CN104331922A - 一种土体微观结构三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体微观结构三维重建方法，包括步骤：一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；土样为圆柱状土体试样；二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对土样进行分层扫描；土样由上至下分为多个扫描面，对各扫描面进行扫描时，均采用扫描电镜且分多个区域进行扫描，再对扫描获得多幅电镜扫描图像进行拼接，获得该扫描面的整幅电镜扫描图像；三、电镜扫描图像排序；四、图像定位；五、三维重构：调用三维重建模块，对多幅整幅电镜扫描图像进行处理，获得土样的三维空间模型。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便，使用效果好，所建立的土体三维空间模型能真实还原土体内部结构。

Description

一种土体微观结构三维重建方法

技术领域

本发明涉及一种三维重建方法，尤其是涉及一种土体微观结构三维重建方法。

背景技术

目前，国内外对土体微观结构的三维重建方法，主要有以下几种：第一、由两幅或者多幅两维图像恢复土体的三维几何形貌；第二、研究土体的二维几何参数及其分布规律，再运用随机模拟的方法，建立三维的微观土体模型；第三、运用CT技术重建土体的微观结构。实际使用时，上述第一种方法只能恢复土体表面的三维形态，不能建立土体内部结构的三维模型；第二种三维重建方法只是通过计算机随机模拟颗粒、孔隙的空间分布，无法还原真实的土体微观结构情况；第三种三维重建方法所需费用高，并且现有的CT技术无法对微米级的土体颗粒结构进行三维重建，CT的扫描精度与扫描电镜的扫描精度相比还存在不小差距。综上，上述现有土体微观结构的三维重建方法均不同程度地存在所需费用高、使用效果较差、所建土体三维微观模型的分辨率低、不能真实还原土体内部微观结构等缺陷和不足。因而，对于土体的微观结构研究，需要一种分辨率高、能够真实还原土体内部结构的三维重建技术，这对于土体结构性本构模型的建立、深化土体结构的认识均有很大的推动作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土体微观结构三维重建方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便，使用效果好，所建立的土体三维空间模型能真实还原土体内部结构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样；

步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：

步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；

步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像；

步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；

步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像；

步骤203、多次重复步骤步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程；

本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应；

步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序；

步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定；

步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤一中进行土样获取时，先采用圆柱状取土器从待测区域切取土样，待所切取土样干燥后，采用环氧树脂混合液对所切取土样进行固化处理；所述环氧树脂混合液由环氧树脂、丙酮、乙二胺和邻苯二甲酸二丁酯按照100︰(130～170)︰(6～8)︰(1.8～2.2)的体积比均匀混合而成。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤二中进行土样分层扫描时，还需采用能谱仪，获取多个所述扫描面的能谱图；步骤二中每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；

步骤二中土样分层扫描完成后，还需根据多个所述扫描面的能谱图，对每幅整幅电镜扫描图像中各土体颗粒的材质进行确定；并根据土体颗粒的材质确定结果，调用属性信息标注模块，在每幅电镜扫描图像中标注出各土体颗粒的材质。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤五中进行三维重构之前，先调用图像边界提取模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像分别进行图像边界提取，提取出各幅整幅电镜扫描图像中所有土体颗粒的边界线；

步骤五中进行三维重构时，先根据步骤四中的图像定位结果，将多幅所述整幅电镜扫描图像由上至下排列；之后，结合所述土样中多个扫描面的布设位置和所述土样的三维空间模型的高度，再调用三维重建模块，对经图像边界提取的多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤二中所获得的多幅整幅电镜扫描图像均为二维图像，且每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；多幅整幅电镜扫描图像的图像大小和分辨率均相同；步骤二中所获得多幅整幅电镜扫描图像的分辨率均为微米级；步骤二中所述打磨层的层厚小于所述土样中土体颗粒的平均粒径。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤2013中所获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像为顶部电镜扫描图像；

步骤四中进行图像定位时，按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对多幅整幅电镜扫描图像进行定位，过程如下：

步骤401、顶部电镜扫描图像定位：采用所述数据处理设备获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成所述顶部电镜扫描图像的定位过程；

