CN111476850B - 一种裂隙土裂隙率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂隙土裂隙率计算方法，该方法以AutoCAD和Visual Basic编程作为辅助软件，通过AutoCAD追踪不规则裂隙测量，计算得到试样表面裂隙的总长度，然后计算长度裂隙率；通过Visual Basic把彩色图像转换成黑白图像，然后统计黑像素点和白像素点的比例关系计算裂隙土裂隙面积率。本发明解决了不规则长度裂隙率、面积裂隙率的计算问题，保证了裂隙长度计算与裂隙面积计算的准确性，可以防止漏测和重复测量且不需要复杂的高端仪器。

Description

一种裂隙土裂隙率计算方法

技术领域

本发明涉及裂隙长度测量、图像处理与计算方法领域，尤其涉及种针对裂隙土不规则裂隙长度裂隙率、面积裂隙率计算方法。

背景技术

红粘土、膨胀土是两种对环境湿度变化敏感、具有多裂隙性、强度衰减性的高塑性黏土，因此称他们为裂隙土。干旱季节时，裂隙土中含水量降低，土体收缩使土体原始结构受到不同程度的破坏，产生裂隙，破坏了土体的整体性，使其强度大为削弱。另一方面，裂隙也加剧了大气对土体的影响，使水分的入侵与土体的风干更为剧烈。在雨季，雨水会渗入土体开裂的裂隙，土体粘聚力急剧降低，强度衰减，导致路基、边坡、隧道等工程建筑物失稳。因此裂隙发育程度在干湿环境中的演变及对路基填料选用具有重要意义。

天然情况下，裂隙土裂隙分布大多呈混乱型裂隙网络，对裂隙的长度、延伸、宽度及面积的量测较为繁杂。为了综合反映裂隙的分布特征和影响，通常采用裂隙率作为裂隙度量分析指标。裂隙率可以定义为单位面积上的裂隙面积，或单位面积上的裂隙长度。这此定义的裂隙率都能通过一定方式来反映裂隙的发育程度，但问题在于如果仅基于人工量测或统计分析，一些微小裂隙往往被忽略，导致裂隙率的计算不够精确。

在研究裂隙发育规律时，主要依靠现场素描或拍照，随着影像技术的发展，光学显微镜与CT扫描技术相继出现，使裂隙观测技术向微观与无损探测迈进一大步。目前，裂隙成像技术虽然已经比较成熟，但在室内小裂隙试样裂隙度计算上仍然存在困难，CT拍照统计虽然有许多优点，其仪器造价过高，不适合一般室验室裂隙度的计算。

除了直接测量法，目前还有间接测量法，间接测量法有电阻率法和超声波法。电阻率法利用测试电流通过土体时所呈现的电阻大小来间接反映土体的内部结构，应用该方法的前提是裂隙发育程度不致的岩土体具有电阻率差。超声波法采用超声波脉冲透射法量测岩土体内的超声波声速，利用不同的超声波声速反映岩土体内部裂纹的发展状况。由于这两种方法是间接方法，需要结合直接量测方法进行标定和校核，目前通过单一的指标如电阻率或者超声波声速等的变化无法对裂隙进行准确的描述。

目前技术的缺点：

(1)裂隙开裂的总长度是反映裂隙发育规律的重要参数，但裂隙总长度现在的常规测量手段不易测量。但裂隙土干湿循环后裂隙呈现不规则形状，如果采用常规的测量方法无法测得其长度。

采用柔性棉线的曲直法，即使用棉线跟踪裂隙，再把棉线拉直测定长度。此法针对少量的裂隙可以，但针对不规则的大量裂隙容易遗漏测量或重复测量；另外，采用此法棉线还是由一定的弹性，经常会出现棉线无法紧密贴合裂隙的情况，且测试过程无法返回查看，不便于估计测量误差。

