩土边界进行修改以得到更符合实际情况的岩土分布二值图像的步骤。

4.根据权利要求1所述的基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，其特征在于，所述步骤(3)中提取二值图像中的图形边界，并转换为矢量图形文件的具体步骤包括：

(3.1)利用8连通域标记方法提取二值图像中的表示岩石或土壤的其中一种像素点集合；

(3.2)对属于该集合的每一个点根据位置进行拆分为四条线，记录四条线的坐标；

(3.3)对所有线的集合进行运算删除重合的线，得到该像素点集合的外边框；

(3.4)将外边框进行排序处理，形成首尾相连的锯齿状边界；

(3.5)对锯齿状边界进行平滑处理；

(3.6)根据一个像素点的实际尺寸，将边界图像文件转换为矢量图形文件。

5.根据权利要求1所述的基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，其特征在于，所述步骤(4)基于矢量图形文件中的有限单元网格，通过数值方法模拟渗透试验确定不均匀岩土材料的宏观等效渗透系数的具体步骤包括：

(4.1)通过有限元网格划分软件将步骤(3)得到的矢量图形文件划分为有限元网格；

(4.2)设置数值渗透试验的边界条件与实验室相同，利用达西定律采用常水头测渗透系数的方法进行模拟渗透试验。