牟春梅, 吳浩杰, 黃少染, 周子良

(桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院； b.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

土工三軸試驗是獲取土樣應力-應變關系的重要技術手段, 在重大工程與科學研究中經常進行三軸壓縮試驗。常規(guī)三軸試驗由于受到試驗儀器和計算方法的限制, 存在以下幾方面不足[1-7]: (1)在獲取變形土樣的徑向長度時, 假定土樣不同高度處的徑向長度完全相同, 通過軸向變形量與體積變化量計算得到土樣的平均徑向長度。然而, 實際試驗中不同截面的變形是變化的, 特別是土樣中部是向外凸起的(圖1), 其計算值不能反映土樣的實際應變狀態(tài); (2)獲取的軸向變形、 徑向變形反映的是土樣整體的平均變形, 不能對局部應變進行有效的測量, 對不均勻土樣難以準確地獲知薄弱部位; (3)土樣的體積是通過變形過程中土樣吸入或排出水量的多少測定的, 這就要求土樣完全飽和, 無法直接對非飽和土進行體積變形測量。數(shù)字圖像測量技術是利用被攝物體的數(shù)字圖像或相片提取被攝物體的幾何、 位移、 變形的測量技術[8-9]。運用數(shù)字圖像測量技術對三軸試驗過程中土樣的軸向應變、 徑向應變、 體變、 局部應變進行測量的三軸試驗改良方法稱之為基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗。將數(shù)字圖像測量技術與土工三軸試驗相結合, 不僅能有效地克服常規(guī)三軸試驗所存在的上述缺陷, 還能擴展常規(guī)三軸試驗的應用范圍。目前已有多種圖像測量方法運用于三軸土體變形測量當中[10], 為促進數(shù)字圖像測量在土工三軸試驗中的發(fā)展, 很有必要對現(xiàn)存的數(shù)字圖像測量方法進行總結和梳理。

圖1 土樣縱截面形態(tài)

在廣泛閱讀國內外相關文獻的基礎上, 筆者等對目前具有發(fā)展前景、 在三軸土樣變形測量中得以應用的3種數(shù)字圖像測量方法(基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗、 基于土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的三軸試驗、 基于攝影測量的三軸試驗)進行了系統(tǒng)的總結, 詳盡地闡述了各測量方法的測量原理和局限性， 通過對比不同測量方法指出: 基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗從局部平面測量逐漸向全方位三維立體測量發(fā)展, 尋找一種精確、 高效的三維重建方式實現(xiàn)對三軸土樣解析是基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗進一步發(fā)展的關鍵。針對不同的數(shù)字圖像測量方法, 提出了不同的改良方法, 隨著數(shù)字圖像測量技術的不斷發(fā)展和研究的逐步深入, 基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗將可能成為取代常規(guī)三軸試驗的一種新型三軸試驗測量方法。

1 基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗

基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗是指將圖像處理分析技術(DIA)、 圖像相關技術(DIC)運用于三軸土樣變形測量的三軸試驗改良方法, 該方法以三軸土樣的體積測量與土樣全表面局部應變測量為主要目標。

1.1 基于數(shù)字圖像分析的三軸試驗

基于數(shù)字圖像分析的三軸試驗是指利用三軸試驗土樣在圖像中的邊界輪廓, 確定三軸土樣的軸向應變、 徑向應變、 體變的三軸試驗改良方法[11-12]。1993年, 為研究失重狀態(tài)下三軸土樣的變形特征, Macari等[13]將數(shù)字圖像技術、 計算機輔助分析技術運用于常規(guī)三軸試驗, 通過在三軸試驗儀前架設攝影架臺對試驗過程中的三軸土樣進行拍攝, 獲取土樣的數(shù)字圖像, 利用計算機灰度識別確定圖像中土樣的邊界; 通過相機方位與三軸壓力室、 三軸土樣之間的幾何關系, 利用光線追蹤技術建立了二維折射修正模型(圖2)； 對多重介質(有機玻璃壓力室、 水、 空氣)折射引起的測量誤差進行修正, 從而實現(xiàn)對土樣軸向變形、 任意徑向截面直徑、 體積的測量。

