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1、华中科技大学硕士学位论文粗粒土组构图像测量系统的研究与实现姓名：周桃峰申请学位级别：硕士专业：系统分析与集成指导教师：曾致远20090228I华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 粗粒土作为高土石坝等工程的主要填料，其力学特性是土木工程和水利水电工程的一项重要的研究课题。由于粗粒土的离散特征，很多力学特性都难以用现有的连续体力学理论予以反映，许多问题都涉及到粗粒土微观组构（颗粒组成和颗粒的几何排列方式）问题。 本文从计算机图像处理的角度来解决组构测量问题。利用 MRI 技术（Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像）获取粗
2、粒土组构图像，采用颗粒图像分割，特征参数提取和三维重建技术分析粗粒土试样受力形变过程中内部结构的动态变化情况。为获得每一个颗粒的三维图像，本文首先对粗粒土试样的二维切片图像进行分割，以分离出其中的每一个颗粒；然后计算颗粒编号，颗粒形心坐标、面积、长轴长度以及配位数等二维组构参数；最后搜索每一个颗粒的纵向和横向边界，对颗粒进行三维重建。 针对图像的特点，本文采用基于分水岭的图像分割算法得到二值图像，该算法能较好的将“粘连”的颗粒分割开来，白色部分为颗粒，黑色部分为背景。考虑到切片图像序列的近似连续性特点，采用纵向投影定位法搜索法搜索颗粒的纵向边界，效果较为理想。为了实现较好的颗粒三维可视化效果，
3、本文采用基于 VTK 的光线投射体绘制方法对颗粒进行三维重建。本文最后在 VC 平台上实现了粗粒土组构图像测量系统，为粗粒土组构测量的进一步研究搭建了一个很好的平台。系统实现了组构要素的定量统计分析和颗粒的三维重建，为后续的组构力学效应分析和建立组构力学模型提供了很好的数据支持。 关键词：关键词：粗粒土 组构测量 图像分割 VTK 三维重建 II华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Granular soil is the main material of high soil and rock dam. And its mechanical
4、property is an important research problem in civil engineering and water power project. Because of its discrete property, it is very difficult to explain its mechanical property with continuum mechanics theory. Many problems are related to the microfabric（the composition and geometric arrangement of
5、 grains） of granular soil. This dissertation figures out the problem of fabric measurement through computer image processing method. Using the granular soil fabric images acquired by MRI（Magnetic Resonance Imaging）, adopting the technique of grain image segmentation, characteristic parameter extract
6、ing and three-dimension reconstruction, we can analysis the dynamic change of granular soil sample internal structure during the course of deformation under pressure. In order to get the three-dimension images of grains, first we separate all the granular soil sample grains by the segmentation of tw
7、o-dimension images, then calculate granular soil fabric parameters such as grain number, centroid coordinate, area, long axis length, coordination number etc, finally calculate the vertical and horizontal boundary of all grains and doing 3D reconstruction for all grains. According to the features of
8、 granular soil image, the water-shed segmentation algorithm is used to get binary image. This algorithm can preferably segment the grains which cluster into each other. The part of grains is white while background is black. Considering the approximate continuity of granular soil, vertical projection
9、 positioning method is used to find the vertical boundary. In order to realize better effect for grains 3D visualization, this dissertation doing grain 3D reconstruction by ray cast volume rendering algorithm. Finally we implement granular soil fabric image measurement system based on VC platform wh
10、ich sets up a effective platform for the further study on granular soil fabric measurement. The system implement the statistic analysis of fabric and provide a good support for mechanical effects analysis of fabric and the establishment of mechanical model. Keywords: Granular Soil Fabric Measurement
11、 Image Segmentation VTK 3D Reconstruction 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论
12、文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪绪 论论 粗粒土具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高、地震荷载作用下不易产生液化等优良工程特性，是高土石坝、公路路基、铁路路基、建筑地基等的主要填筑材料，也是土力学的主要研究
13、对象之一1。 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 随着高土石坝、 高层建筑物的发展及电子计算机的应用， 为适应土工建筑物应力、应变分析的需要，粗粒土应力应变关系成为重点研究内容。长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室的学者经过一段时间的探索认为，粗粒土应力应变关系的研究可以从粗粒土微观组构的研究入手，因为粗粒土的颗粒尺度相对较大，结构特征相对简单，主要体现在颗粒本身及颗粒间几何排列方面，即粗粒土的组构。 研究土微观组构的仪器通常有：X-Ray、偏光显微镜、扫描电镜（SEM） 、透射电镜（TEM） 、CT、核磁共振（MRI）等。运用显微镜、扫描电镜等要涉及到制样问题，容易扰动土样的结构，而且
14、不能实时的观察到土样的内部结构受力变形过程，因而难以在土样微结构研究中推广。而CT与核磁共振成像（如图1-1所示）就能很好的避免制样扰动问题，也能实时地监测试样内部结构的动态变化。长江科学院水利部岩土力学与工程实验室的专家学者经过努力，成功研制出了能够实现试样纵向切片扫描的设备，为粗颗粒土组构研究奠定了坚实的基础，试验仪器主要由控制设备及压力室（如图1-2所示）组成。 图 1-1 核磁共振仪 图 1-2 压力室外观 2华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 因此可以利用 MRI 技术获取粗粒土试样三轴试验的切片图像，利用图像处理技术分析土样受力变形过程中内部结构
15、的动态变化情况和微观组构的变化情况，以解决粗粒土试样在力学响应作用下其内部结构的变形机理问题。 图 1-3 为利用核磁共振仪扫描出的粗粒土三轴试验的部分切片图。 图 1-3 粗粒土 MRI 切片图 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 土力学之父 K.Terzaghi 早在1925年就提出了土体微观结构（microstructure）的概念。首次提出微观组构概念的是奥地利土壤学家、土壤微观形态学的创始人W.L.Kubiena。1938年，Kubiena出版了微观土壤学一书。在该书中，他将微观组构定义为：土中的要素（基质和骨架）的排列及其相互关系。1964年R.Brewer在他出版的土体组构与矿
16、物分析 （Fabric and Mineral Analysis of Soils）中提出了一个3华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 新的土体微观形态分析体系，该体系以辩认土要素的定向性和分布特征为基础。在他的著作中提出了土结构（structure）这个概念，将其定义为：形成复合颗粒的基本颗粒和复合颗粒本身以及相应孔隙的大小、形状和排列所表示土的物理构成23，这被认为是对早期微结构研究成果的系统总结和提高。 胡瑞林等4认为：土的结构性问题研究有其独特的理论和方法体系，应当将其从土力学中独立出来加以系统研究。于是，我们将“以土体的结构性控制为基本点，以建立土体的结构性本构模型为核心内容、以土体工程问题的量化结构模拟和预测为目标、以非线性力学和土质学为基础”的现代土力学分支称之为“土体微结构力学”（Soil Micromechanics） 。张军等5 研
