图形图像处理技术统计土体裂隙的应用分析

尹志毅

(吕梁公路分局，山西交口 032400)

0 引言

对于非饱和土而言，随着干湿循环的进行，其土体中裂隙的发育和发展将有较大的变化，将会直接影响到修筑在土体表面的构筑物的稳定性。包承纲教授指出:“膨胀土的裂隙性、胀缩性和超固结性(即所谓“三性”)是膨胀土特殊性质的主要表现。对膨胀土边坡稳定性而言，裂隙性是关键因素，胀缩性是裂隙的主要内因，而超固结性则促进了裂隙的发育和发展”［1］。非饱和土中裂隙的定量统计，将会直接影响到其上部的路基的安全性能评价。因此，对非饱和土的裂隙性的研究就显得非常紧迫与重要。

近年来，随着科学技术的日益发展，以及人们对非饱和土研究的深入，关于非饱和土体中裂隙的研究也取得了一定的进展。但是由于受到裂隙统计手段等因素的限制，裂隙领域的研究进展与人们的预期目标还有很大的差距，还不能很好地解决实际工程中由于裂隙的发育发展产生的种种问题。目前，几种常规的裂隙统计手段分别是压汞法［2］、X 射线衍射法［3］、扫描电镜法［4］和计算机断面成相技术(CT)法［5］等，但这些统计手段均存在不足之处，因此没有得到很好的应用发展。本文在详细介绍常规的裂隙统计手段的基础上，着重介绍了一种新的裂隙统计手段，即基于MATLAB图形图像处理功能在非饱和土体裂隙统计中的应用。

1 裂隙统计常规手段

1)压汞法。

压汞法(Mercury porosimetry)，又称汞孔隙率法，是测定土体中部分中型和大型裂隙半径分布的方法，其最大的特点是将土体中的裂隙全部简化为圆柱状，即成为孔隙。压汞法的基本原理是:欲使汞进入土体孔隙内部，则需施加外压，而且随着所施加外压的增大，汞能进入的土体孔隙的半径越小。目前，所用的压汞仪可以施加的最大压力值约为200 MPa，可测得孔隙的孔半径范围为3．75 nm～750 nm。土体中孔隙的半径可由下式计算所得:

其中，P为所施加的外压;σ为汞的表面张力系数，通常取0．485 N/m;θ为汞与土体材料的接触角，取130°;r为圆柱形孔隙的半径。

2)X射线衍射法。

X射线衍射法(X-ray diffraction)，是一种研究土体结构的方法，而不是直接研究土体内部元素的种类及其含量的方法，其基本原理是:根据X射线穿过土体晶格时所产生的衍射特征，鉴定土体内部裂隙的结构分布。在进行土体裂隙统计的X射线衍射法时，还需要制作专门的衍射定向片，用来辅助实验的顺利完成。

3)扫描电镜法。

扫描电镜法(Scanning electronic microscopy)，主要用来做粘土矿物的风化程度和土体裂隙结构的微观鉴定，其基本原理是:从试验电子枪阴极发射出的电子束，由聚光镜和物镜汇聚成极细的电子束，然后在扫描线圈的作用下，上述电子束在土体表面进行扫描，激发出二次电子等信号，最后被二次电子检测器接收处理后，在显像管上显示图像。扫描电镜法能够直接观察样品表面的结构，对试样的形状没有限制，并且样品可进行平移和旋转等操作，最终的图像具有立体感。

4)计算机断面成相技术(CT)法。

计算机断面成相技术法(Computed Tomography)，是一种有效的地球物理手段，在工程地质勘察、构筑物的无损检测等领域得到了广泛的应用，其基本原理是:用X线束对土体某一部分的一定厚度的层面进行扫描，然后由探测器接收透过该层面的X线，等转变为可见光以后，由光电转换为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。最终得到的CT图像是重建数字图像。

2 裂隙统计新方法

1)基本原理。

基于MATLAB的图形图像处理［6］，是随着图形图像处理技术的快速发展，近年来兴起的一种对土体裂隙的发育发展变化情况，进行连续、无损、定量统计的新方法，其基本原理如下:

