圖形圖像處理技術統計土體裂隙的應用分析

尹志毅

(呂梁公路分局，山西交口 032400)

0 引言

對于非飽和土而言，隨著干濕循環的進行，其土體中裂隙的發育和發展將有較大的變化，將會直接影響到修筑在土體表面的構筑物的穩定性。包承綱教授指出:“膨脹土的裂隙性、脹縮性和超固結性(即所謂“三性”)是膨脹土特殊性質的主要表現。對膨脹土邊坡穩定性而言，裂隙性是關鍵因素，脹縮性是裂隙的主要內因，而超固結性則促進了裂隙的發育和發展”［1］。非飽和土中裂隙的定量統計，將會直接影響到其上部的路基的安全性能評價。因此，對非飽和土的裂隙性的研究就顯得非常緊迫與重要。

近年來，隨著科學技術的日益發展，以及人們對非飽和土研究的深入，關于非飽和土體中裂隙的研究也取得了一定的進展。但是由于受到裂隙統計手段等因素的限制，裂隙領域的研究進展與人們的預期目標還有很大的差距，還不能很好地解決實際工程中由于裂隙的發育發展產生的種種問題。目前，幾種常規的裂隙統計手段分別是壓汞法［2］、X 射線衍射法［3］、掃描電鏡法［4］和計算機斷面成相技術(CT)法［5］等，但這些統計手段均存在不足之處，因此沒有得到很好的應用發展。本文在詳細介紹常規的裂隙統計手段的基礎上，著重介紹了一種新的裂隙統計手段，即基于MATLAB圖形圖像處理功能在非飽和土體裂隙統計中的應用。

1 裂隙統計常規手段

1)壓汞法。

壓汞法(Mercury porosimetry)，又稱汞孔隙率法，是測定土體中部分中型和大型裂隙半徑分布的方法，其最大的特點是將土體中的裂隙全部簡化為圓柱狀，即成為孔隙。壓汞法的基本原理是:欲使汞進入土體孔隙內部，則需施加外壓，而且隨著所施加外壓的增大，汞能進入的土體孔隙的半徑越小。目前，所用的壓汞儀可以施加的最大壓力值約為200 MPa，可測得孔隙的孔半徑范圍為3．75 nm～750 nm。土體中孔隙的半徑可由下式計算所得:

其中，P為所施加的外壓;σ為汞的表面張力系數，通常取0．485 N/m;θ為汞與土體材料的接觸角，取130°;r為圓柱形孔隙的半徑。

2)X射線衍射法。

X射線衍射法(X-ray diffraction)，是一種研究土體結構的方法，而不是直接研究土體內部元素的種類及其含量的方法，其基本原理是:根據X射線穿過土體晶格時所產生的衍射特征，鑒定土體內部裂隙的結構分布。在進行土體裂隙統計的X射線衍射法時，還需要制作專門的衍射定向片，用來輔助實驗的順利完成。

3)掃描電鏡法。

掃描電鏡法(Scanning electronic microscopy)，主要用來做粘土礦物的風化程度和土體裂隙結構的微觀鑒定，其基本原理是:從試驗電子槍陰極發射出的電子束，由聚光鏡和物鏡匯聚成極細的電子束，然后在掃描線圈的作用下，上述電子束在土體表面進行掃描，激發出二次電子等信號，最后被二次電子檢測器接收處理后，在顯像管上顯示圖像。掃描電鏡法能夠直接觀察樣品表面的結構，對試樣的形狀沒有限制，并且樣品可進行平移和旋轉等操作，最終的圖像具有立體感。

4)計算機斷面成相技術(CT)法。

計算機斷面成相技術法(Computed Tomography)，是一種有效的地球物理手段，在工程地質勘察、構筑物的無損檢測等領域得到了廣泛的應用，其基本原理是:用X線束對土體某一部分的一定厚度的層面進行掃描，然后由探測器接收透過該層面的X線，等轉變為可見光以后，由光電轉換為電信號，再經模擬/數字轉換器轉為數字，輸入計算機處理。最終得到的CT圖像是重建數字圖像。

2 裂隙統計新方法

1)基本原理。

基于MATLAB的圖形圖像處理［6］，是隨著圖形圖像處理技術的快速發展，近年來興起的一種對土體裂隙的發育發展變化情況，進行連續、無損、定量統計的新方法，其基本原理如下:

