CN109931876A - 一种通过摄影测量土工试样形变的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过摄影测量土工试样形变的方法，对于以空气为介质测量土体变形性质的土工试验，可在试验前在距离土样主要变形面一定距离处布置工业摄像头，记录土样变化过程，将得到的照片导入图像处理软件，软件通过颜色的比较可以提取照片中土样的轮廓，得出变化前后土样所占面积的像素值，由此计算出土样边界变化的变形量，最后换算出土样变形后的高度或面积。本发明是一种通过现代近景摄影测量技术在应用在土工试验中，在更加精确地测量土样的变形的同时，也提高基础试验员的效率和试验数据的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种通过摄影测量土工试样形变的方法。
背景技术
在无侧限抗压强度试验、收缩试验等以空气为介质的土工试验中，对于土样的高度往往通过百分表等仪器测出，然后计算土样轴向的变化率；而体积的变化率则根据人工计算得出，其数据精确性需要考虑仪器的误差，以及在读数时的人为误差。再者对于试验操作者，需要长时间呆在试验仪器周围，浪费时间且能读取的数据有限。
由于上述原因，试验人员往往无法根据读取的数据完整地绘制出土样的变形曲线，如果能用图像，而不是单单几个数据来表示土样的变形性质，会更具有直观性，也能得到足够多的数据支持用线性回归的手段得到更加精确的数据。
随着现有近景摄影测量技术的发展，不仅仅能够运用在无人机测量地形这种“大而广”的工作上，也能运用在在土工试验这种“小而细”的试验中，来更加精确地测量土样的变形，提高基础试验员的效率和试验数据的精确性。
发明内容
本发明提供一种通过摄影测量土工试样形变的方法，在精确地测量土样的变形的同时，提高了基础试验员的效率和试验数据的精确性。
本发明采取的技术方案为：
一种通过摄影测量土工试样形变的方法，包括以下步骤：
步骤1：对于以空气为介质测量土样变形性质的土工试验，如无侧限抗压强度试验，收缩试验，无荷载膨胀率试验等。在土工试验前，测量目标土样的高度，直径等参数，根据试验土样的变形方向布置工业摄像头，记录土体轴向和侧向变形的过程。
步骤2：为了保证拍摄到清晰完整的土样截面，根据试验土样，调节工业摄像头的焦距、高度，保证试验土样能清晰地出现在工业摄像头镜头正中心。
步骤3：根据试验土样不同的变形阶段，设置合适的拍摄间隔。
步骤4：开始土工试验和工业摄像头拍摄。
步骤5：待土工试验完成后，将工业摄像头拍摄的照片导入图像处理软件，图像处理软件能够得到照片中试验土样变形前、后的像素值，计算出试验土样边界变化的变形量。
所述步骤1中，
根据试验土样变形方向布置摄像头，收缩试验中，土样在试验土样上方布置第一工业摄像头，用来拍摄土样上表面，通过图像处理软件计算上表面积变化，按照轴向、侧向分别布置第二工业摄像头和第三工业摄像头监测，拍摄土样的高度变化，通过图像处理软件，计算土样变化前后的高度。通过图像处理技术能避免试样表面不平而造成百分表读数的误差。
在无侧限抗压强度试验中，按照轴向、侧向分别布置第一工业摄像头、第二工业摄像头，在土样受压后发生沿45°剪切破坏时，土样上表面发生倾斜，实际破坏的高度与测量高度会产生一定误差，从而在轴向和侧向位置拍摄土样高度的变化并取其平均值，可以有效避免试样破坏时对土样高度测量不准确而产生的误差，然后计算土样的轴向应变。
所述步骤2中，
在无侧限抗压强度试验中，通过调整第一工业摄像头、第二工业摄像头的视场拍摄到完整的试验土样外表面，对于标准镜头而言视场是50°左右，根据视场确定焦距f、物距u，再通过摄像头附带杆调节工业摄像头高度，保证土样完整出现在图像正中间且土样占图像面积的百分之六十以上，减少在图像处理产生的误差，如边界模糊等，然后记录布置摄像头的角度参数。
所述步骤3中，
采用定时拍摄的方法，利用工业摄像头跟踪拍摄试验土样的变形情况，考虑试验土样不同的变形阶段，对应设置不同的拍摄间隔，保证数据的完整性和可靠性。
所述步骤5中，
使用图像处理软件处理试验过程中，工业摄像头拍摄的土样变化图像，图像处理软件通过颜色的比较，能够提取照片中试验土样的轮廓，然后得到试验土样变形前、后所占面积的像素值，由此计算出试验土样边界变化的变形量，从而推算试验土样实际的形变，再根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)中的公式(17.0.5)，(23.0.5)，(23.0.6)计算需要求得的土体线缩率，体缩率，轴向应变。
该方法还包括步骤6：
图像处理软件能够通过分析图像，将试验土样各个阶段的体积求出，由此计算分析试验土样各个阶段的变形率，并绘制变形曲线；
计算试验土样体积的公式如下，
其中，土样变形后的实际高度为h，原土样的高度为h1，拍得照片中原土样高度为h2，变形后土样高度为h3；
对于照片中土样的高度，如原土样高度h2计算公式如下，高度的像素为a，图像每英寸长度内的点数DPI为b。
本发明一种通过摄影测量土工试样形变的方法，技术效果如下：
1：本发明中的测量方法为非接触性测量，相对于传统的接触测量，这种方法能更加方便的获取数据并传输到计算机，避免了将数据人工输入到计算机这种低效率的过程。
2：本发明能适用于多种试验，相对于现在实验室所配置的一般单个试验仪器配置系统的模式，这种方法省时且方便快捷，能通过移动摄像头实现对不同仪器的测量。
3：本发明通过图像处理软件可以更加高效地处理各种不规则的形状，这一点在基础土工试验中是难以实现。