采用轮替尺法，该法适应于长而弯的曲线的测量，其基本原理是借助圆轮沿曲线滚动，记得轮子滚过的转数，然后根据轮的周长与转数就可以得到曲线长。该法应用于不规则曲线时，不容易跟裂隙贴合不紧密，甚至小轮会压塌裂隙边缘而造成测量错误，此法针对较多裂隙时，同样可能造成遗漏测量或重复测量。采用轮替尺法，小轮可能对裂隙造成不可逆的损伤，造成后续干湿循环受前期测量过程的影响。

(2)裂隙面积率是反映裂隙土在干湿循环裂隙发展规律的重要参数，但不规则的裂隙面积难以计算，面积率也无法计算。虽然目前有利用Matlab软件对裂隙进行灰度处理，再进行二值处理，然后再进行裂隙率的计算。但每张裂隙图要能正确反映裂隙的长和宽，必须设置不同阈值来控制二值显示范围，然后再次调用软件进行分析，无法边处理边查看处理效果，通过对比原图与处理图来查看处理效果。

(3)Visual Basic像素点与实际长度并不存在一一对应的关系，往往受图片大小的影响，因此计算裂隙的实际面积需要较复杂的转换。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种一种针对裂隙土试样不规则裂隙长度和密度计算方法，其操作简单，不需要非常复杂的步骤和复杂贵重仪器，可以分析裂隙的总长度、长度裂隙度和面积裂隙率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种裂隙土裂隙率计算方法，该方法通过计算机辅助软件并结合计算方法计算出裂隙土的长度裂隙率和面积裂隙率；

所述裂隙土的长度裂隙率采用AutoCAD辅助软件进行测量，把经过裂隙土试样照片粘贴在AutoCAD的图层0上，然后锁定图层0；新建图层1，设置颜色与裂隙图的对比明显；在图层1中用直线标出圆形试样直径，选中直径并使用LIST命令测定圆形试样的CAD直径d1。

裂隙土圆形试样裂隙长度测量方法具体如下：

在图层1中用PLINE命令，沿裂隙绘制多段线；绘制多线段时，需要在裂隙分叉、转折处和弯曲处增加节点个数；

对图片用Autocad进行放大显示，调整多段线的每一个节点位置，使得每一个节点都位于所在裂隙宽度的中间位置，使得多段线与裂隙精确贴合；

对多段线进行CAD长度测量，选中上述绘制跟踪裂隙的多段线，输入LIST命令来计算第i条裂隙的长度；在图层1采用上述方法跟踪每一条裂隙，测量每一条裂隙的长度Li，并进行长度累加，得到试样表面裂隙的总长度，然后在计算长度裂隙率。

所述裂隙土裂隙面积率采用Visual Basic编程辅助计算，将彩色图转化成黑白图；

所述彩色图转化黑白图具体为：

(1)获得图片中像素的彩色数值：利用Visual Basic中的方法P＝Point(I_x,J_y)实现，其中P为可以接收彩色数值的长整型变量，Point是获得某点颜色值的方法，I_x,J_y是第x像素点的横坐标与纵坐标。

(2)获得第x个像素的三基色组成，其计算方法为R＝P mod 256，G＝P\256Mod256，B＝P\65536，其中R、G、B为整型变量，代表三基色中红、绿、蓝色值，“Mod”是求余运算，“\”代表整除运算。

(3)获得第x个像素的合成亮度值Y，采用的计算方法为：Y＝R*0.299+G*0.587+B*0.114，按照各色值的大小及亮度合成比例(红：绿：蓝＝0.299：0.587：0.114)，可以求出上述像素点的亮度值。

(4)把第x个像素根据亮度转化成黑色或白色；像素点根据亮度的大小来决定彩色像素是变成黑色像素还是白色像素，设置阈值变量T，当Y小T时显示成黑色，否则为白色；其计算方法为Picture2.PSet(I,J),IIf(Y<T,vbBlack,vbWhite)，其中Pset是绘制点的方法，IIF是判断函数，vbBlack,vbWhite分别是代表黑色与白色的常数，对处理得到的黑白图，进行逐像素扫描，分别对黑色像素点数和白色像素点点数进行累加；设黑色像素点总数量为N1，白色像素点总数量为N2，试样的圆形与正方形相切，则裂隙面积率计算方法为