圖2 徑向折射修正模型簡圖

通過該方法初步實現(xiàn)了對三軸土樣的數(shù)字化測量, Macari等[13]所提出的二維折射修正模型是首個折射修正模型, 該模型定量描述了相機拍攝方位、 折射效應、 圖像變形之間的數(shù)學關系, 并成為后續(xù)處理折射問題的重要參考依據(jù)。 在該折射模型的基礎之上, Gachet等[12]為了簡化折射校正過程, 提出了通過簡單的線性或者二次方程對多重介質折射問題進行修正的折射修正方法; Rechenmacher[14]提出了三維空間尺度上的3D折射模型， 用于處理不同介質交界面處的折射問題, 通過光線追蹤可實現(xiàn)對土樣表面所有人工標記點的折射修正； Alshibli等[11]將圓柱形壓力室改制為等邊三棱柱狀壓力室, 通過CT技術對變形后的土樣進行掃描, 獲取高分辨率的變形土樣圖像, 并對徑向掃描圖像進行三次樣條插值得到了土樣徑向變形的全過程以及土樣體積變化。CT掃描能獲高分辨率的數(shù)字圖像, 但是改造壓力室、 安裝CT掃描設備會增加試驗的成本, 不具備普遍的適用性。基于圖像分析的三軸試驗通過土樣邊界確定土樣的變形, 在實際運用中, 由于照片的分辨率、 光線的明暗變化、 土樣變形產生的假邊界、 邊界識別算法等非理想因素使得土體邊界的獲取艱難且費時。因此， 提升土樣邊界的識別精度是實現(xiàn)更為準確地測量土樣變形的關鍵, 土樣的邊界識別主要受兩個因素影響： 一是圖像的分辨率， 二是計算機軟件的圖像識別技術。Gachet等[12]為了增強土樣邊界的識別精度, 通過使用高分辨率相機、 外部補光等措施提高圖像的清晰度, 采用基于亞像素級別的圖像識別算法對土樣邊界進行識別, 實現(xiàn)了更為準確的土樣變形測量。

隨著專業(yè)量測相機、 高分辨相機的普及, 高分辨率圖像的獲取更為簡單, 并且隨著計算機處理水平的提高, 圖像的識別單元可精確到亞像素級別, 圖像的識別算法也有了巨大的發(fā)展。土樣的邊界識別精度更高, 基于圖像分析的三軸試驗的測量結果更為精確， 但基于圖像分析的三軸試驗在實際的運用中存仍存在以下問題: (1)局限于二維平面的測量, 只能獲取成像平面上土樣的變形, 無法獲取土樣的三維空間尺度的各向變形。 (2)現(xiàn)有的幾種折射處理方式并不能很好地解決折射問題: ① Macari等[13]所建立的折射校正模型, 需要滿足以下幾個假設條件: a.隨著軸向壓力的施加, 土體各向均勻變形; b.隨著圍壓的施加, 壓力室保持初始的圓柱狀, 不發(fā)生膨脹變形; c.土樣安裝在壓力室的中心, 相機、 壓力室及土樣的相對位置需確定， 然而, 其假設條件在現(xiàn)實情況中難以滿足, 其折射校正值也難以達到預期水準。 ② Alshibli等[11]將常規(guī)的圓柱形三軸壓力室改制為等邊三棱鏡狀壓力室, 相機拍攝方向的壓力室壁為平面板狀, 該方法能有效降低折射引起的放大效應, 無需復雜的折射校正, 測量值可近似地認為是土樣的真實值, 但改制的壓力室雖能有效地降低折射的影響, 卻無法完全消除折射的影響, 測量結果與真實值之間仍存在誤差, 并且改制的三軸壓力室不適用于常規(guī)三軸試驗, 不具有普遍的適用性。 ③ Gachet 等[12]利用物像之間的線性關系對徑向長度進行折射校正, 該折射校正方法需要滿足: a.每次土樣安裝的位置必須相同, 不能有偏移; b.相機與土樣之間的距離恒定, 相機拍攝方向水平, 并且隨著變形的增加, 測量誤差也逐漸增加。