步骤402、下一幅整幅电镜扫描图像定位：结合前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像，对下一幅整幅电镜扫描图像的位置进行确定；其中，前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像为位于当前所定位整幅电镜扫描图像前侧的上层扫描图像；对当前所定位整幅电镜扫描图像进行定位时，过程如下：

步骤4021、基准扫描对象选取：选取一个扫描对象作为基准扫描对象，所述基准扫描对象为土体颗粒；当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中均存在所选择基准扫描对象的扫描图像；

步骤4022、边界线提取：调用图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出步骤4021中所选取基准扫描对象的边界线；

其中，在当前所定位整幅电镜扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为待定位边界线，在所述上层扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为已定位边界线，所述待定位边界线和所述已定位边界线均为二维平面图形；

步骤4023、形心确定：对步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心进行确定；

步骤4024、形心偏移量计算及图像调整：先计算得出步骤4021中所述基准扫描对象的形心偏移量，所述基准扫描对象的形心偏移量为步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，说明无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，获取当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c，再获取调整后的当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；其中，c＝0.1μm～5μm；

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多幅所述整幅电镜扫描图像的定位过程。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤4022中进行边界线提取之前，先从当前所定位整幅电镜扫描图像中，找出所选取基准扫描对象的扫描图像；再根据所找出的所选取基准扫描对象的扫描图像的大小和形状，在当前所定位整幅电镜扫描图像的上层扫描图像中，找出所述基准扫描对象的扫描图像；之后，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出所述基准扫描对象的扫描图像的边界线；步骤4024中调用所述图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整时，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行裁剪、平移或旋转。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤四中进行图像定位之前，先按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对除所述顶部电镜扫描图像之外的所有整幅电镜扫描图像进行初定位；所有整幅电镜扫描图像的初定位方法均相同；

对任一幅整幅电镜扫描图像进行初定位时，根据该整幅电镜扫描图像的上层扫描图像进行初定位，将该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别进行比对，并通过调整该整幅电镜扫描图像，使得该整幅电镜扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别与其上层扫描图像中对应扫描对象的布设位置一致。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤4023中进行形心确定时，调用形心坐标计算模块，分别计算得出步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心坐标；

其中，所述待定位边界线的形心坐标记作(x_j，y_j)，x_j和y_j分别为所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；所述已定位边界线的形心坐标记作(x_i，y_i)，x_i和y_i分别为所述已定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；

步骤4024中进行形心偏移量计算时，计算得出的所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i-x_j|和|y_i-y_j|，|x_i-x_j|和|y_i-y_j|为图像调整前所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i-x_j|＜c且|y_i-y_j|＜c；

对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|，|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|为图像调整后所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；其中，x_i’和y_i’分别为对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，步骤4022中所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；当图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i’-x_j|＜c且|y_i’-y_j|＜c。

上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤4021中所选取基准扫描对象的数量为多个；

步骤4022中进行边界线提取时，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线；

步骤4023中进行形心确定时，对多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心分别进行确定；

步骤4024中进行图像调整时，先计算得出所有基准扫描对象的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当且仅当所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c时，无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且实现方便，投入成本较低。

2、所采用土样制备方法简便、快速且使用效果好，能有效保证土体无扰动，并且能所确保所扫描图像清晰、可靠。

3、所获得各扫描面的整幅电镜扫描图像空间分辨率高，可建立分辨率微米级、实际土样横截面积为毫米级的跨尺度空间模型。

4、使用效果好且实用价值高，所建土体三维微观模型的分辨率高且能真实还原土体内部微观结构，能有效还原土体原始、真实的三维空间结构，能够揭示土体内部颗粒的空间排列形式和孔隙的分布特征。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便，使用效果好，所建立的土体三维空间模型能真实还原土体内部结构。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为采用本发明进行形心坐标计算时的界面示意图。

图3为采用本发明进行形心坐标计算过程中选择基准扫描对象时的界面示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种土体微观结构三维重建方法，包括以下步骤：