进一步地，AutoCAD长度与裂隙的实际长度转换计算方法；按公式

进行计算试样表面裂隙的总长度，按公式

计算长度裂隙率。其中d1为在AutoCAD中测得试样的直径，d₀是使用游标卡尺测得试样的实际直径。

进一步地，每条裂隙进行长度测量过后，其裂隙上均会标有多段线，只需针对没有多段线的裂隙进行测量，可防止重复测量；在跟踪裂隙完成以后，应对图像进行分区域放大查看，查看是否存在部分微裂隙没有测量的情况，进而防止漏测。

进一步地，阈值变量T通过试算确定，原则是处理后黑色部分能反映裂隙分布的状态。

一种基于裂隙土裂隙率计算方法的路基土改良方案选择方法，其特征在于，选用不同的固化剂对路基土进行改良，根据长度裂隙率和面积裂隙率计算，选择综合裂隙率(综合裂隙率＝面积裂隙率×80％+长度裂隙率×20％)最小的对应的固化剂对路基土改良的方案作为最优的路基土改良方案。

一种基于裂隙土裂隙率计算方法的路基填料选择方法，其特征在于，根据不同取土场长度裂隙率与面积裂隙率的计算，比较选择综合裂隙率(综合裂隙率＝面积裂隙率×80％+长度裂隙率×20％)最小的取土场作为优选填料场。

本发明的有益效果：

1.可以准确的测定裂隙土试样的总长度和长度裂隙率

本发明提出的裂隙长度AutoCAD测量与计算方法，该法在拍摄了高清裂隙土试样后，导入AutoCAD软件，采用PLINE命令沿每一条裂隙绘制多段线，并可通过放大查看跟踪情况。当有偏离时，可以通过移动多段线上的节点进行微调和精调。通过AutoCAD放大图像，微调节点到所在裂隙宽度的中间位置，使绘制的多段线可以紧密贴合裂隙，保证长度测量的准确性。其次，采用LIST命令可以快速测定一条裂隙的CAD长度。本发明提出了AutoCAD测量总长度与实际总长度的换算计算方法，可以得到裂隙土试样实际的裂隙总长度，并计算长度裂隙率。

传统柔性棉线的曲直法，即使用棉线跟踪裂隙，再把棉线拉直测定长度，这种方法由于棉线略有弹性，有时不易紧密跟踪裂隙，且已经测量过的裂隙和未测量过的裂隙没有标记，容易造成漏测或重复测量。相对于柔性棉线跟踪试样裂隙法，本发明可以多段线可以通过调整多段线的节点来紧密贴合裂隙，还可以通过任意放大来查看多段线的贴合情况，使裂隙长度测量更为准确。其次，每条裂隙测量后，多段线就保留在裂隙上，可以防止重复测量。

轮替尺法需要小轮在裂隙上滚动，容易对裂隙试样的裂隙造成扰动，采用小轮滚动法也容易与裂隙贴合不紧,造成测量不准确。另外，测量过程不便于后期查看，容易出现漏测和重复测量。

2.本发明测量长度时不会对原试样造成损伤

采用棉线跟踪方法时，有可能因为人为原因让棉线跟踪裂隙时给裂隙造成永久性损伤，给后续的干湿循环造成裂隙扩展造成不可逆的损伤。

轮替尺法需要小轮在裂隙上滚动，容易对裂隙试样的裂隙造成扰动甚至造成损伤。

本发明对裂隙试样没有任何扰动，且可以保证多段线与裂隙的贴合性，而且可以对多次干湿循环的试样在AutoCAD中进行对比分析。

3本发明可以防止裂隙漏测和重复测量

本发明每一条裂隙被多段线跟踪后，都会在图层上显示多段线，因此不会重复测量。本发明使用的AutoCAD辅助软件可以任意放大与缩小，可以通过区域放大查看细微裂隙是否存在漏测行为。