由照相機直接拍攝到的圖像是真彩色圖像，其在MATLAB中是以m×n×3的數據矩陣格式存儲的，而數組中的每個元素值定義了圖像中像素的紅、綠、藍顏色值。將真彩色圖像轉變為灰度圖像后，圖像中每點顏色的值均位于0～256之間(灰度值0為純黑，灰度值256為純白)。經過統計分析發現，圖像中裂隙部分的灰度值集中在接近0的范圍，而未開裂部分的灰度值較大。這樣，在圖像的灰度分布頻率圖上就會出現兩個峰值。將灰度圖像轉變為二值圖像后，圖像的灰度值只有0和1兩個值，0代表黑色像素點，即裂隙部分，而1代表白色像素點，即未開裂部分。經過統計黑色和白色像素點的數量，便可求得最終土樣的裂隙率。這一切由MATLAB均可很好的實現。灰度圖像和二值圖像如圖1所示。

圖1 不同圖像展示

基于MATLAB的圖形圖像處理技術，可通過圖像裁剪、圖像灰度、中值濾波等操作很好的實現，其實現過程的流程，如圖2所示。

圖2 程序流程圖

2)新方法的應用。

基于MATLAB的圖形圖像處理技術，雖然是近幾年才發展起來的，但是由于具有其他幾種裂隙統計手段所不具備的優點，因此，在室內試驗和工程現場均得到了應用，取得了良好的效果。

在室內試驗方面，袁俊平等［7］對湖北棗陽重塑膨脹土進行了試驗研究，在分析了土樣風干過程中裂隙圖像的灰度熵的基礎上，得出了圖像灰度熵可以作為裂隙發育程度度量指標的結論。唐朝生等［8］以南京下蜀土為試驗對象，運用圖形圖像處理和編程技術，分析研究了粘性土干縮裂縫的形成和發展過程，并得出了土樣裂隙形態指標隨溫度以及濕度的變化規律。

在工程現場方面，李雄威等［9］通過室內數碼成像記錄了不同含水率下原狀膨脹土樣的裂隙形態，統計了膨脹土表面裂隙率隨含水率變化的規律。王軍等［10］在南水北調中線的新鄉潞王墳試驗段，對膨脹巖裂隙的發育發展情況進行了現場觀測，定量分析了裂隙的變化規律與含水率的關系。

3)新方法的特點。

綜合以上分析可知，壓汞法實際上只是測定的土體孔徑分布，X射線衍射法和掃描電鏡法只能測定某些擾動土樣的孔隙結構狀態，CT法可以動態、定量和無損地測定巖土材料在受力過程中內部結構的變化過程，但其設備很昂貴，不利于推廣應用。基于MATLAB的圖形圖像處理技術則很好的克服了以上缺點，在室內試驗和工程現場，都可以實現對土體裂隙的方便、無損、動態、連續和定量的測定。

但是，由于技術水平的限制，這種新方法也存在著一定的不足。土體的裂隙是一個三維體，在長度、寬度和深度方向均有發育，但是目前圖形圖像處理技術只可以對土體表面的裂隙進行統計和分析，無法測定土體內部裂隙的發育發展。

3 結語

1)壓汞法、X射線衍射法、掃描電鏡法和計算機斷面成相技術(CT)法等裂隙統計常規手段，在實際應用中均存在著不足，制約了這些技術的推廣運用，也一定程度上影響了裂隙研究的進展。

2)基于MATLAB的圖形圖像處理新技術，可以實現對土體裂隙的方便、無損、動態、連續和定量的測定，已經在室內試驗和工程現場中均得到了應用，并取得了良好的效果。

3)裂隙的發育是一個三維體，而圖形圖像處理技術目前只能對土樣的表面裂隙進行統計分析，無法研究裂隙深度的開展。

［1］包承綱．膨脹土裂隙性研究，膨脹土處治理論、技術與實踐［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］苑曉青，王 清，孫 鐵，等．分級真空預壓法加固吹填土過程中孔隙分布特征［J］．吉林大學學報(地球科學版)，2012(1):37-38．

［3］柏立懂，羅志華，崔可銳，等．合徐高速北段膨脹土的物質組分及微結構研究［J］．合肥工業大學學報(自然科學版)，2006(1):11-12．

［4］李冬梅．瀝青路面抗滑集料微觀紋理系數計算及試驗——基于掃描電鏡法［J］．福建工程學院學報，2009(3):54-55．

［5］于寧飛．淺析CT技術的發展［J］．科技信息，2011(11):43．

［6］王家文，李仰軍．MATLAB 7．0圖形圖像處理［M］．北京:國防工業出版社，2006．

［7］袁俊平，殷宗澤．膨脹土裂隙的量化指標與強度性質研究［J］．水利學報，2004(6):29-30．

［8］唐朝生，施 斌，劉 春，等．影響黏性土表面干縮裂縫結構形態的因素及定量分析［J］．水利學報，2007(38):82-83．

［9］李雄威，馮 欣，張 勇，等．膨脹土裂隙的平面描述分析［J］．水文地質工程地質，2009(1):16-17．

［10］王 軍，龔壁衛，張家俊，等．膨脹巖裂隙發育的現場觀測及描述方法研究［J］．長江科學院院報，2010(9):46-48．