步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样。

步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：

步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；

步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像。

步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；

步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像。

步骤203、多次重复步骤步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程。

本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应。

实际操作过程中，步骤二中进行土样分层扫描，根据上一个扫描面的整幅电镜扫描图像，对当前扫描面的大致扫描位置进行确定。

步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序。

步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定。

步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型。

本实施例中，步骤一中进行土样获取时，先采用圆柱状取土器从待测区域切取土样，待所切取土样干燥后，采用环氧树脂混合液对所切取土样进行固化处理；所述环氧树脂混合液由环氧树脂、丙酮、乙二胺和邻苯二甲酸二丁酯按照100︰(130～170)︰(6～8)︰(1.8～2.2)的体积比均匀混合而成。

采用圆柱状取土器从待测区域切取土样后，先将所切取土样风干或烘干，再采用环氧树脂混合液对所切取土样进行浸泡，待所切取土样完全固化后，将固化后从所述圆柱状取土器内取出。

本实施例中，所述土样的原土分离面位于底端。

采用本发明所述的土样制备方法实现方便，且不会损坏土样内部结构，所获取的土样体积小且能快速达到固化状态，该土样能真实反映土体的实际结构，其能在宏观条件下根据土体胶结及颗粒的相对位置，观察土体在不同历史时间环境下的原始轮廓(如原状黄土在古土壤环境下的原始轮廓等)，分析结果准确有据。并且，能有效适用至工地施工现场和实验室内的土体微观结构分析，所制成的土样能简便开展微观结构观测，能够准确分析土体在不同历史时间环境下(如黄土在古土壤环境下)的形状与粒径，并且可用于土体微观结构分析及微观结构的三维重建。

本实施例中，步骤2012中进行电镜扫描之前，先对步骤2011中所述顶部扫描面进行喷金；步骤2022中进行电镜扫描之前，先对步骤2021中所获得的扫描面进行喷金。

本实施例中，步骤二中所获得的多幅整幅电镜扫描图像均为二维图像，且每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙。多幅整幅电镜扫描图像的图像大小和分辨率均相同。

其中，所述扫描对象为位于所述扫描面上的被扫描对象，所述孔隙为位于多个土体颗粒之间的孔隙。

本实施例中，步骤二中所获得多幅整幅电镜扫描图像的分辨率均为微米级。

并且，步骤一中所述试样的横截面尺寸能达到毫米级。

因而，步骤二中所获得多幅整幅电镜扫描图像均为二维跨尺度图像，且其为分辨率达到微米级的大图。

实际进行土样分层扫描时，步骤二中所述打磨层的层厚小于所述土样中土体颗粒的平均粒径。

本实施例中，所述打磨层的层厚小于所述土样中粒径最小的土体颗粒的粒径。

实际操作时，所述打磨层的层厚为所述土样中土体颗粒的平均粒径的 $\frac{1}{4}~\frac{1}{2}.$

实际操作过程中，可根据具体需要，对打磨层的层厚进行调整。本实施例中，多个所述扫描面呈均匀布设。

本实施例中，步骤二中进行土样分层扫描时，还需采用能谱仪，获取多个所述扫描面的能谱图。

步骤二中土样分层扫描完成后，还需根据多个所述扫描面的能谱图，对每幅整幅电镜扫描图像中各土体颗粒的材质进行确定；并根据土体颗粒的材质确定结果，调用属性信息标注模块，在每幅电镜扫描图像中标注出各土体颗粒的材质。

相应地，步骤五中获得所述土样的三维空间模型后，调用材质属性选择模块，选择出所建立三维空间模型中同一材质的所有土体颗粒，并获得该材质土体的三维空间模型。

因而，采用本发明不仅能简便获取所述土样的三维空间模型，而且采用获取所述土样中多种材质土体的三维空间模型，从而能对深化土体结构的认识起到更大的推进作用，不仅能对待测区域内所包含的土质类型以及多种土质之间的相互作用进行直观展示，并且能对待测区域内任一种材质的土体沉积状态分别进行准确了解。

本实施例中，步骤四中所述整幅电镜扫描图像的位置为其在所述三维空间模型中的布设位置。

步骤五中进行三维重构时，先根据步骤四中的图像定位结果，将多幅所述整幅电镜扫描图像由上至下排列；之后，再调用三维重建模块，结合所述土样中多个扫描面的布设位置和所述土样的三维空间模型的高度，对经图像边界提取的多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理。其中，根据所述土样中多个扫描面的布设位置和所述土样的三维空间模型的高度，便能确定多幅整幅电镜扫描图像在Z轴方向上的分布位置。其中，所述土样的三维空间模型的高度为根据需建立三维空间模型与所述土样的比例关系，预先确定的三维空间模型的高度。