而传统的棉线测量法与轮替尺法均无法追溯测量过程，对测量与未测量的裂隙只能靠人的记忆来判断，因此容易出现漏测与重复测量的情况。

4.本发明提出了不通过灰度图直接把彩色图转成黑白图的计算方法，可以较准确反映裂隙的实际分布，而且程序通用性高。

本发明提出用Visual Basic处理裂隙面积及面积裂隙率的计算方法，本计算方法相对于MatLab，不必进行灰度值转换，可以直接把彩色图转变成黑白图。软件设计了黑白色控制阈值变量T，并配合Visual Basic中的滚动条来调节变量值，通过彩色图与黑白图的对比来调整适当的阈值变量T，使黑色区域更能反映裂隙的面积分布实际情况。

附图说明

图1(a)为AutoCAD法测量裂隙的总长度：PLINE多段线跟踪裂隙图；

图1(b)为PLINE绘图初步跟踪裂隙走向图；

图1(c)为PLINE通过放大调整节点后跟踪情况图；

图2为经过处理后的裂隙土试样图，外边框与试样边缘相切；

图3为经过Visual Basic处理的黑白裂隙试验图；

图4为发明控制变量转换及彩色与黑白图片的对比；

图5为优化后的裂隙图，除去了杂点与裂隙不连续；

图6为利用二次处理的裂隙优化图进行裂隙面积、裂隙面积率计算结果图；

图7为本发明计算方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。本发明提供了一种裂隙土裂隙率计算方法，如图7所示，该方法通过计算机辅助软件并结合计算方法计算出裂隙土的长度裂隙率和面积裂隙率

(1)AutoCAD法测定裂隙试样的裂隙长度方法实现可以按以下步骤进行：

1)用高清数码相机对裂隙试样进行拍摄，要求拍摄的照片中心对着试样的中心，要求在光线充足的地方进行拍摄。

2)打开AutoCAD，建立一个新的CAD文件，在图层0中粘贴拍摄的图片，为保证图片的位置固定，需要锁定图层0；新建图层1，要求新建图层1的颜色与裂隙图的颜色反差尽可能的大，并把新建图层1设置为当前图层。

3)在AutoCAD中测定试样的直径d1。在图层1中用直线标出圆形试样的直径线段，并选中该线段，输入LIST命令测得其直径长度为d1。

3)初步跟踪裂隙绘制测量多段线。如图1(a)所示，在图层1输入PLINE命令，开始在图层1绘制多段线，可以在多段线中多加入一些节点，先对裂隙进行初步跟踪，见图1(b)。

4)精细跟踪裂隙。选中3)步骤中的多段线，放大图像，把多段线的每一个节点微调到裂隙的中间，实现多段线与裂隙的紧密贴合，见图1(c)。

5)在命令行中输入LIST命令，弹出的框中会显示该条裂隙的长度L1。

6)重复步骤3-5，测量每一条裂隙的长度Li，并进行记录；

7)计算实际的裂隙总长度，按公式

进行计算，其中d1为在AutoCAD中测得试样的直径，d0是使用游标卡尺测得试样的实际直径。

8)按公式

计算长度裂隙率。

(2)Visual Basic法测定裂隙试样的裂隙面积实现可以按以下步骤进行：

1)对拍照的彩色图片进行裁剪，使外面的图框正好与圆形试样相切，见图2。

1)在Visual Basic编程软件新建窗体上增加2个图片框，分别为Picture1和Picture2，其中Pictures用来装载原始的彩色图片，Picture2用来显示处理后的黑白图片，方便两图的对比。

2)在图片框1(Picture1)加载原始的彩色裂隙图，采用的方法为:Picture1.Picture＝LoadPicture(Strname),其中的Strname是图片文件所在的路径。

