从国内外研究动态看数字图像技术在工程材料检测方面的应用

曹路

【摘要】随着计算机硬件技术和数字图像理论的不断进步， 数字图像处理技术（简称DIP）为各种自然、非自然材料研究提供了一种前所未有的实用技术，数字图像的理论日益成熟、微观数字图像采集水平的快速提升，都使得DIP技术更加广泛深入地应用到工程材料的试验、研制、检测作业中。

【关键词】工程材料检测;研究动态;数字图像技术

DIP是一门大杂烩的边缘性学科，将信号处理、数学、体视学、模式识别、人工智能等学科融为一体。并引入各大领域，如生物医学、航空航天以及各种无损检测技术等不同的科学领域。DIP也为测量和表述岩土内部微观的各种介质的空间分布情况提供了可行之处，能够方便人们了解岩土微观材料的非均质性和岩土的微观结构特征，并为认识岩土微观材料各组分的形态特征以及相对应的力学特征提供了有效的途径。在同一地点的地质结构无差异的情况下岩体内外的裂缝特征几乎一样，为解决难以获取岩体内部数据这一难题，通常有从岩体内部和表面两种方式获得裂隙的数据信息，一般是利用皮尺和罗盘等传统测量工具对岩体表面裂隙特征进行测量，这种依赖人工逐一测量而"获得数据的方式尽管简单易行但效率低下，受外界条件限制较多，但测量对象在险峻的陡坡上时，測量工作就难以进行。借助先进的数字图像存储设备，现场拍摄裂隙特征，运用DIP分析处理所采集到的裂隙数据，最后提取有参考价值的信息，与传统的测量方法相比，这种测量方式可降低测量难度，有效的避免外界条件对测量结果的影响，并且有很高的测量效率，既经济又简单，最重要的是通过图像采集所获得的信息量大，符合岩体裂隙的各种研究中的数据要求。

目前国外有关数字图像技术的动态是：国内岳中琦等专家在研究岩土的内部细观结构时，提出可利用数字图像处理的理论对其进行定量分析。这个方法是从水平和垂直的两个方向切割混凝土试件，对试件被切割后会产生横向截面和纵向截面进行照相记录。再利用数字图像处理技术对颗粒直径超过2毫米的集料粒度，并对其粒度分布、几何形状特征、集料定向性以及颗粒的空间分布情况进行定量分析并作以总结，该研究表明采集的试件沥青混凝土骨料在不同的方向上着很大区别：与沥青混凝土碾压而形成的过程一致，该混凝土骨料在垂直剖面上的排列会小于在水平剖面上的情况，可得出沥青混凝土骨料主要是水平剖面排列分布;旋转碾压方法能够模拟现场铺设过程，并且可以取得较好效果。国内还有张婧娜基于DIP技术分析了沥青混凝土在不同温度、不同形态条件下的内部细观结构组成及其的相关要素的排列情况。

李智等通过研究证明了基于DIP技术研究沥青混凝土微观颗粒组成结构的合理性。也就是以沥青混凝土的内部微观属性为出发点，继续开发和完善DIP在此类领域的技术应用。分析各种压实成型方法对混凝土试样内部结构的影响，借助数码成像技术采集混凝土的内构图像后得到混凝土试样的微观立断面，从中采集材料关键的数字信息机进行整合分析。结合实际情况，认为与实际的路面最接近的是轮碾压实及旋转压实效果。

彭勇等在DIP技术的基础上，对沥青混凝土内部骨料的均匀性进行了研究，并且提出位置偏差、数目偏差及面积比3个参数，这3个参数是在截面熵骨料布状态的基础之上提出的，然后对沥青混凝土的均匀性进行定量评价。

岳中琦等人则提出另一种理论方案，在对岩土内部微观骨料的空间几何分布特征进行分析研究中，利用数字图像测量的方法进行分析。试验结果得出，混凝土微观内部骨料的几何分布形态在水平以及深度方向上有较大差别，且混凝土试样微观骨料剖面在深度方向上的面积部分较大。试验中用使骨料主剖面趋近于大竖向分布排列的方式的方法，使混凝土受到侧方向上的振动挤压力。所以就竖向插入了混合流体内的振动棒。这样操作结果是导致混凝土试样的物理以及相关的力学方面等特性在水平和垂直方向上有所不同。