本实施例中，步骤五中进行三维重构之前，先调用图像边界提取模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像分别进行图像边界提取。

其中，对任一幅整幅电镜扫描图像进行图像边界提取时，采用所述数据处理设备且调用图像边界提取模块，提取出该幅整幅电镜扫描图像中所有土体颗粒的边界线。同时，还需提取出该幅整幅电镜扫描图像中所有孔隙的边界线。

本实施例中，步骤2013中所获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像为顶部电镜扫描图像。

步骤四中进行图像定位时，按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对多幅整幅电镜扫描图像进行定位，过程如下：

步骤401、顶部电镜扫描图像定位：采用所述数据处理设备获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成所述顶部电镜扫描图像的定位过程。

实际操作时，所述顶部电镜扫描图像的定位过程非常简便，其定位过程实质是获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标的过程。

步骤402、下一幅整幅电镜扫描图像定位：结合前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像，对下一幅整幅电镜扫描图像的位置进行确定；其中，前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像为位于当前所定位整幅电镜扫描图像前侧的上层扫描图像；对当前所定位整幅电镜扫描图像进行定位时，过程如下：

步骤4021、基准扫描对象选取：选取一个扫描对象作为基准扫描对象，所述基准扫描对象为土体颗粒；当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中均存在所选择基准扫描对象的扫描图像。

本实施例中，所选择基准扫描对象为当前所定位整幅电镜扫描图像中粒径相对较大且形状相对较规则的扫描对象。此处，所选择基准扫描对象为土体颗粒。

步骤4022、边界线提取：调用图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出步骤4021中所选取基准扫描对象的边界线。

其中，在当前所定位整幅电镜扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为待定位边界线，在所述上层扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为已定位边界线，所述待定位边界线和所述已定位边界线均为二维平面图形。

步骤4023、形心确定：对步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心进行确定。

步骤4024、形心偏移量计算及图像调整：先计算得出步骤4021中所述基准扫描对象的形心偏移量，所述基准扫描对象的形心偏移量为步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，说明无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，获取当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c，再获取调整后的当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；其中，c＝0.1μm～5μm。本实施例中，c＝2μm。

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多幅所述整幅电镜扫描图像的定位过程。

本实施例中，步骤4022中进行边界线提取之前，先从当前所定位整幅电镜扫描图像中，找出所选取基准扫描对象的扫描图像；再根据所找出的所选取基准扫描对象的扫描图像的大小和形状，在当前所定位整幅电镜扫描图像的上层扫描图像中，找出所述基准扫描对象的扫描图像；之后，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出所述基准扫描对象的扫描图像的边界线。

本实施例中，步骤四中进行图像定位之前，先按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对除所述顶部电镜扫描图像之外的所有整幅电镜扫描图像进行初定位；所有整幅电镜扫描图像的初定位方法均相同。

对任一幅整幅电镜扫描图像进行初定位时，根据该整幅电镜扫描图像的上层扫描图像进行初定位，将该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别进行比对，并通过调整该整幅电镜扫描图像，使得该整幅电镜扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别与其上层扫描图像中对应扫描对象的布设位置一致。

本实施例中，对该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别进行比对时，先从该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像分别找出多个扫描对象(如孔径较大的孔隙和/或粒径较大且形状较规则的土体颗粒)，再通过调整该整幅电镜扫描图像，使得所找出的多个扫描对象在该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像的分布位置均大致相同，这样便完成该整幅电镜扫描图像的初定位过程。

本实施例中，步骤四中图像定位为图像精定位。

本实施例中，步骤4021中所选择基准扫描对象在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中的面积近似相等或者面积变化不大，也就是说，当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中的所选择基准扫描对象的扫描图像大小近似相等。

本实施例中，步骤4023中进行形心确定时，调用形心坐标计算模块，分别计算得出步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心坐标。