由照相机直接拍摄到的图像是真彩色图像，其在MATLAB中是以m×n×3的数据矩阵格式存储的，而数组中的每个元素值定义了图像中像素的红、绿、蓝颜色值。将真彩色图像转变为灰度图像后，图像中每点颜色的值均位于0～256之间(灰度值0为纯黑，灰度值256为纯白)。经过统计分析发现，图像中裂隙部分的灰度值集中在接近0的范围，而未开裂部分的灰度值较大。这样，在图像的灰度分布频率图上就会出现两个峰值。将灰度图像转变为二值图像后，图像的灰度值只有0和1两个值，0代表黑色像素点，即裂隙部分，而1代表白色像素点，即未开裂部分。经过统计黑色和白色像素点的数量，便可求得最终土样的裂隙率。这一切由MATLAB均可很好的实现。灰度图像和二值图像如图1所示。

图1 不同图像展示

基于MATLAB的图形图像处理技术，可通过图像裁剪、图像灰度、中值滤波等操作很好的实现，其实现过程的流程，如图2所示。

图2 程序流程图

2)新方法的应用。

基于MATLAB的图形图像处理技术，虽然是近几年才发展起来的，但是由于具有其他几种裂隙统计手段所不具备的优点，因此，在室内试验和工程现场均得到了应用，取得了良好的效果。

在室内试验方面，袁俊平等［7］对湖北枣阳重塑膨胀土进行了试验研究，在分析了土样风干过程中裂隙图像的灰度熵的基础上，得出了图像灰度熵可以作为裂隙发育程度度量指标的结论。唐朝生等［8］以南京下蜀土为试验对象，运用图形图像处理和编程技术，分析研究了粘性土干缩裂缝的形成和发展过程，并得出了土样裂隙形态指标随温度以及湿度的变化规律。

在工程现场方面，李雄威等［9］通过室内数码成像记录了不同含水率下原状膨胀土样的裂隙形态，统计了膨胀土表面裂隙率随含水率变化的规律。王军等［10］在南水北调中线的新乡潞王坟试验段，对膨胀岩裂隙的发育发展情况进行了现场观测，定量分析了裂隙的变化规律与含水率的关系。

3)新方法的特点。

综合以上分析可知，压汞法实际上只是测定的土体孔径分布，X射线衍射法和扫描电镜法只能测定某些扰动土样的孔隙结构状态，CT法可以动态、定量和无损地测定岩土材料在受力过程中内部结构的变化过程，但其设备很昂贵，不利于推广应用。基于MATLAB的图形图像处理技术则很好的克服了以上缺点，在室内试验和工程现场，都可以实现对土体裂隙的方便、无损、动态、连续和定量的测定。

但是，由于技术水平的限制，这种新方法也存在着一定的不足。土体的裂隙是一个三维体，在长度、宽度和深度方向均有发育，但是目前图形图像处理技术只可以对土体表面的裂隙进行统计和分析，无法测定土体内部裂隙的发育发展。

3 结语

1)压汞法、X射线衍射法、扫描电镜法和计算机断面成相技术(CT)法等裂隙统计常规手段，在实际应用中均存在着不足，制约了这些技术的推广运用，也一定程度上影响了裂隙研究的进展。

2)基于MATLAB的图形图像处理新技术，可以实现对土体裂隙的方便、无损、动态、连续和定量的测定，已经在室内试验和工程现场中均得到了应用，并取得了良好的效果。

3)裂隙的发育是一个三维体，而图形图像处理技术目前只能对土样的表面裂隙进行统计分析，无法研究裂隙深度的开展。

［1］包承纲．膨胀土裂隙性研究，膨胀土处治理论、技术与实践［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］苑晓青，王 清，孙 铁，等．分级真空预压法加固吹填土过程中孔隙分布特征［J］．吉林大学学报(地球科学版)，2012(1):37-38．

［3］柏立懂，罗志华，崔可锐，等．合徐高速北段膨胀土的物质组分及微结构研究［J］．合肥工业大学学报(自然科学版)，2006(1):11-12．

［4］李冬梅．沥青路面抗滑集料微观纹理系数计算及试验——基于扫描电镜法［J］．福建工程学院学报，2009(3):54-55．

［5］于宁飞．浅析CT技术的发展［J］．科技信息，2011(11):43．

［6］王家文，李仰军．MATLAB 7．0图形图像处理［M］．北京:国防工业出版社，2006．

［7］袁俊平，殷宗泽．膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究［J］．水利学报，2004(6):29-30．

［8］唐朝生，施 斌，刘 春，等．影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析［J］．水利学报，2007(38):82-83．

［9］李雄威，冯 欣，张 勇，等．膨胀土裂隙的平面描述分析［J］．水文地质工程地质，2009(1):16-17．

［10］王 军，龚壁卫，张家俊，等．膨胀岩裂隙发育的现场观测及描述方法研究［J］．长江科学院院报，2010(9):46-48．