4：本发明能改变通过改变拍摄频率来得到更多且精确的数据，用来帮助试验人员绘制并分析土体或岩体在不同变形阶段的应力曲线，并且能通过配图来更加清晰地说明岩土体变形阶段的破坏特征。
附图说明
图1为本发明的拍摄布置示意图。
图2为本发明的拍摄原理示意图。
具体实施方式
一种通过摄影测量土工试样形变的方法，包括以下步骤：
步骤1：对于以空气为介质测量土样变形性质的土工试验，在土工试验前，测量目标土样的高度，直径等参数，根据试验土样3的变形方向布置工业摄像头，记录土体轴向和侧向变形的过程。
步骤2：为了保证拍摄到清晰完整的土样截面，根据试验土样3，调节工业摄像头的焦距、高度，保证试验土样3能清晰地出现在工业摄像头镜头正中心。
步骤3：根据试验土样3不同的变形阶段，设置合适的拍摄间隔；
步骤4：开始土工试验和工业摄像头拍摄；
步骤5：待土工试验完成后，将工业摄像头拍摄的照片导入图像处理软件，图像处理软件能够得到照片中试验土样3变形前、后的像素值，计算出试验土样3边界变化的变形量。
实施例：
(1)在无侧限抗压强度试验开始前，测量试验土样3的高度为h1，将试验土样3放入应变控制式无侧限压缩仪4，在正向和切向布置两个：第一工业摄像头1、第二工业摄像头2，根据试验土样3高度h1来确定焦距f和物距u，确保试验土样3能完整清晰地出现在拍摄中心，如图1所示。
(2)开始试验和拍摄，设置5秒的拍摄间隔。
(3)试验完成后，取出土样，将得到的照片导入图像处理软件，图像处理软件分析图像后得到试验土样3变形后的边界，得到试验土样3高度对应的像素。拍得照片中原土样高度为h2，变形后土样高度为h3，照片中土样的高度如h2计算公式如下，其中高度的像素是a，图像每英寸长度内的点数DPI是b。
(4)计算得到土样变形后的实际高度为h，根据相似比定理，计算公式如下：
然后可根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)中的公式(17.0.5)，计算轴向应变。
第一工业摄像头1、第二工业摄像头2采用：cossim型号：XFCAM1080PHD生产企业：北京世纪科信科学仪器有限公司。
应变控制式无侧限压缩仪4采用：南京土壤仪器厂型号：YYW-2型应变控制式无侧限压力仪。
图像处理软件采用Matlab软件，通过灰度和骨架提取，寻找二值图像的细化结构。
Claims (7)
1.一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在土工试验前，根据试验土样(3)的变形方向布置工业摄像头；
步骤2：根据试验土样(3)，调节工业摄像头的焦距、高度，保证试验土样(3)能清晰地出现在工业摄像头镜头正中心；
步骤3：根据试验土样(3)不同的变形阶段，设置合适的拍摄间隔；
步骤4：开始土工试验和工业摄像头拍摄；
步骤5：待土工试验完成后，将工业摄像头拍摄的照片导入图像处理软件，图像处理软件能够得到照片中试验土样(3)变形前、后的像素值，计算出试验土样(3)边界变化的变形量。
2.根据权利要求1所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：所述步骤1中，根据试验土样(3)变形方向布置摄像头，收缩试验中，在试验土样(3)上方布置摄像头；在无侧限抗压强度试验中，按照轴向、侧向分别布置第一工业摄像头(1)、第二工业摄像头(2)。
3.根据权利要求1所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：所述步骤2中，在无侧限抗压强度试验中，第一工业摄像头(1)、第二工业摄像头(2)的视场能拍摄到完整的试验土样(3)截面，对于标准镜头而言视场是50°左右，根据视场确定焦距f、物距u，再跟据观测点的位置，调节工业摄像头高度，并记录布置摄像头的角度参数。
4.根据权利要求1所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：所述步骤3中，采用定时拍摄的方法，利用工业摄像头跟踪拍摄试验土样(3)的变形情况，考虑试验土样(3)不同的变形阶段，对应设置不同的拍摄间隔。
5.根据权利要求1所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：所述步骤5中，使用图像处理软件处理试验过程中，工业摄像头拍摄的土样变化图像，图像处理软件通过颜色的比较，能够提取照片中试验土样(3)的轮廓，然后得到试验土样(3)变形前、后所占面积的像素值，由此计算出试验土样(3)边界变化的变形量，从而推算试验土样(3)实际的形变，再计算需要求得的土体线缩率，体缩率，轴向应变数据。
6.根据权利要求1所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：该方法还包括步骤6：图像处理软件能够通过分析图像，将试验土样(3)各个阶段的体积求出，由此计算分析试验土样(3)各个阶段的变形率，并绘制变形曲线；
计算试验土样(3)体积的公式如下，
其中，土样变形后的实际高度为h，原土样的高度为h1，拍得照片中原土样高度为h2，变形后土样高度为h3；
对于照片中土样的高度，如原土样高度h2计算公式如下，高度的像素为a，图像每英寸长度内的点数DPI为b；
7.如权利要求1-6任意一项所述一种通过摄影测量土工试样形变的方法，其特征在于：应用于无侧限抗压强度试验、收缩试验、或者无荷载膨胀率试验中。
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