探究数字图像测量技术在岩土工程试验中的应用

探究数字图像测量技术在岩土工程试验中的应用

陆德伍

昆明骏泽岩土工程有限公司

摘要：随着经济的飞速发展，科技的进步给先进设备的发展创造了有利条件，可以通过越来越丰富的手段获取岩土体宏观或细致的数字图像，使得岩土工程测试技术得以借助迅猛发展的数字图像处理技术，向着自动、快速、高精、动态的方向发展。本文介绍数字图像技术在岩土工程试验中的应用。

关键词：数字图像；岩土工程；试验；应用

数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。主要包括图像变换、图像编码压缩、图像增强复原、图像分割、图像描述、图像分类（识别）以及数字摄影测量等内容。近年来，数字图像处理技术得到了高度重视，出现了许多有关的新理论、新算法及新设备，并已在科学研究、工业生产、医疗卫生和通信等方面得到了广泛应用，并发挥着重要作用。在岩土工程测试领域，随着技术及设备的发展，可以借助越来越丰富的手段获取数字图像，如数码照（摄）相机技术、红外摄影技术、计算机层析（CT）技术、扫描电镜（SEM）技术、透射电镜（TEM）技术和数字钻孔摄像技术等，使得数字图像处理技术被广泛应用于岩土体力学性质分析、岩土室内试验测量、现场勘察及地质信息分析等领域。

一、数字图像处理的优点

（一）再见性好

模拟图像处理与数字图像处理最大的不同在于，数字图像处理不会因为图像的存储、复制或传输等一系列操作而引起图像质量的降低。

（二）适用面宽

图像可以来自许多的信息源。它小可以小到电子显微镜的图像，大可以大到遥感图像、航空照片或者天文望远镜的图像。

（三）灵活性高

数字图像处理技术不只可以完成线性运算，而且可以实现非线性的处理，即只要是能够用逻辑关系或数学公式来进行表达的所有运算都可以用数字图像处理来实现。

（四）信息压缩潜力大

由于数字图像中各个像素不是相互独立的，相关性大，所以，在图像处理中信息压缩的潜力比较大

二、数字化测绘技术在岩土工程测量中的应用

（一）扫描矢量化和手扶跟踪数字化

数字化处理原图以扫描矢量化和手扶跟踪数字化为主要处理方式。其中扫描矢量化的特点是工作效率高、精确度高，而精确的程度和操作人员的技术成正比。因为扫描矢量化只能显示出白纸图，无法显示不同地表结构的图纸，会造成数字图显示结果出现误差。因此，扫描矢量化通常被应用于紧急情况的处理技术。但是在条件允许的情况下，使用扫描矢量化时，可以选择一些辅助技术来帮助扫描矢量化完成数字地图的检测，为了确保检测结果的精确度，可以通过测量地形技术结合地物信息数字化的方式进行测量或者利用多种相关技术相结合，力争达到最精准的数字化检测结果。通过这种方式可以最大化地完善实测的地形点坐标精确度，而手持跟踪数字化就是通过数字化仪器获取图纸数据。

（二）外业测点在原图处理中的作用

在测绘检测的实际应用中，原图数字化应采用外业测点和数字化缩放图的技术结合的方式获取数字地图，而外业测点的技术特点是可以对不完善的图纸及数据进行修复。在实际检测过程中，如果有传统的地形图及图件，最好利用传统的资源，这样可以节省时间及人员的消耗。因此，为了达到最好的效果，我们可以利用外业测点技术，对现有的资料进行修补。因为原有的测量技术无法适应于数字化测绘技术的精准度，所以利用外业测点的方式进行完善是未来测绘技术的必然走向。

（三）划分图层

数字化地图中包含很多地形及控制点的信息，而这些信息是否全面直接影响数字化地图的作用。但是，如果遇到复杂的地形图，由于其涵盖的信息面很广，会给储存带来很大的不便，所以应利用分层储存的方式进行管理。例如：将属性相同的信息放在图层，需要使用时便可以快速地找到该图层。建立子图、线型符号库，利用颜色及形状将其配置完善，以便于查找。