1.2 基于數(shù)字圖像相關技術的三軸試驗

基于數(shù)字圖像相關技術的三軸試驗是指通過對三軸土樣變形前后的圖像進行關聯(lián)處理(圖3), 實現(xiàn)對三軸土樣表面應變分布測量的三軸試驗改良方案[15]。

圖3 測量原理示意圖

Chu等[15]根據(jù)圖像中的強度參數(shù)對不同圖像中的同名點進行匹配, 得到該點的位移變形， 首次將圖像相關技術運用于土工試驗中。土樣表面的紋理變化是實現(xiàn)土樣的局部位移變形測量的關鍵。不同數(shù)字圖像中同名點的匹配算法主要分為3類: 基于面積的匹配算法、 基于表面紋理特征的匹配算法、 基于面積和紋理的混合匹配算法[16]。無論哪一種匹配算法, 首先都需要保證土樣表面具備足夠清晰的可識別紋理特征(網(wǎng)格、 色塊、 陰影、 光斑等), 紋理特征在圖像中表現(xiàn)為不同的圖像強度參數(shù), 通過匹配變形前后圖像中的相同圖像強度參數(shù), 確定同名點從而獲得該點的變形。

Alshibli等[17]在包裹土樣的橡皮膜表面繪制正方形網(wǎng)格, 通過人工處理加強土樣的紋理特征, 并用變形后的網(wǎng)格圖像確定剪切帶的剪切方向和剪切帶的厚度。圖像相關技術通過追蹤同名點的變化獲取土樣表面的局部變形, 土樣表面的每一個識別紋理相當于一個位移傳感器, 通過土樣表面的識別紋理, 可得到土樣局部位移變形數(shù)據(jù), 這些測量數(shù)據(jù)是一些離散的數(shù)據(jù)點。 為了獲取土樣表面任意位置的變形, Lin等[18]基于局部測量數(shù)據(jù), 提出了一種三維空間尺度上的有限元插值處理方法, 將離散的數(shù)據(jù)點轉化為連續(xù)的變形區(qū)域, 測量區(qū)域不再局限于土樣表面紋理處, 而是擴展至土樣全表面, 通過該方法得到了三軸土樣的應變分布, 揭示了土樣剪切破壞的形成與演化規(guī)律。數(shù)字圖像關聯(lián)技術仍局限于二維平面的測量, 為了獲取土樣在三維空間的不均勻變形, Higo等[19]和Takano等[20]將CT掃描技術與數(shù)字圖像相關技術相結合, 對飽和砂土的局部應變特征進行研究, 利用兩臺CT儀同時對土樣的軸面和徑向截面進行掃描, 獲取土樣的軸向截面和徑向截面圖像, 以砂土顆粒作為標記識別點, 追蹤不同圖像中對應標記識別點的相對位移, 得到土樣在軸向和徑向平面上的位移, 實現(xiàn)3D立體測量, 揭示了飽和砂土局部剪切破壞的形成與發(fā)展過程。王學濱等[21]將粒子群優(yōu)化算法(PSO)引入基于Newton-Raphson(N-R)迭代的DIC方法中, 以充分利用PSO算法的全局搜素能力與N-R的局部搜素能力, 提高不同圖像中同名點之間的匹配精度。王鵬鵬等[22]將數(shù)字圖像相關技術與DEM數(shù)值模擬結合, 利用數(shù)字相關技術觀測試樣表面的整體變形和局部變形, 通過DEM數(shù)值模擬分析, 可觀測到試樣內部土顆粒的運動形態(tài)。在二維數(shù)字圖像相關技術的基礎上, 基于立體視覺原理發(fā)展形成了3D-DIC技術, 運用兩臺成一定角度的相機同時對目標物體進行拍攝, 根據(jù)兩張圖像還原物體的三維空間形態(tài), 3D-DIC技術在土木工程領域得到了廣泛的運用[23-24]。由于壓力室引起的折射問題難以解決, 難以將3D-DIC技術運用于三軸試驗中。