其中，所述待定位边界线的形心坐标记作(x_j，y_j)，x_j和y_j分别为所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；所述已定位边界线的形心坐标记作(x_i，y_i)，x_i和y_i分别为所述已定位边界线的形心的横坐标和纵坐标。

实际对所述待定位边界线的形心坐标记作(x_j，y_j)进行计算时，如图2所示，采用image-pro plus(IPP)图像处理软件进行处理，先在SelectMeasurements窗口中选择形心的计算参数Center-X和Center-Y，再通过图像处理软件在当前所定位整幅电镜扫描图像中选择所述基准扫描对象，然后计算得到所述待定位边界线的形心坐标记作(x_j，y_j)。相应地，对所述已定位边界线的形心坐标记作(x_i，y_i)进行计算时，先在SelectMeasurements窗口中选择形心的计算参数Center-X和Center-Y，再通过图像处理软件在当前所定位整幅电镜扫描图像的上层扫描图像中选择所述基准扫描对象，详见图2，然后计算得到所述已定位边界线的形心坐标记作(x_i，y_i)。其中，面的形心就是截面图形的几何中心。

本实施例中，步骤4024中进行形心偏移量计算时，计算得出的所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i-x_j|和|y_i-y_j|，|x_i-x_j|和|y_i-y_j|为图像调整前所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i-x_j|＜c且|y_i-y_j|＜c。

对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|，|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|为图像调整后所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；其中，x_i’和y_i’分别为对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，步骤4022中所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；当图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i’-x_j|＜c且|y_i’-y_j|＜c。

实际进行图像定位时，步骤4021中所选取基准扫描对象的数量为多个。

步骤4022中进行边界线提取时，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线。

步骤4023中进行形心确定时，对多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心分别进行确定。

步骤4024中进行图像调整时，先计算得出所有基准扫描对象的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当且仅当所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c时，无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c。

本实施例中，步骤402中进行下一幅整幅电镜扫描图像定位时，采用image-pro plus(IPP)图像处理软件进行处理。

本实施例中，步骤4021中所选取基准扫描对象的数量为两个。并且图像定位完成后，两个所述基准扫描对象的形心偏移量计算结果详见表2：

表2  两个基准扫描对象的形心偏移量计算结果表

由表2可看出，图像调整后所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c。

本实施例中，步骤4024中调用所述图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整时，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行裁剪、平移和旋转。

本实施例中，步骤五中进行三维重建时，所采用的三维重建软件为Mimics软件。实际使用时，也可以采用其它类型的三维重建软件。

实际进行三维重建处理时，将经图像边界提取的多幅所述整幅电镜扫描图像均导入Mimics软件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样；

步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：

步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；

步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像；

步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：

步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；

步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；

步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像；

步骤203、多次重复步骤步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程；

本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应；

步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序；

步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定；

步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型。

2.按照权利要求1所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤一中进行土样获取时，先采用圆柱状取土器从待测区域切取土样，待所切取土样干燥后，采用环氧树脂混合液对所切取土样进行固化处理；所述环氧树脂混合液由环氧树脂、丙酮、乙二胺和邻苯二甲酸二丁酯按照100︰(130～170)︰(6～8)︰(1.8～2.2)的体积比均匀混合而成。

3.按照权利要求1或2所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤二中进行土样分层扫描时，还需采用能谱仪，获取多个所述扫描面的能谱图；步骤二中每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；

步骤二中土样分层扫描完成后，还需根据多个所述扫描面的能谱图，对每幅整幅电镜扫描图像中各土体颗粒的材质进行确定；并根据土体颗粒的材质确定结果，调用属性信息标注模块，在每幅电镜扫描图像中标注出各土体颗粒的材质。

4.按照权利要求1或2所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤五中进行三维重构之前，先调用图像边界提取模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像分别进行图像边界提取，提取出各幅整幅电镜扫描图像中所有土体颗粒的边界线；

步骤五中进行三维重构时，先根据步骤四中的图像定位结果，将多幅所述整幅电镜扫描图像由上至下排列；之后，结合所述土样中多个扫描面的布设位置和所述土样的三维空间模型的高度，再调用三维重建模块，对经图像边界提取的多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理。

