CN109932387A - 基于图像识别的土体冻胀和冻结锋面测试装置及实施方法 - Google Patents

基于图像识别的土体冻胀和冻结锋面测试装置及实施方法 Download PDF

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一种基于图像识别的土体冻胀和冻结锋面测试装置及实施方法，包括控制计算平台、真空透明环刀、土样、环境控制箱，环境控制箱置于控制计算平台上方，土样置于真空透明环刀内，土样和真空透明环刀联合体放置在控制计算平台的置样盘上。本发明通过双目识别技术确定土颗粒在三维空间中三个方向的位移量，基于多点位移叠加平均的方式确定土颗粒的平均竖向位移量，基于方差计算确定土颗粒的不均匀冻胀，基于空间勾股定理确定土样表面的整体运行状态，基于摄像测量图像比对方法确定土体冻结封面特征。本发明通过不接触土样方式测定土样表面冻胀变形和横向变形的测试装置，能够实现冻胀与冻结锋面集成测试，为季节冻土区的土体冻胀和冻结速率研究提供便利。

Description

基于图像识别的土体冻胀和冻结锋面测试装置及实施方法
技术领域
本发明属于环境土工测试领域，涉及一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置及其实施方法，可用于评价土体的冻胀规律和冻结锋面演变特性。
背景技术
土体的季节性冻胀是影响地基稳定性的重要因素，是影响东北地区和西北地区基础工程设施运行性能的常规因素。既有的研究采用千分表、标志物识别的方式对土体的冻胀特性进行了研究，由于千分表和标志物均需与土样接触，导致测试结果受到了测试元件和测试程序的接触影响。同时，土体是松散颗粒状态的多孔材料，是一定宏观意义上的多孔介质，因此，用千分表变化值导出的冻胀量仅是某一区域的平均变形。
冻结锋面是研究土体冻结速率和温度场演变趋势的重要方面，目前采用特种材料示踪方式对冻结锋面进行了研究。由于示踪材料并非土体材料，这也一定程度上影响了土体的冻胀进程。为了降低外源手段和示踪方式对土体冻胀和冻结锋面测试的影响，有必要采用不接触土样，且能评价土颗粒局部位移的装置进行土体的冻胀特性和冻结锋面研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置及其实施方法，以实现土体冻胀和冻结锋面的无接触测试。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置，该试验装置包括控制计算平台、真空透明环刀、土样、环境控制箱；所述环境控制箱置于控制计算平台上方，土样置于真空透明环刀内，土样和真空透明环刀联合体放置在控制计算平台的置样盘上；
所述控制计算平台包括置样盘、补光灯带、控制屏、开机键、急停键、循环管入口、循环管出口、充电接口、数据传输接口；所述置样盘位于控制计算平台的上部；所述补光灯带位于置样盘的外围，为微型耐低温相机的拍摄提供光照环境；所述控制屏和开机键设置在控制计算平台的前表面，控制屏用于设置土样温度；所述急停键、循环管入口、循环管出口位于控制计算平台的右侧表面，循环管入口、循环管出口分别与循环水浴设备相连接；所述充电接口和数据传输接口设置在控制计算平台后表面，数据传输接口与计算机相连接；
所述环境控制箱包括有控制箱体、控制箱门、柔性磁密封条、循环冷却管、温度测试探头、四个微型耐低温相机、耐低温照明灯、中空分隔板、中空分隔板滑道；所述控制箱体下底面为开口结构，侧面与控制箱门通过铰链相连接，所述柔性磁密封条位于控制箱门的内部外围用于控制箱体与控制箱门的密封；所述循环冷却管位于控制箱体的内部表面，循环冷却管两端分别与循环管入口、循环管出口连接，用于维护环境控制箱的温度；所述2个温度测试探头布置在控制箱体的内部左侧面，中空分隔板上下各设一个温度测试探头，用于监测环境控制箱上部和下部环境的温度和冻结温度梯度；所述2个微型耐低温相机分别布置在控制箱体内部的左侧面和右侧面且关于真空透明环刀对称，用于监测降温过程中土样侧面的图像；另外两个微型耐低温相机布置在控制箱体内部顶面，用于监测降温过程中土样顶面的横向方向、纵向方向、垂直方向的变形；所述中空分隔板中心开有与真空透明环刀直径相同的孔，中空分隔板布置在控制箱体的中空分隔板滑道上且下底面与真空透明环刀相接触，中空分隔板用于保证土样由上至下的单向冻结。
同时提供了一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置的实施方法。本发明通过双目识别技术确定土颗粒在三维空间中三个方向的位移量，基于多点位移叠加平均的方式确定土颗粒的平均竖向位移量，基于方差计算确定土颗粒的不均匀冻胀，基于空间勾股定理确定土样表面的整体运行状态，基于摄像测量图像比对方法确定土体冻结封面特征，具体包括以下步骤：
1)制备土样并组装基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置；