3)把彩色图片转成黑白图片。其计算方法与实现方法为：

①定义长整型变量P，利用Point方法获得图片框中第i个像素的颜色数值，其计算方法为P＝Point(I,J)，其中(I,J)为第i个像素点的坐标。

②把第i个像素的颜色数值P分解成三基色，即红色、绿色，蓝色值，红色值R是P除以256的余数，绿色值G是P除以256后取整，然后除以256的得到余数；蓝色值B是P除以65536后得数取整。其计算方式为：R＝P mod 256；G＝P\256Mod 256；B＝P\65536。其中R为整型变量，接收红色的色值大小，它是P除以256的余数；G为整型变量，接收绿色的色值大小，它是P除256得数取整，然后再除以256的余数；B为整型变量，接收蓝色的值，它是P除以65536得数取整。

③合成亮度。根据像素点的三基色值，按照各色值的大小及亮度合成比例，可以求出上述像素点的亮度值，其中红色占比为29.9％，绿色为58.7％，蓝色为11.4％。其合成办法按Y＝R*0.299+G*0.587+B*0.114进行计算，其中Y为双精度变量。

④彩色图转成黑白图。每一个像素点根据亮度的大小来决定彩色像素是变成黑色像素还是白色像素，设置阈值变量T，T可以在程序设计时赋值，当Y小T时显示成黑色，否则为白色，生成的黑白像素点显示在Picture2中(见图4)。其实计算实现方法为：Picture2.PSet(I,J),IIf(Y<T,vbBlack,vbWhite)。对图片框1中所有的像素点均按上述计算方法进行转换，则彩色图片转换成黑白图片(见图3)。

⑤阈值变量T可变性的实现。见图4，水平滚动条值的范围设计成0-256，并把滚动条年值进行显示并赋值给变量T，当滚动条调整时，阈值变量T也跟着改变，彩色图转变成黑白图的黑白比例也跟着变动。对比左右图片框，当黑色较为能真正反映裂隙分布时，固定T值，把黑白图片进行保存到相应的文件夹中。

⑥杂点和断续裂隙修正。由于经过干湿循环后试样表面可能不平整，则在⑤处理时可能在没有裂隙的地方出现一些黑点，部分较大的裂隙中存在突出的颗粒，而显示成白点，这些可以通过图片软件进行二次处理，可以用白色抹去杂点，用黑色连通断续裂隙，优化的黑白图如图5所示。

⑦再次转换。在图片框中加载⑥步骤的二次处理的黑白图片，再次转换，此时T值可以固定为150-200值。

4)统计像素点。对图片框2中所的像素点进行累计，其中黑的累加成N1，白色累加成N2。

5)面积裂隙率计算。由于试样为圆形，面积裂隙率的计算方法为：

计算结果如图6所示。

本发明可以很快的计算得到裂隙土不规则裂隙的长度裂隙率与面积裂隙率，长度裂隙率越长，面积裂隙率越大，裂隙越发育越不利于路基工程的安全。根据计算得到的长度裂隙率与面积裂隙率进行综合评价，可实现以下工程用途：

1)评价路基土改良效果。在室验室中选用不同的固化剂对裂隙土进行改良，通过本发明提出对长度裂隙率和面积裂隙率对改良效果进行评价，按综合裂隙率(综合裂隙率＝面积裂隙率×80％+长度裂隙率×20％)较小的作为较优改良方案。

2)选用路基填料。根据不同取土场长度裂隙率与面积裂隙率的定量描述，比较选择综合裂隙率较小的取土场作为优选填料。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种裂隙土裂隙率计算方法，其特征在于，该方法通过计算机辅助软件并结合计算方法计算出裂隙土的长度裂隙率和面积裂隙率；

所述裂隙土的长度裂隙率采用AutoCAD辅助软件进行测量，把经过裂隙土试样照片粘贴在AutoCAD的图层0上，然后锁定图层0；新建图层1，设置颜色与裂隙图的对比明显；在图层1中用直线标出圆形试样直径，选中直径并使用LIST命令测定圆形试样的CAD直径d1；