數(shù)字圖像相關技術在土工三軸試驗過程中的應用具有以下優(yōu)點: (1)對土樣表面的微小變形具有很好的檢測效果, 能夠實現(xiàn)對土樣任意部位的局部變形進行有效監(jiān)測, 能直觀反映出土樣的表面變形; (2)為研究三軸壓縮過程中土樣的局部應變、 揭示試樣的剪切破壞規(guī)律提供了便捷準確的測試手段。

然而, 基于數(shù)字圖像關聯(lián)技術的三軸試驗存在以下不足: (1)數(shù)字圖像相關技術運用單相機進行土樣圖像采集, 通過對比處于同一成像平面上的兩幅圖像, 獲得物體表面點在成像平面上的位移與應變, 無法獲取偏離成像平面的位移, 一旦表面點位移偏離， 成像平面會造成明顯的誤差[25-27]; (2)土樣表面必須具有大量的、 清晰的紋理特征, 且在變形過程中保持穩(wěn)定, 紋理特征的改變將會在很大程度上影響不同圖像間同名點的匹配精度, 影響測量精度; (3)僅能對試驗表面某個局部平面進行測量, 無法實現(xiàn)土樣的全表面測量, 采用多相機拍攝無法實現(xiàn)完全同步, 且每部相機的測量誤差亦不同, 無法統(tǒng)一分析; (4)不同圖像的關聯(lián)處理受到諸多因素的影響, 如光線的強弱、 圖像的清晰度、 計算機匹配算法等都極易影響最終的結果[28]。

2 基于三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的三軸試驗

2000年, 邵龍?zhí)督淌诘膱F隊將數(shù)字圖像測量技術與常規(guī)三軸試驗相結合, 經過十多年的探索與努力, 研制了具有完全自主知識產權的新型多功能土工三軸試驗儀——三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)[29]?；趫D像分析的三軸試驗中, 難以實現(xiàn)土樣邊界的完整識別, 三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)采用亞像素角點檢測技術進行土樣邊界的識別。試驗前， 在包裹土樣的黑色橡皮膜表面繪制白色方格, 通過計算機軟件自動識別包裹土樣的橡皮膜上白色正方形的角點[30](圖4), 通過追蹤角點的變形得到土樣的變形。邵龍?zhí)兜萚31]利用土樣邊緣角點確定土體邊界, 通過追蹤土樣表面的各個角點的位移得到土樣的局部變形信息, 揭示土樣剪切破壞后的變形規(guī)律。為實現(xiàn)單相機對試驗全表面的觀測, 將三軸壓力室設計成平面板狀玻璃壓力室(圖5a、 b), 壓力室主體釆用不銹鋼, 前表面(觀測面)裝嵌平板鋼化玻璃; 壓力室中安裝有照明系統(tǒng)以及兩面可調節(jié)方位的反光鏡(圖5c), 利用兩塊反光鏡的反射實現(xiàn)對土樣側表面的測量, 最后通過像素當量歸一化處理與數(shù)據(jù)拼接, 將不同成像平面上的標記點展開在同一物距的二維平面坐標系中, 實現(xiàn)土樣全表面的二維平面測量[32-33]。劉港等[34]運用四節(jié)點矩形有限元單元分析將離散位移轉換為連續(xù)的變形單元, 將每相鄰的4個角點確定的四邊形作為有限單元, 通過有限元分析, 得到三軸土樣全表面的應變場圖。數(shù)字圖像測量系統(tǒng)不僅適用于常規(guī)三軸試驗, 同樣也可在動三軸試驗中適用, 趙博雅等[35]將數(shù)字圖像測量系統(tǒng)運用于尾粉砂動三軸試驗中, 通過與傳統(tǒng)傳感器測量結果的比較, 驗證了使用圖像測量方法測量動位移、 動應變和進行動三軸試驗是可行的。

