[发明专利]基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法

说明书

技术领域

本发明是涉及一种确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法，具体地说是涉及一种利用数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的方法。

背景技术

渗透性是岩土材料物理特性研究的一项重要内容，已经被广泛地应用到岩土工程中。常规确定岩土材料渗透系数的方法主要有室内试验与现场试验两种。在室内试验中，对于常规介质，渗透系数通常是根据流速与水压估测的；对于低渗透介质，广泛使用脉冲试验来测量其气体渗透特性。实际上，这些室内试验的结果都局限于所取样品，并且室内试验与原位试验的规模也是不同的。在工程实践中，经常需要大量的现场试验，而这些现场试验往往需要耗费大量的人力物力。

岩土材料通常是有自然的或人工的材料如土壤、砂砾和水泥以及其他组分如孔隙和裂隙组成的。每种组分都以一种随机或遵循某种特定规律的分布着岩土材料中，并且每种组分都有不同的物理力学特性(比如密度、孔隙率以及杨氏模量)。也就是说，岩土材料的物理力学特性很大程度上依赖于其内部细观结构如组分分布、形状以及各组分比例等。因此，建立起可以表现不均匀岩土材料的细观结构的数值模型，对于研究不均匀岩土材料的渗透特性将具有非常重要的意义。

数字图像技术(Digital image processing,DIP)是一种将数字图像转换为数字形式，并且通过各种数学算法提取出其重要信息的技术。这种技术已经被广泛地应用于工程、计算机科学、信息科学、统计学、物理学以及其他学科，并且还有很广阔的发展前景。岩土材料是一种典型的具有复杂细观结构的不均匀材料。应用数字图像技术，这种内部多相性或微观信息可以被大量地提取。在近二十年里，文献调查显示融合数字图像技术的计算方法对于这种不均匀材料的分析非常有效。

本发明正是针对如何确定不均匀岩土材料的渗透系数而提出的一种基于数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于数字图像技术确定不均匀岩土材料渗透系数的新方法。

技术方案：一种基于数字图像确定不均匀岩土材料渗透系数的方法，包括如下步骤：

(1)获取岩土材料的彩色数字图像文件；

(2)将彩色数字图像进行去噪和二值化处理，得到表示岩石和其它组分的二值图像文件；

(3)提取二值图像中的图形边界，并转换为矢量图形文件；

(4)基于矢量图形文件中的有限单元网格，通过数值方法模拟渗透试验确定不均匀岩土材料的宏观等效渗透系数。

其中，步骤(2)的具体步骤包括：

(2.1)将彩色图像数据的RGB色彩空间中的红、绿和蓝颜色分别对应的灰度图像进行中值滤波处理，将图像去噪；

(2.2)将数字图像转换到HIS色彩空间；

(2.3)根据数字图像在HIS色彩空间中的岩石和其它组分区别度最大的分量(如S分量)的频率分布情况设定二值化阈值，将数字图像二值化，得到表示岩石和其它组分的二值图像。

步骤(3)的具体步骤包括：

(3.1)利用8连通域标记方法提取二值图像中的表示岩石或土壤的其中一种像素点集合；

(3.2)对属于该集合的每一个点根据位置进行拆分为四条线，记录四条线的坐标；

(3.3)对所有线的集合进行运算删除重合的线，得到该像素点集合的外边框；

(3.4)将外边框进行排序处理，形成首尾相连的锯齿状边界；

(3.5)对锯齿状边界进行平滑处理；

(3.6)根据一个像素点的实际尺寸，将边界图像文件转换为矢量图形文件。

步骤(4)的具体步骤包括：

(4.1)通过有限元网格划分软件将步骤(3)得到的矢量图形文件划分为有限元网格；

(4.2)设置数值渗透试验的边界条件与实验室相同，利用达西定律采用常水头测渗透系数的方法进行模拟渗透试验。

有益效果：与现有技术相比，本发明引入了数字图像技术，克服了传统室内试验估测渗透系数的不足，如室内试验的尺寸较小、与现场状况不符等缺点，也克服了传统现场原位试验耗费大量的人力物力的缺点。本发明方法效率高，成本低，较为先进，通过该方法可以分析大尺度不均匀岩土材料的渗透系数。

附图说明

图1是本发明实施例的总体流程图；

图2是本发明实施例举例处理的岩土材料的原始彩色照片的灰度图；

图3是图2在S分量下的二值化结果图；

图4是对图3进行优化后的结果图；

图5是图4中岩石锯齿状边界图；