2)通过开机键打开土体冻胀和冻结锋面测试装置，通过控制屏设置土样温度环境并开始试验；
3)试验开始前，通过布置在控制箱体内部顶面的2个微型耐低温相机记录土样表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向的初始坐标值，并分别记为x0i、y0i、z0i；试验结束后，通过布置在控制箱体内部顶面的2个微型耐低温相机记录土样表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向变形后的坐标值，并分别记为xsi、ysi、zsi，通过公式(1)计算土样的平均冻胀量或盐胀量E，公式(1)为：
公式中，E为土样的平均冻胀量或盐胀量，z0i为土样表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样表面各角点的数量；
4)依据公式(2)计算土样的变形特征，公式(2)为：
公式中，E为土样的平均冻胀量或盐胀量；z0i为土样表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样表面各角点的数量；
5)依据公式(3)确定土样表面的整体运行状态C，公式(3)为：
公式中，C为土样表面的整体运行状态；x0i为土样表面i角点在横向的初始坐标值；xsi为土样表面i角点在横向变形后的坐标值；y0i为土样表面i角点在纵向的初始坐标值；ysi为土样表面i角点在纵向变形后的坐标值；z0i为土样表面i角点在垂直方向的初始坐标值；zsi为土样表面i角点在垂直方向变形后的坐标值；
6)根据分别布置在控制箱体内部的左侧面和右侧面且关于真空透明环刀对称的2个微型耐低温相机记录土样侧面的图像数据；
7)根据布置在控制箱体内部左右侧面的微型耐低温相机记录土样左侧面和右侧面不同时刻的图像，采用图像比对方法确定冻结锋面。
本发明效果是提供了通过不接触土样方式测定土样表面冻胀变形和横向变形的测试装置，实现了冻胀与冻结锋面测试的集成实现，并提供了一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置的实施方法，能为冻土冻胀量的测试和冻结速率的确定提供借鉴。该装置原理清晰，测试效率和测试精度较高，当取土样表面8个以上的角点计算平均冻胀量或盐胀量时，获取的测试精度是千分表测试精度的2倍以上。较高的测试精度能够满足工程问题解决的需要，能够为季节冻土区的土体冻胀和冻结速率研究提供便利。
附图说明
图1为本发明的一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置效果图；
图2为本发明的一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置的后视图；
图中：1控制计算平台；2真空透明环刀；3土样；4环境控制箱；
11置样盘；12补光灯带；13控制屏；14开机键；15急停键；16循环管入口；17循环管出口；18充电接口；19数据传输接口；41控制箱体；42控制箱门；43柔性磁密封条；44循环冷却管；45温度测试探头；46微型耐低温相机；47耐低温照明灯；48中空分隔板；49中空分隔板滑道。
具体实施方式
结合附图对本发明的一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置及其实施方法加以说明。
本发明的一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置及其实施方法是基于：通过图像识别技术确定土颗粒在三维空间中三个方向的位移量，基于多点位移叠加平均的方式确定土颗粒的平均竖向位移量，基于方差计算确定土颗粒的不均匀冻胀，基于空间勾股定理确定土样表面的整体运行状态，基于摄像测量图像比对方法确定土体冻结封面特征。
本发明的种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置及其实施方法是这样实现的：
提供了一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置，如图1和图2所示，其特征是：所述的试验装置包括控制计算平台1、真空透明环刀2、土样3、环境控制箱4；所述环境控制箱4置于控制计算平台1上方，土样3置于真空透明环刀2内，土样3和真空透明环刀2联合体放置在控制计算平台1的置样盘11上；所述控制计算平台1包括置样盘11、补光灯带12、控制屏13、开机键14、急停键15、循环管入口16、循环管出口17、充电接口18、数据传输接口19；所述置样盘11位于控制计算平台1的上部；所述补光灯带12位于置样盘11的外围，为微型耐低温相机46的拍摄提供光照环境；所述控制屏13和开机键14设置在控制计算平台1的前表面，控制屏13用于设置土样3温度；所述急停键15、循环管入口16、循环管出口17位于控