曹路

【摘要】隨著計算機硬件技術(shù)和數(shù)字圖像理論的不斷進步， 數(shù)字圖像處理技術(shù)（簡稱DIP）為各種自然、非自然材料研究提供了一種前所未有的實用技術(shù)，數(shù)字圖像的理論日益成熟、微觀數(shù)字圖像采集水平的快速提升，都使得DIP技術(shù)更加廣泛深入地應(yīng)用到工程材料的試驗、研制、檢測作業(yè)中。

【關(guān)鍵詞】工程材料檢測;研究動態(tài);數(shù)字圖像技術(shù)

DIP是一門大雜燴的邊緣性學(xué)科，將信號處理、數(shù)學(xué)、體視學(xué)、模式識別、人工智能等學(xué)科融為一體。并引入各大領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、航空航天以及各種無損檢測技術(shù)等不同的科學(xué)領(lǐng)域。DIP也為測量和表述巖土內(nèi)部微觀的各種介質(zhì)的空間分布情況提供了可行之處，能夠方便人們了解巖土微觀材料的非均質(zhì)性和巖土的微觀結(jié)構(gòu)特征，并為認識巖土微觀材料各組分的形態(tài)特征以及相對應(yīng)的力學(xué)特征提供了有效的途徑。在同一地點的地質(zhì)結(jié)構(gòu)無差異的情況下巖體內(nèi)外的裂縫特征幾乎一樣，為解決難以獲取巖體內(nèi)部數(shù)據(jù)這一難題，通常有從巖體內(nèi)部和表面兩種方式獲得裂隙的數(shù)據(jù)信息，一般是利用皮尺和羅盤等傳統(tǒng)測量工具對巖體表面裂隙特征進行測量，這種依賴人工逐一測量而"獲得數(shù)據(jù)的方式盡管簡單易行但效率低下，受外界條件限制較多，但測量對象在險峻的陡坡上時，測量工作就難以進行。借助先進的數(shù)字圖像存儲設(shè)備，現(xiàn)場拍攝裂隙特征，運用DIP分析處理所采集到的裂隙數(shù)據(jù)，最后提取有參考價值的信息，與傳統(tǒng)的測量方法相比，這種測量方式可降低測量難度，有效的避免外界條件對測量結(jié)果的影響，并且有很高的測量效率，既經(jīng)濟又簡單，最重要的是通過圖像采集所獲得的信息量大，符合巖體裂隙的各種研究中的數(shù)據(jù)要求。

目前國外有關(guān)數(shù)字圖像技術(shù)的動態(tài)是：國內(nèi)岳中琦等專家在研究巖土的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)時，提出可利用數(shù)字圖像處理的理論對其進行定量分析。這個方法是從水平和垂直的兩個方向切割混凝土試件，對試件被切割后會產(chǎn)生橫向截面和縱向截面進行照相記錄。再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對顆粒直徑超過2毫米的集料粒度，并對其粒度分布、幾何形狀特征、集料定向性以及顆粒的空間分布情況進行定量分析并作以總結(jié)，該研究表明采集的試件瀝青混凝土骨料在不同的方向上著很大區(qū)別：與瀝青混凝土碾壓而形成的過程一致，該混凝土骨料在垂直剖面上的排列會小于在水平剖面上的情況，可得出瀝青混凝土骨料主要是水平剖面排列分布;旋轉(zhuǎn)碾壓方法能夠模擬現(xiàn)場鋪設(shè)過程，并且可以取得較好效果。國內(nèi)還有張婧娜基于DIP技術(shù)分析了瀝青混凝土在不同溫度、不同形態(tài)條件下的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)組成及其的相關(guān)要素的排列情況。

李智等通過研究證明了基于DIP技術(shù)研究瀝青混凝土微觀顆粒組成結(jié)構(gòu)的合理性。也就是以瀝青混凝土的內(nèi)部微觀屬性為出發(fā)點，繼續(xù)開發(fā)和完善DIP在此類領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。分析各種壓實成型方法對混凝土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，借助數(shù)碼成像技術(shù)采集混凝土的內(nèi)構(gòu)圖像后得到混凝土試樣的微觀立斷面，從中采集材料關(guān)鍵的數(shù)字信息機進行整合分析。結(jié)合實際情況，認為與實際的路面最接近的是輪碾壓實及旋轉(zhuǎn)壓實效果。

彭勇等在DIP技術(shù)的基礎(chǔ)上，對瀝青混凝土內(nèi)部骨料的均勻性進行了研究，并且提出位置偏差、數(shù)目偏差及面積比3個參數(shù)，這3個參數(shù)是在截面熵骨料布狀態(tài)的基礎(chǔ)之上提出的，然后對瀝青混凝土的均勻性進行定量評價。

岳中琦等人則提出另一種理論方案，在對巖土內(nèi)部微觀骨料的空間幾何分布特征進行分析研究中，利用數(shù)字圖像測量的方法進行分析。試驗結(jié)果得出，混凝土微觀內(nèi)部骨料的幾何分布形態(tài)在水平以及深度方向上有較大差別，且混凝土試樣微觀骨料剖面在深度方向上的面積部分較大。試驗中用使骨料主剖面趨近于大豎向分布排列的方式的方法，使混凝土受到側(cè)方向上的振動擠壓力。所以就豎向插入了混合流體內(nèi)的振動棒。這樣操作結(jié)果是導(dǎo)致混凝土試樣的物理以及相關(guān)的力學(xué)方面等特性在水平和垂直方向上有所不同。

