[發(fā)明專利]基于圖像匹配的粗粒土填料級(jí)配自動(dòng)識(shí)別方法及應(yīng)用系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010328003.3
• 申請(qǐng)日: 2020-04-23
• 公開（公告）號(hào): CN111652270B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖源杰;蔡德鉤;王萌;陳曉斌;堯俊凱;閆宏業(yè);于群丁;李文奇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所
• 主分類號(hào): G06V10/774
• 分類號(hào): G06V10/774;G06V10/74;G06K9/62;G06N3/04
• 代理公司: 北京中創(chuàng)云知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11837
• 代理人: 徐輝

本發(fā)明涉及一種基于圖像匹配的粗粒土填料級(jí)配自動(dòng)識(shí)別方法及應(yīng)用系統(tǒng)，采集包含各種粒徑的粗粒土填料圖像，形成各種粒徑的粗粒土顆粒識(shí)別模板，構(gòu)建模板庫(kù)；采集包括各種級(jí)配的填料圖像，分別將各個(gè)填料圖像與所述模板庫(kù)中的粗粒土顆粒模板進(jìn)行識(shí)別匹配，獲得所述填料圖像中粗粒土顆粒的粒徑大小、分布以及形狀類別，將各單元程序封裝成可獨(dú)立運(yùn)行的程序；采集路基碾壓施工現(xiàn)場(chǎng)的填料圖像，經(jīng)封裝程序處理后，獲得施工現(xiàn)場(chǎng)填料圖像中粗粒土級(jí)配。本發(fā)明通過建立匹配模板實(shí)現(xiàn)單個(gè)顆粒高效、準(zhǔn)確的分割及其識(shí)別，自動(dòng)程度高，無需復(fù)雜的圖像處理算法，無需人為干預(yù)，不依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，精度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及粗粒土路基填筑碾壓施工及其質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于圖像匹配的粗粒土填料級(jí)配自動(dòng)識(shí)別方法及應(yīng)用系統(tǒng)。

背景技術(shù)

粗粒土填料作為鐵路道床和路基的重要組成部分，是由大小不等的粗細(xì)顆粒組成，顆粒粒徑范圍較大，粗細(xì)顆粒特性差異較大，一般為單粒結(jié)構(gòu)，小顆粒填補(bǔ)了大顆粒所形成的空隙，級(jí)配良好的粗粒土比級(jí)配不良的粗粒土密實(shí)度更高，在填筑碾壓施工時(shí)也更容易被壓實(shí)。粗粒土的級(jí)配較大地影響著鐵路道床和路基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形性和耐久性等服役性能。隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建造、運(yùn)營(yíng)管理、養(yǎng)護(hù)維修等方面越來越趨于智能化，級(jí)配作為粗粒土填料的重要物理指標(biāo)，長(zhǎng)期以來主要依賴人工或機(jī)械篩分方法加以確定，隨著鐵路路基在填筑過程中逐漸引入智能碾壓技術(shù)和設(shè)備，如何實(shí)時(shí)、快速、智能、高效、準(zhǔn)確地識(shí)別碾壓前后粗粒土填料的級(jí)配并用于預(yù)測(cè)其模量、阻尼等力學(xué)參數(shù)，以便填筑施工時(shí)實(shí)時(shí)、智能、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)碾壓質(zhì)量，是智能碾壓填筑技術(shù)的關(guān)鍵。

目前粗顆粒土級(jí)配主要采用篩分法確定，根據(jù)規(guī)范給定的篩孔大小及其組合，對(duì)需要確定級(jí)配的粗粒土進(jìn)行篩分，依據(jù)留在各個(gè)篩孔上的顆粒質(zhì)量比確定該粗粒土的級(jí)配曲線。盡管這種方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、操作簡(jiǎn)單，但該方法比較耗時(shí)、效率低，而且需對(duì)粗粒土進(jìn)行采樣篩分，篩分過程中粗顆粒的磨耗、破碎以及篩孔的變形可改變粗粒土的原始級(jí)配。人工或機(jī)械篩分時(shí)，將填料按篩孔大小順序逐個(gè)過篩，需使填料在篩面上同時(shí)有水平及豎直方向的連續(xù)振動(dòng)，使小于篩孔尺寸的填料顆粒通過篩孔，直至1min內(nèi)通過篩孔的質(zhì)量小于篩面上殘余質(zhì)量的0.1％為止。當(dāng)采用搖篩機(jī)篩分時(shí)，應(yīng)在搖篩機(jī)篩分后再由人工逐個(gè)補(bǔ)篩，將篩出通過的顆粒并入下一號(hào)篩，和下一號(hào)篩中的試樣一起過篩，順序進(jìn)行直到各號(hào)篩全部篩完為止。應(yīng)確認(rèn)1min內(nèi)通過篩孔的質(zhì)量確實(shí)小于篩上殘余量的0.1％，稱取每個(gè)篩上的篩余量，精確至總質(zhì)量的0.1％，分計(jì)篩余百分率精確至0.1％，累計(jì)篩余百分率精確至0.1％，各號(hào)篩的通過百分率精確至0.1％。根據(jù)各篩孔的累積通過百分率繪制級(jí)配圖以確定粗顆粒土的級(jí)配。篩分法主要有以下缺點(diǎn)：

(1)常規(guī)篩分試驗(yàn)需要采集現(xiàn)場(chǎng)不同位置處的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，會(huì)破壞現(xiàn)場(chǎng)土體的完整性及工作狀態(tài)，且耗時(shí)費(fèi)力，因此不能實(shí)現(xiàn)鐵路路基智能碾壓期間的粗顆粒土級(jí)配的實(shí)時(shí)、快速、高效和智能識(shí)別。

(2)篩分試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，效率較低，不能實(shí)現(xiàn)智能、自動(dòng)和快速的識(shí)別和分析。

(3)篩分的過程中，由于振篩機(jī)的振動(dòng)，會(huì)造成部分粗顆粒的破碎進(jìn)而影響結(jié)果的精確性。

(4)篩孔在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中會(huì)發(fā)生一定程度的變形，造成試驗(yàn)誤差。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了一些基于數(shù)字圖像識(shí)別的填料級(jí)配確定方法。以Wipfrag軟件為代表的圖像分析法通常用于測(cè)定碎石的粒徑大小，最終直接輸出級(jí)配曲線，該軟件可以得到精確度較低的結(jié)果。精度較低的主要原因是較多的細(xì)顆粒土的存在對(duì)粗顆粒土的分析造成了一定的干擾。ImageJ軟件也可以進(jìn)行圖像分割，然后利用Excel計(jì)算每個(gè)顆粒的粒徑大小，但其結(jié)果的精度也較低，主要是由于圖像分割有較大的誤差。另外，級(jí)配曲線所描述的是顆粒粒徑與顆粒質(zhì)量之間的關(guān)系，而圖像分析獲得的是顆粒粒徑或顆粒二維面積與顆粒個(gè)數(shù)之間的直接關(guān)系，如何實(shí)現(xiàn)這兩種關(guān)系之間的轉(zhuǎn)換，仍待解決。