制计算平台1的右侧表面，循环管入口16、循环管出口17分别与循环水浴设备相连接；所述充电接口18和数据传输接口19设置在控制计算平台1后表面，数据传输接口19与计算机相连接；所述环境控制箱4包括有控制箱体41、控制箱门42、柔性磁密封条43、循环冷却管44、温度测试探头45、四个微型耐低温相机46、耐低温照明灯47、中空分隔板48、中空分隔板滑道49；所述控制箱体41下底面为开口结构，侧面与控制箱门42通过铰链相连接，所述柔性磁密封条43位于控制箱门42的内部外围用于控制箱体41与控制箱门42的密封；所述循环冷却管44位于控制箱体41的内部表面，循环冷却管44两端分别与循环管入口16、循环管出口17连接，用于维护环境控制箱4的温度；所述2个温度测试探头45布置在控制箱体41的内部左侧面，中空分隔板48上下各设一个温度测试探头45，用于监测环境控制箱4上部和下部环境的温度和冻结温度梯度；所述2个微型耐低温相机46分别布置在控制箱体41内部的左侧面和右侧面且关于真空透明环刀2对称，用于监测降温过程中土样3侧面的图像；另外两个微型耐低温相机46布置在控制箱体41内部顶面，用于监测降温过程中土样3顶面的横向方向、纵向方向、垂直方向的变形；所述中空分隔板48中心开有与真空透明环刀2直径相同的孔，中空分隔板48布置在控制箱体41的中空分隔板滑道49上且下底面与真空透明环刀2相接触，中空分隔板48用于保证土样3由上至下的单向冻结。
一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置的实施方法，其特征在于，该实施方法包括以下步骤：
1)制备土样3并组装基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置；
2)通过开机键14打开土体冻胀和冻结锋面测试装置，通过控制屏13设置土样温度环境并开始试验；
3)试验开始前，通过布置在控制箱体41内部顶面的2个微型耐低温相机46记录土样3表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向的初始坐标值，并分别记为x0i、y0i、z0i；试验结束后，通过布置在控制箱体41内部顶面的2个微型耐低温相机46记录土样3表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向变形后的坐标值，并分别记为xsi、ysi、zsi，通过公式(1)计算土样3的平均冻胀量或盐胀量E，公式(1)为：
公式中，E为土样3的平均冻胀量或盐胀量，z0i为土样3表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样3表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样3表面各角点的数量；
4)依据公式(2)计算土样3的变形特征，公式(2)为：
公式中，E为土样3的平均冻胀量或盐胀量；z0i为土样3表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样3表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样3表面各角点的数量；
5)依据公式(3)确定土样3表面的整体运行状态C，公式(3)为：
公式中，C为土样3表面的整体运行状态；x0i为土样3表面i角点在横向的初始坐标值；xsi为土样3表面i角点在横向变形后的坐标值；y0i为土样3表面i角点在纵向的初始坐标值；ysi为土样3表面i角点在纵向变形后的坐标值；z0i为土样3表面i角点在垂直方向的初始坐标值；zsi为土样3表面i角点在垂直方向变形后的坐标值；
6)根据分别布置在控制箱体41内部的左侧面和右侧面且关于真空透明环刀2对称的2个微型耐低温相机46记录土样3侧面的图像数据；
7)根据布置在控制箱体41内部左右侧面的微型耐低温相机46记录土样3左侧面和右侧面不同时刻的图像，采用图像比对方法确定冻结锋面。
本发明的创新点体现在以下方面：
(1)采用双目识别技术实现了非连续材料表面变形的直接观测；
(2)提出了采用多点位移叠加平均的方式来确定土颗粒的平均竖向位移量；
(3)采用侧面安装的相机和上下部分分割的环境维护箱实现了土样单向冻结和冻结锋面观测。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，对于本领域的实际应用来说，本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置，其特征在于：所述的试验装置包括控制计算平台(1)、真空透明环刀(2)、土样(3)、环境控制箱(4)；所述环境控制箱(4)置于控制计算平台(1)上方，土样(3)置于真空透明环刀(2)内，土样(3)和真空透明环刀(2)联合体放置在控制计算平台(1)的置样盘(11)上；
