[發明專利]基于數字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數的方法

在審

• 申請號: 201410462519.1
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104268830A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 徐衛亞;孟慶祥;楊蘭蘭;王環玲;王如賓;閆龍;張強
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明是涉及一種確定不均勻巖土材料滲透系數的新方法，具體地說是涉及一種利用數字圖像技術確定不均勻巖土材料滲透系數的方法。

背景技術

滲透性是巖土材料物理特性研究的一項重要內容，已經被廣泛地應用到巖土工程中。常規確定巖土材料滲透系數的方法主要有室內試驗與現場試驗兩種。在室內試驗中，對于常規介質，滲透系數通常是根據流速與水壓估測的；對于低滲透介質，廣泛使用脈沖試驗來測量其氣體滲透特性。實際上，這些室內試驗的結果都局限于所取樣品，并且室內試驗與原位試驗的規模也是不同的。在工程實踐中，經常需要大量的現場試驗，而這些現場試驗往往需要耗費大量的人力物力。

巖土材料通常是有自然的或人工的材料如土壤、砂礫和水泥以及其他組分如孔隙和裂隙組成的。每種組分都以一種隨機或遵循某種特定規律的分布著巖土材料中，并且每種組分都有不同的物理力學特性(比如密度、孔隙率以及楊氏模量)。也就是說，巖土材料的物理力學特性很大程度上依賴于其內部細觀結構如組分分布、形狀以及各組分比例等。因此，建立起可以表現不均勻巖土材料的細觀結構的數值模型，對于研究不均勻巖土材料的滲透特性將具有非常重要的意義。

數字圖像技術(Digital?image?processing,DIP)是一種將數字圖像轉換為數字形式，并且通過各種數學算法提取出其重要信息的技術。這種技術已經被廣泛地應用于工程、計算機科學、信息科學、統計學、物理學以及其他學科，并且還有很廣闊的發展前景。巖土材料是一種典型的具有復雜細觀結構的不均勻材料。應用數字圖像技術，這種內部多相性或微觀信息可以被大量地提取。在近二十年里，文獻調查顯示融合數字圖像技術的計算方法對于這種不均勻材料的分析非常有效。

本發明正是針對如何確定不均勻巖土材料的滲透系數而提出的一種基于數字圖像技術確定不均勻巖土材料滲透系數的新方法。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種基于數字圖像技術確定不均勻巖土材料滲透系數的新方法。

技術方案：一種基于數字圖像確定不均勻巖土材料滲透系數的方法，包括如下步驟：

(1)獲取巖土材料的彩色數字圖像文件；

(2)將彩色數字圖像進行去噪和二值化處理，得到表示巖石和其它組分的二值圖像文件；

(3)提取二值圖像中的圖形邊界，并轉換為矢量圖形文件；

(4)基于矢量圖形文件中的有限單元網格，通過數值方法模擬滲透試驗確定不均勻巖土材料的宏觀等效滲透系數。

其中，步驟(2)的具體步驟包括：

(2.1)將彩色圖像數據的RGB色彩空間中的紅、綠和藍顏色分別對應的灰度圖像進行中值濾波處理，將圖像去噪；

(2.2)將數字圖像轉換到HIS色彩空間；

(2.3)根據數字圖像在HIS色彩空間中的巖石和其它組分區別度最大的分量(如S分量)的頻率分布情況設定二值化閾值，將數字圖像二值化，得到表示巖石和其它組分的二值圖像。

步驟(3)的具體步驟包括：

(3.1)利用8連通域標記方法提取二值圖像中的表示巖石或土壤的其中一種像素點集合；

(3.2)對屬于該集合的每一個點根據位置進行拆分為四條線，記錄四條線的坐標；

(3.3)對所有線的集合進行運算刪除重合的線，得到該像素點集合的外邊框；

(3.4)將外邊框進行排序處理，形成首尾相連的鋸齒狀邊界；

(3.5)對鋸齒狀邊界進行平滑處理；

(3.6)根據一個像素點的實際尺寸，將邊界圖像文件轉換為矢量圖形文件。

步驟(4)的具體步驟包括：

(4.1)通過有限元網格劃分軟件將步驟(3)得到的矢量圖形文件劃分為有限元網格；

(4.2)設置數值滲透試驗的邊界條件與實驗室相同，利用達西定律采用常水頭測滲透系數的方法進行模擬滲透試驗。

有益效果：與現有技術相比，本發明引入了數字圖像技術，克服了傳統室內試驗估測滲透系數的不足，如室內試驗的尺寸較小、與現場狀況不符等缺點，也克服了傳統現場原位試驗耗費大量的人力物力的缺點。本發明方法效率高，成本低，較為先進，通過該方法可以分析大尺度不均勻巖土材料的滲透系數。

附圖說明

圖1是本發明實施例的總體流程圖；

圖2是本發明實施例舉例處理的巖土材料的原始彩色照片的灰度圖；

圖3是圖2在S分量下的二值化結果圖；

圖4是對圖3進行優化后的結果圖；

圖5是圖4中巖石鋸齒狀邊界圖；