基于分形维数和形状因子的土体物理性质与图像特征的关系研究

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1、硕士学位论文基于分形维数和形状因子的土体物理性质与图像特征的关系研究THERELATIONSHIPBETWEENTHEPHYSICALPROPERTIESOFSOIL,FRACTALDIMENSION,ANDSHAPEFACTORSOFITSFRAGMENTEDAGGREGATES:ATWO-DIMENSIONALDIGITALIMAGEPROCESSINGANDANALYSISAPPROACHBenjaminGbaneeYiediboe哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TU411学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学硕士学位论文基于分

2、形维数和形状因子的土体物理性质与图像特征的关系研究博士研究生：BenjaminGbaneeYiediboe导师：何林副教授申请学位：工学硕士学科：岩土工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU411U.D.C:624ThesisfortheDegreeofMasterinEngineeringTHERELATIONSHIPBETWEENTHEPHYSICALPROPERTIESOFSOIL,FRACTALDIMENSION,ANDSHAPEFACTORSOFITSFRAGMENTEDAGGRE

3、GATES:ATWO-DIMENSIONALDIGITALIMAGEPROCESSINGANDANALYSISAPPROACHCandidate:BenjaminGbaneeYiediboeSupervisor:AssociateProf.Dr.HELinAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:GeotechnicalEngineeringAffiliation:SchoolofCivilEngineeringDateofDefense:July,2015DegreeConferringInsti

4、tution:HarbinInstituteofTechnologyThesisfortheDegreeofMasterinEngineering摘要土壤物理特性是土壤分类的依据，也为土壤力学跟水文性质提供初步判断，但是通常情况下，获得土壤物理特性的实验方法是十分繁琐、耗时的，并且带有一定的主观性，因此，给岩土工程师和实验室人员带来了巨大的挑战。为了将实验方法的不足之处减小到误差允许的范围以内，得到更加客观的土壤特性，本文探讨了应用数字图像处理技术（DIP&A）代替广泛应用的实验室方法获得土壤物理特性的可能性，数字图像处理技术是通过图像特征的分形维数和形状因子与土

5、壤特性之间存在的联系，得到土壤的物理特性（含水量，干密度，孔隙度和孔隙比）。针对土壤中颗粒形状复杂无规律性，本文应用分形维数（FD）来描述不规则颗粒的形状，形状因子描述其几何特征。按美国材料与试验协会(ASTM)标准采集土壤样本并进行实验，得到土壤物理特性，然后将相同的样本颗粒破碎到合适的大小，拍摄数字照片，进行数字图像处理，得到图像特征。对图像特征进行数理统计分析，通过回归方程计算土壤物理特性，计算过程中，选取合适的方程模型和相关系数是得到理想结果的前提。用传统实验结果验证图像处理结果的准确性，该过程中采用不同地方的土壤样本，并将新得到的样本数据回带到模型方程，

6、并计算模型误差。通过分析，本文得到了土壤特性与图像特征之间的曲线模型。描述土壤物理特性与分形维数之间关系时，相关系数r取值范围为0.3-0.4,描述物理特性与形状因子之间的关系时，r的取值范围为0.5-0.6。将验证样本的分形维数和平均形状系数带入模型方程，关于分形维数的模型误差为0.6%-3.57%，形状系数的模型误差为1.75%-5.13%。结果表明，本文提出的数字图像处理技术能比较准确的计算土壤物理特性，具有广阔的发展前景，同时也是一种量化土壤颗粒几何特性的有效方法。关键词:土壤;物理性质;骨料;数字图像处理;分形维数;形状因子;相关系数;回归-I-Thes

7、isfortheDegreeofMasterinEngineeringAbstractSoilphysicalpropertiesareusedforsoilclassificationandhenceserveasthefirstestimatorofalmosteverymechanicalandhydrologicsoilbehavior,buttheusuallaboratorytestingmethodofestimatingthesephysicalpropertiesistimeconsuming,burdensome,andsomehowsubje

8、ctive