所述控制计算平台(1)包括置样盘(11)、补光灯带(12)、控制屏(13)、开机键(14)、急停键(15)、循环管入口(16)、循环管出口(17)、充电接口(18)、数据传输接口(19)；所述置样盘(11)位于控制计算平台(1)的上部；所述补光灯带(12)位于置样盘(11)的外围，为微型耐低温相机(46)的拍摄提供光照环境；所述控制屏(13)和开机键(14)设置在控制计算平台(1)的前表面，控制屏(13)用于设置土样(3)温度；所述急停键(15)、循环管入口(16)、循环管出口(17)位于控制计算平台(1)的右侧表面，循环管入口(16)、循环管出口(17)分别与循环水浴设备相连接；所述充电接口(18)和数据传输接口(19)设置在控制计算平台(1)后表面，数据传输接口(19)与计算机相连接；
所述环境控制箱(4)包括有控制箱体(41)、控制箱门(42)、循环冷却管(44)、温度测试探头(45)、四个微型耐低温相机(46)、耐低温照明灯(47)、中空分隔板(48)、中空分隔板滑道(49)；所述控制箱体(41)下底面为开口结构，侧面与控制箱门(42)连接；所述循环冷却管(44)位于控制箱体(41)的内部表面，循环冷却管(44)两端分别与循环管入口(16)、循环管出口(17)连接，用于维持环境控制箱(4)的温度；所述2个温度测试探头(45)布置在控制箱体(41)的内部同一侧面，中空分隔板(48)上下各设一个温度测试探头(45)，用于监测环境控制箱(4)上部和下部环境的温度和冻结温度梯度；所述2个微型耐低温相机(46)分别布置在控制箱体(41)内部两侧面，且关于真空透明环刀(2)对称，用于监测降温过程中土样(3)侧面的图像；另外两个微型耐低温相机(46)布置在控制箱体(41)内部顶面，用于监测降温过程中土样(3)顶面的横向方向、纵向方向、垂直方向的变形；所述中空分隔板(48)中心开有与真空透明环刀(2)直径相同的孔，中空分隔板(48)布置在控制箱体(41)的中空分隔板滑道(49)上且下底面与真空透明环刀(2)相接触，中空分隔板(48)用于保证土样(3)由上至下的单向冻结。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置，其特征在于：所述的环境控制箱(4)还包括柔性磁密封条(43)，柔性磁密封条(43)位于控制箱门(42)的内部外围用于实现箱体(41)与控制箱门(42)的密封。
3.一种权利要求1或2所述的基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备土样(3)并组装基于图像识别技术的土体冻胀和冻结锋面测试装置；
2)通过开机键(14)打开土体冻胀和冻结锋面测试装置，通过控制屏(13)设置土样温度环境并开始试验；
3)试验开始前，通过布置在控制箱体(41)内部顶面的2个微型耐低温相机(46)记录土样(3)表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向的初始坐标值，并分别记为x0i、y0i、z0i；试验结束后，通过布置在控制箱体(41)内部顶面的2个微型耐低温相机(46)记录土样(3)表面i角点在横向方向、纵向方向、垂直方向变形后的坐标值，并分别记为xsi、ysi、zsi，通过公式(1)计算土样(3)的平均冻胀量或盐胀量E，公式(1)为：
公式中，E为土样(3)的平均冻胀量或盐胀量，z0i为土样(3)表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样(3)表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样(3)表面各角点的数量；
4)依据公式(2)计算土样(3)的变形特征，公式(2)为：
公式中，E为土样(3)的平均冻胀量或盐胀量；z0i为土样(3)表面i角点在垂直方向的初始坐标值，zsi为土样(3)表面i角点在垂直方向变形后的坐标值，N为土样(3)表面各角点的数量；
5)依据公式(3)确定土样(3)表面的整体运行状态C，公式(3)为：
公式中，C为土样(3)表面的整体运行状态；x0i为土样(3)表面i角点在横向的初始坐标值；xsi为土样(3)表面i角点在横向变形后的坐标值；y0i为土样(3)表面i角点在纵向的初始坐标值；ysi为土样(3)表面i角点在纵向变形后的坐标值；z0i为土样(3)表面i角点在垂直方向的初始坐标值；zsi为土样(3)表面i角点在垂直方向变形后的坐标值；
6)根据分别布置在控制箱体(41)内部的左侧面和右侧面且关于真空透明环刀(2)对称的2个微型耐低温相机(46)记录土样(3)侧面的图像数据；
7)根据布置在控制箱体(41)内部左右侧面的微型耐低温相机(46)记录土样(3)左侧面和右侧面不同时刻的图像，采用图像比对方法确定冻结锋面。
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