土体表面干缩裂隙的形态参数定量分析方法-论文.pdf

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1、第３１卷第４期长江科学院院报Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．４２０１４年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＡｐｒ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５４８５．２０１４．０４．０１４２０１４，３１（０４）：６３－６７，７６土体表面干缩裂隙的形态参数定量分析方法１，２１曹玲，王志俭（１．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌４４３００２；２．上海交通大学土木工程系，上海２００２４０）摘要：为了解土体干缩裂隙演化规律，基于ＭＡＴＬＡＢ软件开发了裂隙图像分

2、析系统，通过对裂隙图像进行二值化、桥接去杂、骨架提取等操作，进而提取出裂隙率、裂隙长度、平均宽度、隙宽分布率、分维等裂隙形态参数，实现了平面裂隙图像的无损、连续、动态识别和形态参数定量分析。该裂隙网络图像分析程序为土体干缩裂隙的动态演化分析提供了依据，可用于边坡稳定性分析、环境污染控制等众多领域。关键词：裂隙；形态参数；二值化；图像识别；隙宽分布率中图分类号：ＴＵ４１１．２文献标志码：Ａ文章编号：１００１－５４８５（２０１４）０４－００６３－０５为了实现对平面裂隙图像的无损、连续、动态识别和形态参数分析，本文借助数字图像处理技术，基１研

3、究背景于ＭＡＴＬＡＢ软件，开发了裂隙网络图像分析系统。土体干缩裂隙的产生是一种常见的自然现象，其通过该系统对黏土裂隙的识别，可得到蒸发过程中裂影响范围涉及到农业土壤学、岩土工程、环境保护等隙的裂隙率、裂隙长度、平均宽度，以及隙宽分布规律众多领域。由于外界气候交替作用，边坡工程，尤其和分维等形态参数。是膨胀土边坡的裂隙不断发育，一方面导致土体的强度不断衰减，另一方面直接增加了土体的渗透性，两者相互影响，大大提高了裂隙发育范围内浅层性滑坡２平面裂隙图像的识别的发生机率。裂隙的长度、宽度，裂隙网络分布规律本程序主要包括：图像二值化处理程序、二

4、值图及分形特征等形态参数的变化都会对土体工程特性像桥接去杂处理程序、骨架提取程序，二值图像特征产生重要影响。研究土体干缩裂缝，对其形态参数做参数提取程序以及图形用户界面设计处理程序。出定量分析、描述，对提高边坡稳定性、控制环境污染２．１图像二值化处理程序（尤其是土壤污染）、提高农业用水利用率等均具有重前处理程序主要内容为，首先将图片裁剪成统［１－４］要的科学意义和实践价值。一大小，通过ｉｍｒｅａｄ（‘．ｊｐｇ’）函数读取裂隙图片，然［５］早期对于岩土体裂隙形态参数的获取，主要依后利用ｒｇｂ２ｇｒａｙ（ＲＧＢ）函数将裂隙真彩图像转化灰［６

5、－７］靠现场手工测量，效率较低、误差较大；Ｖｏｇｅｌ等度图像，再利用ｉｍｈｉｓｔ（ｇｒａｙ）函数得到灰度图像的像借助于拓扑学的概念和方法，建立了裂缝面密度、长素直方图，最后根据直方图特点选择适当阈值，一般度密度、欧拉数等用于描述裂缝大小和连通性的指标情况下直方图上有一个峰，将阈值设在峰值前的谷体系，对裂缝的定量化做了有益的贡献，但过于简单、底处效果较好。如图像中裂隙较多且分散，裂隙与［８］抽象。ＣＴ法也可以动态、定量地量测岩土体微细背景对比不明显时，裂隙和背景会各对应一个峰值，观结构的发展变化，但设备过于昂贵，不便推广。此时在两峰之间选

6、择阈值效果较好。利用ｉｍ２ｂｗ新兴发展的数字图像识别分析技术为实现高效（ｇｒａｙ，ｌｅｖｅｌ）函数将灰度图像转换成二值图像。图的裂隙测量提供了一种可能途径。数字图像分析通像二值化处理程序流程如图１所示。过对裂隙图像的计算机识别，进而得到各种裂隙形态２．２二值图像桥接去杂处理程序参数。由于受到拍摄过程中的光线变化，以及图像噪收稿日期：２０１３－１１－０４；修回日期：２０１３－１２－１８基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１３７２３５９）作者简介：曹玲（１９７９－），女，湖北天门人，讲师，博士研究生，研究方向为非饱和土力学及边坡支护工程，

7、（电话）１３１９７３４９０３４（电子信箱）１０３４６０５８＠ｑｑ．ｃｏｍ。通讯作者：王志俭（１９７５－），男，浙江遂昌人，副教授，博士，研究方向为非饱和土力学及边坡支护工程，（电话）１３０９４１７７９６３（电子信箱）８４１７４４８４３＠ｑｑ．ｃｏｍ。６４长江科学院院报２０１４年裂隙的骨架我们可以定义为到裂隙两边缘距离相等点的集合，即裂隙的中轴。通过骨架化算法可以提取裂隙主干。主干只有一个像素宽，记录了裂隙的主体框架，如图３（ａ）所示为裂隙二图３裂隙骨架提取示意图值图，图３（ｂ）为裂隙骨Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ图１裂隙图

8、像二值化处理程序流程图ｏｆｓｋｅｌｅｔｏｎｅｘｔｒａｃｔｉｏｎＦｉｇ．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｆｏｒ架二值图。ｃｒａｃｋｉｍａｇｅｓ声的影响，经过二值化程序处理后的裂隙