寶庭等專家在DIP之上，獲得斷裂面的統(tǒng)計特征，對水泥混凝土受損后的各種相關(guān)截面的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。同時研究了巖土試樣的強度及其內(nèi)部骨料受損斷裂比例之間聯(lián)系。最后由三維級配分布推論出二維級配分布，對從二維基礎(chǔ)上對混凝土進行數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

劉清元等將 DIP 與其它技術(shù)容合，最終提出研究各種混凝土裂痕的綜合算法。這一算法的提出對該混凝土的研究有很深遠的影響，該算法能夠開發(fā)出很強大的用處。比如對混凝土的裂紋走向、幾何尺寸如長度、寬度等的獲取提供了便捷。但是算法也有待進一步完善，因為算法還不能夠處理復(fù)雜的多分支細小裂紋。徐文杰等人則以由崩坡堆積而成的的巖土混合體為研究對象展開相關(guān)研究，他們先對巖土混合體的斷面圖像進行多維化照相采集，然后選取其中四個試樣的斷面圖像進行DIP技術(shù)分析，對其內(nèi)部塊石的幾何形態(tài)和分布定向性、 粒度等相關(guān)的細觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進行定量研究，所得結(jié)果顯示，土石混合體在形成的時候經(jīng)歷的位移活動相當(dāng)復(fù)雜，雖然巖土混合體的內(nèi)部塊石雜亂無章的排列，但其依舊有著不錯的統(tǒng)計自組織性。該試樣的比例無關(guān)性也是它的一個不可忽略的特征。

目前國外有關(guān)DIP技術(shù)在工程巖土材料檢測研究、應(yīng)用的動態(tài)有：Tanshman 運用計算機斷層掃描（CT）技術(shù)及DIP技術(shù)處理等方法，對巖土內(nèi)部孔隙的分布在不同的壓實方法及巖土的骨料梯度的情況下會有何種差異進行了分析研究。其研究結(jié)果表明，在水平或是垂直的方向上，壓實成型（SGC）的瀝青混凝土試樣的內(nèi)部孔隙都呈不均勻分布，然而骨料梯度對孔隙分布影響不大。該研究是通過定量分析巖土的內(nèi)部骨料分布特征，再經(jīng)過計算處理后可了解對其巖土內(nèi)部的各向異性特征的微結(jié)構(gòu)張量的具體情況，并運用到巖土的力學(xué)結(jié)構(gòu)研究中，在巖土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對瀝青混凝土進行粘塑性本構(gòu)建模。

Amo等人在研究過程中，將水泥混凝土骨料顯微鏡圖像和 DIP 技術(shù)相結(jié)合，定量分析了水泥混凝土內(nèi)部礦物組成，研究得到了石英反應(yīng)指數(shù)（QRI）以及QRI 可以反映堿硅酸反應(yīng)試驗中的特征。研究還得出，由于巖土的質(zhì)變過程中會很大程度上增大石英顆粒參加反應(yīng)的表面積，因此可以用這個方法來減小石英顆粒大小，從而達到增強堿反應(yīng)作用的目的。

Lebourg 在運用 DIP 對 Aspe Valley 分布的冰磧物內(nèi)部塊石的形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的定量分析過程時，在研究冰磧物與其內(nèi)部塊石之間的力學(xué)形態(tài)特征參數(shù)相關(guān)性中，巧妙地運用了多維統(tǒng)計方法。Akesson 等人則是在DIP基礎(chǔ)之上，借助定量顯微鏡的便捷之處，對瑞典某地區(qū)存在的花崗巖的細觀結(jié)構(gòu)特征進行了研究。包括對花崗巖的內(nèi)部的礦物顆粒幾何形態(tài)、葉理指數(shù)以及顆粒的空間分布等細觀結(jié)構(gòu)特征的研究。通過研究表明，巖石的抗磨損能力主要由內(nèi)部礦物顆粒的大小來決定，巖石的力學(xué)性質(zhì)受不同的礦物形狀及巖土微觀排列方式的影響較大，然而抗破碎能力方面受以上兩因素的影響更大，但是不是決定因素。并且指出必須考慮材料內(nèi)部的礦物細觀結(jié)構(gòu)，對其性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)之上對巖石的力學(xué)性質(zhì)進行分析和研究，必要時還要建立其相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。就目前而言主要采取實驗測試、數(shù)據(jù)分析、理論分析相結(jié)合的方法對巖土材料進行研究，然而這種研究方法僅適用于巖土材料性質(zhì)及其相應(yīng)的邊界條件不太復(fù)雜時，當(dāng)在處理復(fù)雜條件下的巖石材料問題時，上述方法中的理論分析過程則會顯得相當(dāng)復(fù)雜，甚至無法解決相關(guān)問題，此時則需要運用分析得出巖土的物理模型，并結(jié)合目前比較合適的計算機數(shù)值分析技術(shù)的方法來解決這些難題，因此這類物理模型試驗方法只在大型（高難度）工程時才會采用。目前巖土工程作業(yè)中一般還是采用DIP方法，由于是使用計算機技術(shù)去處理巖土工程中的難題，而目前的計算機技術(shù)也都能為此提供較好的技術(shù)基礎(chǔ)，所以這種方法具有運算速度相對較快、經(jīng)濟成本相對較低，對設(shè)備條件要求較低等優(yōu)勢，這種處理方法也確實能對巖土的材料結(jié)構(gòu)進行比較精確的分析和計算，因此在巖土工程研究中得到了大力的推廣。

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