三、数字图像技术在岩土工程试验中的实际应用与发展

（一）裂隙等结构面的识别及统计

20世纪70年代初，首次利用钻孔电视图像研究裂隙特征，对被钻孔揭穿的节理裂隙的发育特征及其随深度分布特征进行分析。现在较为成熟的钻孔成像系统，都配有专门的裂隙识别和分析软件。如：BIPS、FMI、OPTV、BHTV、DPBCS等，成像的效果各有优劣，但是裂隙识别的步骤都大同小异。一般的步骤是，将得到的钻孔图像经过数字图像处理，比如平滑、图像增强、边缘增强后，将图像二值化，经过高斯滤波、Ｒadon变换、Hough变换等边缘识别方法，能够实现图像上裂隙产状的自动识别或手动识别。对结构面识别之后，按其产状、类别（层理、节理、裂隙等）借助地质上常用的统计手段，如：赤平极射投影图、倾角示意图、频数直方图、倾向玫瑰花图等对结构面进行统计分析，分析孔内结构面的分布状况。

（二）对岩体完整性进行评价

受岩石质量设计指标（RQD）的启发，在DPBCS系统采集到的高精度钻孔图像基础上，王川婴提出了岩体完整性指标（IRMI）。它是基于数字全孔成像技术的评价，岩体完整性的新概念，定义为全孔孔壁图像中岩体完整特征（I）与计算孔壁岩体长度（即I与F之和）之比的百分数（如图1所示），其中：I一所有的相邻节理裂隙或结构面或破碎带边界之间大于lOcm的完整岩体长度之总和；F一所有的相邻节理裂隙之间小于lOcm岩体长度或破碎带宽度或结构面隙宽之总和。

图2、基于数宇图像技术掌子而地质信息利用

叶英等（2007）结合隧道工程的实际情况，利用数字图像处理技术代替地质素描图，利用图像处理的模式识别技术代替专业人员对隧道掌子面岩体节理、裂隙、层理等微构造发育情况的分析认识。结合隧道工程的实际情况研究了隧道围岩可视化分析预报技术和岩体结构图像模式识别技术。通过两项技术的研究，实现了对隧道开挖后围岩地质情况的超前地质预报和围岩分类信息的进一步细化认识。施工中岩石隧道掌子面附近光照条件较差，空气中粉尘含量较高。由于可见光波长远小于粉尘颗粒，无法穿透粉尘，靠可见光成像的传统照相技术难以得到清晰的掌子面照片。红外线波长接近粉尘直径，具有较强的穿透能力，因此红外照相技术能够透过一定粉尘、烟雾，并获得清晰的掌子面照片。

周春霖等（2008）将红外照相技术引入新奥法隧道掌子面照相中，通过理论分析和现场试验证明了该方法的可行性和优越性；分析了掌子面红外相片的特点，并针对其特点提出“去噪一均衡化一阀值分割”的图像处理步骤，采用霍夫变换对闭值分割所得图像进行线性特征识别，得出识别结果并通过比较证明其正确性。

冷彪（2009）开发了隧道掌子面地质信息系统（TFGIS），该系统提高了地质素描速度和精度实现了对隧道掌子面岩体的自动分析和评价功能，可自动判别不同隧道掌子面岩体的岩性。系统能建立隧道己开挖部分的三维地质结构模型，并预测隧道掌子面前方未开挖部分的三维地质结构，实现了隧道地质结构的可视化。

结语

数字图像处理技术在岩土工程测试领域已经有了很大的发展，成为了连接岩土工程与电子信息技术的一座重要桥梁，被广泛用于岩土体力学性质分析、岩土室内试验测量、现场勘察及地质信息分析等领域，并为岩土工程测试向自动、快速、高精、动态的方向发展提供了强大的推动力。

参考文献：

[1]刘永禄.数字图像测量技术在岩土工程试验中的应用研究[D].大连理工大学，2008.

[2]祝志恒.数字图像处理技术在岩土工程测试领域的应用与发展[J].广东公路交通，2014，04：71-76.

[3]徐文杰，岳中琦，胡瑞林.基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展[J].工程地质学报，2007，03：289-313