5.按照权利要求1或2所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤二中所获得的多幅整幅电镜扫描图像均为二维图像，且每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；多幅整幅电镜扫描图像的图像大小和分辨率均相同；步骤二中所获得多幅整幅电镜扫描图像的分辨率均为微米级；步骤二中所述打磨层的层厚小于所述土样中土体颗粒的平均粒径。

6.按照权利要求1或2所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤2013中所获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像为顶部电镜扫描图像；

步骤四中进行图像定位时，按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对多幅整幅电镜扫描图像进行定位，过程如下：

步骤401、顶部电镜扫描图像定位：采用所述数据处理设备获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成所述顶部电镜扫描图像的定位过程；

步骤402、下一幅整幅电镜扫描图像定位：结合前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像，对下一幅整幅电镜扫描图像的位置进行确定；其中，前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像为位于当前所定位整幅电镜扫描图像前侧的上层扫描图像；对当前所定位整幅电镜扫描图像进行定位时，过程如下：

步骤4021、基准扫描对象选取：选取一个扫描对象作为基准扫描对象，所述基准扫描对象为土体颗粒；当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中均存在所选择基准扫描对象的扫描图像；

步骤4022、边界线提取：调用图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出步骤4021中所选取基准扫描对象的边界线；

其中，在当前所定位整幅电镜扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为待定位边界线，在所述上层扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为已定位边界线，所述待定位边界线和所述已定位边界线均为二维平面图形；

步骤4023、形心确定：对步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心进行确定；

步骤4024、形心偏移量计算及图像调整：先计算得出步骤4021中所述基准扫描对象的形心偏移量，所述基准扫描对象的形心偏移量为步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，说明无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，获取当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c，再获取调整后的当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；其中，c＝0.1μm～5μm；

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多幅所述整幅电镜扫描图像的定位过程。

7.按照权利要求6所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤4022中进行边界线提取之前，先从当前所定位整幅电镜扫描图像中，找出所选取基准扫描对象的扫描图像；再根据所找出的所选取基准扫描对象的扫描图像的大小和形状，在当前所定位整幅电镜扫描图像的上层扫描图像中，找出所述基准扫描对象的扫描图像；之后，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出所述基准扫描对象的扫描图像的边界线；步骤4024中调用所述图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整时，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行裁剪、平移或旋转。

8.按照权利要求6所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤四中进行图像定位之前，先按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对除所述顶部电镜扫描图像之外的所有整幅电镜扫描图像进行初定位；所有整幅电镜扫描图像的初定位方法均相同；

对任一幅整幅电镜扫描图像进行初定位时，根据该整幅电镜扫描图像的上层扫描图像进行初定位，将该整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别进行比对，并通过调整该整幅电镜扫描图像，使得该整幅电镜扫描图像中多个扫描对象的布设位置分别与其上层扫描图像中对应扫描对象的布设位置一致。

9.按照权利要求6所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤4023中进行形心确定时，调用形心坐标计算模块，分别计算得出步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心坐标；

其中，所述待定位边界线的形心坐标记作(x_j，y_j)，x_j和y_j分别为所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；所述已定位边界线的形心坐标记作(x_i，y_i)，x_i和y_i分别为所述已定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；

步骤4024中进行形心偏移量计算时，计算得出的所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i-x_j|和|y_i-y_j|，|x_i-x_j|和|y_i-y_j|为图像调整前所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i-x_j|＜c且|y_i-y_j|＜c；

对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量记作|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|，|x_i’-x_j|和|y_i’-y_j|为图像调整后所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心坐标差值；其中，x_i’和y_i’分别为对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整后，步骤4022中所述待定位边界线的形心的横坐标和纵坐标；当图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，|x_i’-x_j|＜c且|y_i’-y_j|＜c。

10.按照权利要求6所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤4021中所选取基准扫描对象的数量为多个；

步骤4022中进行边界线提取时，调用所述图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线；

步骤4023中进行形心确定时，对多个所述基准扫描对象的待定位边界线和已定位边界线的形心分别进行确定；

步骤4024中进行图像调整时，先计算得出所有基准扫描对象的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当且仅当所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c时，无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所有基准扫描对象的形心偏移量均小于c。