圖4 土樣表面角點識別(引自劉港[33])

圖5 鋼化玻璃壓力室(引自劉港[33])

三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)與基于數(shù)字圖像處理技術的三軸試驗相比具有以下優(yōu)點: (1)能同時實現(xiàn)對土樣的體積和局部應變測量; (2)利用亞像素角點檢測技術, 實現(xiàn)亞像素級別的精確定位, 對角點的位移識別更為靈敏; (3)通過邊緣角點確定土體邊界, 克服了獲取完整邊界的難題, 提高了邊界識別的準確度; (4)通過平面板狀新型壓力室, 實現(xiàn)了運用單相機對土樣全表面的測量, 克服了多相機系統(tǒng)的難以實現(xiàn)完全同步性的難題, 可以較為精確地測量土樣的局部變形特征、 剪切帶的形成與演化; (5)新型壓力室不僅可應用于數(shù)字圖像測量的三軸試驗中, 還可應用于平面應變試驗, 克服平面應變試驗中的摩擦問題[36]。然而, 全新一代三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)仍存在以下問題: (1)計算土樣體積時仍需假定土樣各向同性均勻變形, 對變形接近各向同性的壓實土樣的體積測量相對準確, 但對非各向同性變形的土樣, 測量結果不佳[37]; (2)全表面的測量需要將不在同一成像平面上的3幅圖像拼合在同一物距的坐標系中, 在當量化歸一處理、 數(shù)據(jù)拼接過程中極易產生測量誤差; (3)平面板狀壓力室無法完全消除折射的影響, 測量結果與真實值之間存在誤差; (4)局限于二維平面測量, 無法實現(xiàn)土樣的三維立體測量。

3 基于新型攝影測量方法的三軸試驗

Zhang等[38-39]提出了一種基于新型攝影測量方法的三軸試驗, 其拍照方式、 成像原理、 折射校正模型與傳統(tǒng)攝影測量方法具有明顯的區(qū)別。他們提出的新型攝影測量方法以RAD(ringed automatically detected)編碼點為標記識別點標記在包裹土樣的橡皮膜上, 利用一臺數(shù)碼相機從不同方位對三軸土樣進行環(huán)繞式拍照, 獲取土樣全表面的數(shù)字圖像, 通過PhotoModer Scanner軟件對數(shù)字圖像中的RAD編碼點進行自動識別與提取, 獲取RAD編碼點在三維空間中的三維點云坐標。運用光線追蹤的方法對折射效應進行修正時, 折射界面對于折射光線的方向影響至關重要。Macari等[13]所建立的折射校正模型將壓力室罩視為標準圓柱體, 將圓柱狀壓力室罩的內外壁作為折射截面, 并未考慮隨著圍壓的施加, 圓柱狀壓力室罩發(fā)生鼓脹變形, 此時的折射截面與理想的折射截面不符, 會對測量結果產生很大的影響。Zhang等[38-39]利用壓力室表面編碼點的三維空間坐標, 通過函數(shù)的擬合確定符合壓力室形態(tài)的三維函數(shù)界面, 將該界面作為實際的折射界面, 運用光線追蹤建立三維折射校正模型， 以此求出壓力室外表面折射點Di, 壓力室內表面折射點Ci和折射光線傳播路徑(圖6a)。由于外部因素的干擾無法避免, 導致多條反向光線無法按理想狀態(tài)匯聚成一點, 運用最小二乘法確定最終的交匯點P, 實現(xiàn)標記點的準確定位(圖6b)。最后根據(jù)消除折射干擾后的RAD編碼點的三維點云坐標重構土體的三維立體模型, 實現(xiàn)土體軸向應變、 徑向應變、 體變、 局部應變的測量, 局部應變計算方法與Lin等[18]所使用的方法相同。