宝庭等专家在DIP之上，获得断裂面的统计特征，对水泥混凝土受损后的各种相关截面的数据进行统计分析。同时研究了岩土试样的强度及其内部骨料受损断裂比例之间联系。最后由三维级配分布推论出二维级配分布，对从二维基础上对混凝土进行数值分析奠定基础。

刘清元等将 DIP 与其它技术容合，最终提出研究各种混凝土裂痕的综合算法。这一算法的提出对该混凝土的研究有很深远的影响，该算法能够开发出很强大的用处。比如对混凝土的裂纹走向、几何尺寸如长度、宽度等的获取提供了便捷。但是算法也有待进一步完善，因为算法还不能够处理复杂的多分支细小裂纹。徐文杰等人则以由崩坡堆积而成的的岩土混合体为研究对象展开相关研究，他们先对岩土混合体的断面图像进行多维化照相采集，然后选取其中四个试样的断面图像进行DIP技术分析，对其内部块石的几何形态和分布定向性、 粒度等相关的细观结构形态进行定量研究，所得结果显示，土石混合体在形成的时候经历的位移活动相当复杂，虽然岩土混合体的内部块石杂乱无章的排列，但其依旧有着不错的统计自组织性。该试样的比例无关性也是它的一个不可忽略的特征。

目前国外有关DIP技术在工程岩土材料检测研究、应用的动态有：Tanshman 运用计算机断层扫描（CT）技术及DIP技术处理等方法，对岩土内部孔隙的分布在不同的压实方法及岩土的骨料梯度的情况下会有何种差异进行了分析研究。其研究结果表明，在水平或是垂直的方向上，压实成型（SGC）的沥青混凝土试样的内部孔隙都呈不均匀分布，然而骨料梯度对孔隙分布影响不大。该研究是通过定量分析岩土的内部骨料分布特征，再经过计算处理后可了解对其岩土内部的各向异性特征的微结构张量的具体情况，并运用到岩土的力学结构研究中，在岩土内部微观结构的基础上，对沥青混凝土进行粘塑性本构建模。

Amo等人在研究过程中，将水泥混凝土骨料显微镜图像和 DIP 技术相结合，定量分析了水泥混凝土内部矿物组成，研究得到了石英反应指数（QRI）以及QRI 可以反映碱硅酸反应试验中的特征。研究还得出，由于岩土的质变过程中会很大程度上增大石英颗粒参加反应的表面积，因此可以用这个方法来减小石英颗粒大小，从而达到增强碱反应作用的目的。

Lebourg 在运用 DIP 对 Aspe Valley 分布的冰碛物内部块石的形态及其内部结构特征的定量分析过程时，在研究冰碛物与其内部块石之间的力学形态特征参数相关性中，巧妙地运用了多维统计方法。Akesson 等人则是在DIP基础之上，借助定量显微镜的便捷之处，对瑞典某地区存在的花岗岩的细观结构特征进行了研究。包括对花岗岩的内部的矿物颗粒几何形态、叶理指数以及颗粒的空间分布等细观结构特征的研究。通过研究表明，岩石的抗磨损能力主要由内部矿物颗粒的大小来决定，岩石的力学性质受不同的矿物形状及岩土微观排列方式的影响较大，然而抗破碎能力方面受以上两因素的影响更大，但是不是决定因素。并且指出必须考虑材料内部的矿物细观结构，对其性质的影响，在此基础之上对岩石的力学性质进行分析和研究，必要时还要建立其相应的对应关系。就目前而言主要采取实验测试、数据分析、理论分析相结合的方法对岩土材料进行研究，然而这种研究方法仅适用于岩土材料性质及其相应的边界条件不太复杂时，当在处理复杂条件下的岩石材料问题时，上述方法中的理论分析过程则会显得相当复杂，甚至无法解决相关问题，此时则需要运用分析得出岩土的物理模型，并结合目前比较合适的计算机数值分析技术的方法来解决这些难题，因此这类物理模型试验方法只在大型（高难度）工程时才会采用。目前岩土工程作业中一般还是采用DIP方法，由于是使用计算机技术去处理岩土工程中的难题，而目前的计算机技术也都能为此提供较好的技术基础，所以这种方法具有运算速度相对较快、经济成本相对较低，对设备条件要求较低等优势，这种处理方法也确实能对岩土的材料结构进行比较精确的分析和计算，因此在岩土工程研究中得到了大力的推广。

参考文献：

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