裂隙土圆形试样裂隙长度测量方法具体如下：

在图层1中用PLINE命令，沿裂隙绘制多段线；绘制多线段时，需要在裂隙分叉、转折处和弯曲处增加节点个数；

对图片用Autocad进行放大显示，调整多段线的每一个节点位置，使得每一个节点都位于所在裂隙宽度的中间位置，使得多段线与裂隙精确贴合；

对多段线进行CAD长度测量，选中上述绘制跟踪裂隙的多段线，输入LIST命令来计算第i条裂隙的长度；在图层1采用上述方法跟踪每一条裂隙，测量每一条裂隙的长度Li，并进行长度累加，得到试样表面裂隙的总长度，然后在计算长度裂隙率；

所述裂隙土裂隙面积率采用Visual Basic编程辅助计算，将彩色图转化成黑白图；

所述彩色图转化黑白图具体为：

(1)获得图片中像素的彩色数值：利用Visual Basic中的方法P＝Point(I_x,J_y)实现，其中P为可以接收彩色数值的长整型变量，Point是获得某点颜色值的方法，I_x,J_y是第x像素点的横坐标与纵坐标；

(2)获得第x个像素的三基色组成，其计算方法为R＝P mod 256，G＝(P\256)Mod 256，B＝P\65536，其中R、G、B为整型变量，代表三基色中红、绿、蓝色值，“Mod”是求余运算，“\”代表整除运算；

(3)获得第x个像素的合成亮度值Y，采用的计算方法为：Y＝R*0.299+G*0.587+B*0.114，按照各色值的大小及亮度合成比例，红：绿：蓝＝0.299：0.587：0.114，可以求出上述像素点的亮度值；

(4)把第x个像素根据亮度转化成黑色或白色；像素点根据亮度的大小来决定彩色像素是变成黑色像素还是白色像素，设置阈值变量T，当Y小T时显示成黑色，否则为白色；其计算方法为Picture2.PSet(I,J),IIf(Y<T,vbBlack,vbWhite)，其中Pset是绘制点的方法，IIF是判断函数，vbBlack,vbWhite分别是代表黑色与白色的常数，对处理得到的黑白图，进行逐像素扫描，分别对黑色像素点数和白色像素点点数进行累加；设黑色像素点总数量为N1，白色像素点总数量为N2，试样的圆形与正方形相切，则裂隙面积率计算方法为

2.根据权利要求1所述的一种裂隙土裂隙率计算方法，其特征在于，AutoCAD长度与裂隙的实际长度转换计算方法；按公式

进行计算试样表面裂隙的总长度，按公式

计算长度裂隙率；其中d1为在AutoCAD中测得试样的直径，d₀是使用游标卡尺测得试样的实际直径。

3.根据权利要求1所述的一种裂隙土裂隙率计算方法，其特征在于，每条裂隙进行长度测量过后，其裂隙上均会标有多段线，只需针对没有多段线的裂隙进行测量，可防止重复测量；在跟踪裂隙完成以后，应对图像进行分区域放大查看，查看是否存在部分微裂隙没有测量的情况，进而防止漏测。

4.根据权利要求1所述的一种裂隙土裂隙率计算方法，其特征在于，阈值变量T通过试算确定，原则是处理后黑色部分能反映裂隙分布的状态。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的裂隙土裂隙率计算方法的路基土改良方案选择方法，其特征在于，选用不同的固化剂对路基土进行改良，根据长度裂隙率和面积裂隙率计算，选择综合裂隙率最小的对应的固化剂对路基土改良的方案作为最优的路基土改良方案，综合裂隙率＝面积裂隙率×80％+长度裂隙率×20％。

6.一种基于权利要求1-4任一项所述的裂隙土裂隙率计算方法的路基填料选择方法，其特征在于，根据不同取土场长度裂隙率与面积裂隙率的计算，比较选择综合裂隙率最小的取土场作为优选填料场，综合裂隙率＝面积裂隙率×80％+长度裂隙率×20％。

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