圖6 光線追蹤過程示意圖

基于新型攝影測量方法的三軸試驗是一種全新的三軸試驗方法, 能夠根據(jù)數(shù)字圖像直接重構出土樣的三維空間形態(tài), 使得圖像測量不再局限于二維平面測量, 根據(jù)土樣的重構三維模型, 可實現(xiàn)對土樣的三維立體測量。此外, Zhang等[38-39]所提出的三維折射模型中, 考慮了壓力室變形所造成的折射界面的改變對折射校正測量結果的影響。然而, 基于新型攝影測量方法的三軸試驗具有以下局限[40-42]: (1)采用的單相機多方位拍攝方式難以實現(xiàn)完全同步, 即拍攝時刻完全同步, 土樣的變形完全相同。 (2)隨著土樣變形程度的加劇, 編碼點出現(xiàn)脫落或扭曲變形, 無法實現(xiàn)準確識別, 測量精度逐漸降低。 (3)光線追蹤需要對多個獨立參數(shù)進行精確化計算, 該過程需要滿足: ①表示壓力室三維空間形態(tài)的數(shù)學模型與壓力室的真實形態(tài)完全吻合; ②壓力室的厚度均勻; ③準確的獲取相機參數(shù)。 (4)無法實現(xiàn)短時間間隔內的連續(xù)采集測量。

通過以上3種方法的對比分析可知: 基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗對土樣的整體變形測量與局部測量是單獨進行的, 只能針對變形土樣的某個平面進行觀測, 無法實現(xiàn)對土樣全表面的測量, 基于三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)運用角點識別技術, 克服了土樣邊界識別的難題, 并且能夠同時對土樣的整體和局部變形進行測量, 通過圖像拼接, 將測量平面擴展為土樣的全表面； 然而, 這兩種方法局限于二維平面測量, 不能獲取相機光軸方向上的“深度”信息, 對土樣進行三維重構時需要假定土樣各向同性變形, 由于土樣的不均勻性, 土樣的變形是各向不一的, 基于各向同性的假設重構得到的土樣三維形態(tài)與試樣的真實形態(tài)具有較大差異。 (2)新型攝影測量方法利用多視角圖像, 重構土樣的三維空間形態(tài), 實現(xiàn)了對土樣的三維立體測量, 無需假定土樣各向均勻變形, 提出了高精度的折射校正模型, 但該折射校正模型計算繁復, 受到外部因素的影響較大。 此外, 新型攝影測量方法需要大量的數(shù)據(jù)圖像, 無法對土樣進行短時間內的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

基于上述問題, 尋找一種精確、 高效的三維重建方式實現(xiàn)對三軸試樣準確的三維空間姿態(tài)再現(xiàn)是基于攝影測量的三軸試驗進一步發(fā)展的關鍵。Zhang等[38-39]提出的新型攝影測量技術在很大程度上克服了以上問題, 雖然該方法結合了計算機視覺領域、 攝影測量科學等相關領域的前沿科學成果, 但對該方法的研究與應用仍不足, 加強對該方法在實際三軸試驗中土樣變形測量的運用和改良具有十分重要的意義, 也是未來常規(guī)三軸變形測量的研究熱點。

4 總結與展望

(1)基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗運用二維折射修正模型、 建立線性修正函數(shù)、 改造壓力室等技術手段對多重介質折射問題進行處理。 通過對土樣邊界、 人工標記識別點的識別, 實現(xiàn)對土樣軸向、 徑向、 體積與局部變形的測量。然而, 該方法所使用的折射修正方法皆不能很好地消除折射的影響, 并且無法同時獲取土樣的整體變形和局部變形。 針對上述問題, 可從以下兩方面對基于數(shù)字圖像技術的三軸試驗進行改進: ①完善折射修正模型: 折射問題的處理是實現(xiàn)土樣體積、 應變準確測量的關鍵性技術難題, 相機方位、 相機與土樣之間的相對距離、 折射界面的變化等非理想因素, 會直接影響折射修正的精度, 根據(jù)實際情況對折射模型進行完善, 使其更符合實際條件, 實現(xiàn)更為準確的折射修正。②識別算法的改進: 土樣圖像的識別是實現(xiàn)土樣變形的基礎, 運用多種識別算法對有人工標記識別點的土樣進行識別， 實現(xiàn)邊界識別與局部標記點的同步識別、 整體變形與局部變形測量的同步性。 此外, 由于標記識別點發(fā)生變形, 單一的識別算法無法準確識別, 運用多種識別算法對同一目標圖像進行識別, 可彌補單一識別算法的缺陷。

(2)基于數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的三軸試驗以土樣的邊緣角點作為土樣的邊界點確定土樣邊界, 以土樣內部角點作為局部變形的監(jiān)測點, 實現(xiàn)了土樣軸向、 徑向、 體積與局部變形的同步測量, 并且通過對三軸壓力室的改造, 實現(xiàn)了對土樣全表面的二維平面測量。然而, 基于數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的三軸試驗通過單幅圖像對任意時刻的土樣變形進行測量, 在測量過程中存在以下問題: ①不能獲取相機光軸方向上的“深度”信息, 局限于二維平面測量; ②利用多圖像拼接技術將不同角度的試樣圖像拼接到一個圖像平面之上, 在圖像拼接過程中, 圖像之間的相互干擾重疊使得拼接過程困難重重?；谏鲜鰡栴}, 尋找一種精確、 高效的圖像三維重建方式, 實現(xiàn)對三軸試樣準確的三維空間姿態(tài)再現(xiàn), 是基于數(shù)字圖像測量三軸試驗進一步發(fā)展的關鍵。為實現(xiàn)更為準確的土樣變形測量, 可從兩方面入手: ①通過單幅圖像的的三維重建技術, 獲取土樣的三維空間信息, 實現(xiàn)對三軸土樣的三維立體測量; ②運用基于雙目立體視覺的三維重建方法, 重構出土樣的三維形態(tài), 獲取物體三維幾何信息。

(3)基于新型攝影測量方法的三軸試驗通過建立三維折射校正模型對多重介質折射問題進行處理, 實現(xiàn)對三軸土樣的三維立體測量, 該三軸試驗改良方法是目前最具前景的實驗方法之一, 但該方法尚有不足, 加強該方面的研究非常具有意義: ①完善折射修正模型: 基于光線追蹤建立折射修正模型具有較高的測量精度, 但該模型受到諸多因素的限制, 加強對三維折射校正模型的研究是未來工作的熱點。 ②儀器設備的升級改造: 在常規(guī)三軸儀的基礎上對現(xiàn)有設備進行改造升級； 在不影響常規(guī)三軸儀使用的前提下, 研發(fā)與常規(guī)三軸儀配套的數(shù)字圖像測量系統(tǒng), 實現(xiàn)靈活的相機方位調整、 自動化的補光拍攝采集、 數(shù)據(jù)圖像的快速處理。

隨著數(shù)字圖像測量技術的不斷提升和研究的逐步深入, 基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗從局部平面測量逐漸向全方位三維立體測量發(fā)展, 測量精度逐漸提升, 表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著高分辨率相機的普及和計算機水平的提高, 基于數(shù)字圖像測量的三軸試驗將可能成為取代常規(guī)三軸試驗的一種新型三軸試驗測量方法, 實現(xiàn)更高精度的土樣變形測量。