基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

第２９卷第１期

２０１０年１ｒ】

Ｃｈｉｎｅｓｅ

岩石力学与工程学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ

Ｉ＿

Ｖ０１．２９Ｎｏ．１

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｊａｎ．，２０１０

基于数码图像土石混合体结构建模及其力学

结构效应的数值分析

廖秋林１～，李晓１，朱万成３，ＬＩＵ

（１．中国科学院地质与地球物理研究所，北京

３．东北大学，辽宁沈阳

Ｊｉｓｈａｎ４

１０００８８：

１０００２９：２．北京城建集团有限责任公司，北京

１１０００６．４．西澳大学，澳大利亚佩斯６００９）

摘要：基于数码成像原理分析，利用土石混合体中块石与土体颜色属性的巨大差异，提出基于数码图像的土石混合体结构模型自动生成方法，并开发相应程序，以最直接、快捷、准确地反映土石混合体的空间结构。在此基础上，利用有限元数值模拟技术分析土石混合体的力学结构效应，也即在单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著，试样内应力的分布基本受块石的分布与形状控制。研究结果可为工程提供一定的参考。

关键词。土力学；土石混合体；数码图像；结构模型；力学结构效应中图分类号：Ｔｕ

４１

文献标识码：Ａ文章编号ｌ１００ｔ）一６９１５（２０１０）０１—０１５５—０８

ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ

ＭｏＤＥＬＣｏＮＳＴＲＵＣＴＩｏＮｏＦＲｏＣＫＡＮＤＳｏＩＬ

ＡＧＧＲＥＧ』钢ｒＥＢＡＳＥＤｏＮＤＩＧＩＴＡＬ

ＩＭＡＧＥＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹＡＮＤ

ＩＴＳ

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩｏＮ

ＬＩＡＯ

ｏＮ

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ

ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＥＦＦＥＣＴＳ

Ｑｉｕｌｉｎｌ～，ＬＩＸｉａ０１，ＺＨＵＷａｎｃｈｅｎ９３，ＬＩＵ

Ｊｉｓｈａｎ４

（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅ∥＇ｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ：２．ＢｅｉｊｉｎｇＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐ

Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ：３．ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ

Ａｕｓｔｒａｌｉａ，Ｐｅｒｔｈ

１１０００６，Ｃｈｉｎａ：４．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＷｅｓｔｅｒｎ

６００９，Ａｕｓｔｒａｌｉａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｗｈｉｃｈｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｂｙｌａｔｔｉｃｅｄａｔａｐｒｏｖｉｄｅｓｍｏｄｅｌｏｆｒｏｃｋａｎｄｓｏｉｌ

ｃｏｎｔｒａｓｔ

ａ

ｇｏｏｄｂａｓｅｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ａｇｇｒｅｇａｔｅ（ＲＳＡ）ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｃｏｌｏｒ

ｂｅｔｗｅｅｎｒｏｃｋａｎｄｓｏｉｌ

ｏｎ

ｉｎＲＳＡｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎａｕｔｏ－ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＲＳＡｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｉｓ

ｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄ

ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｔｏｅｘｐｒｅｓｓｓｐａｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＲＳＡｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｃｏｌｏｒｓ

ｂｅｔｗｅｅｎｒｏｉｌｓ

ａ

ａｎｄｒｏｃｋｂｌｏｃｋｓ

ａｒｅ

ｔｒａｎｓｆｅｆｒｅｄｉｎｔｏｄｉｇｉｔａｌｍｏｄｅ，ａｎｄｅａｃｈｐｉｘｅｌｉｎｔｈｅｉｍａｇｅ

ｏｆＲＳＡｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙ

ｄｉｇｉｔａｌｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｆｏｒｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｔｈａｔ

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Ｃａｎ

ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｒｏｃｋ

ｂｌｏｃｋｐｉｘｅｌｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇＲＧＢｖａｌｕｅｓｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ＨＩＳｖａｌｕｅｓｏｆＲＳＡｉｍａｇｅｓ．ＳｏｅａｃｈｐｉｘｅｌｉＳｓｅｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ；ａｎｄ

ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＲＳＡｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ

ｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｏｆＲＳＡｉＳｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＩｔｉＳｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｏｆｒｏｃｋ

ｃａｕｓｅ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＲＳＡｗｉｌｌＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌｅｆｆｅｃｔｓ

ａｎ

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ｓｏｉｌ

ｏｎ

ＲＳＡｕｎｄｅｒｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．

ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｒｏｃｋａｎｄ

ａｇｇｒｅｇａｔｅ（ＲＳＡ）；ｄｉｇｉｔａｌ

ｉｍａｇｅ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｍｏｄｅｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

收藕日期Ｉ２００９—０２—２２：ｌｉｔ回日期ｌ

２００９—１２—０７

基金项目ｔ国家重点基础研究发展规划（９７３）项Ｉ；１（２００９ＣＢ７２４６０５，２０１０ＣＢ７３１５０１）；国家科技支撑计划项Ｈ（２００８ＢＡＪ０６８０２—２）；中国科学院知识创新ｆ：程重要方向项日（ｇＪＣＸ３一ＳＷ—ＬＩ）

作者简介 廖秋林（１９７７一），男，博士，２０００年毕业于兰州大学地质工程专业，主要从事地质灾害、地铁、隧道等岩土方面的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｕｌｉｎｌｉａｏ＠ｙａｈｏｏ Ｃ０１．ｅｌｌ

万方数据　

１５６

岩石力学与工程学报２０１０危

１

引言

岩土体的力学特性不仅取决于其材料特性，更多受控于其内部结构。岩土数值模拟研究开展以来，对于连续、均质岩土介质模型以及考虑断层、节理与岩层层面的工程尺度模型的建立已形成一套成熟的建模方法…，如ＡＮＳＹＳ，ＡＤＩＮＡ和ＦＬＡＣ等许多有限元或有限差分程序的前处理。但对于高非均质、非均匀的介质，其结构模型的建立仍是一个新课题。土石混合体由于含有不同大小、不同种类、不同数量的砾石块体而具有典型的非均质、不连续性，通过对岩土介质体测量得到的几何信息提取来建立模型基本不可能。

土石混合体具有典型的非均匀、非均质和非连续等结构特征，通常的数值分析中难以通过常规方法建立反映土石混合体力学性质的结构模型。而数码图像以点阵数字的形式记录实体信息，无疑为这一问题的解决提供了一个有利平台。近年来，在土石混合体二维几何模型与数值模型的研究也取得了许多进展。ｘ．“等１２￣４Ｊ运用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ原理模拟块石在土石混合体中的分布特征，包括块石的空间位置、含量、大小、形状和方位等，建立了土石混合体的随机结构模型。油新华等［５－８】提出了利用数码摄像、自动图像识别和计算机数值仿真技术，建立土石混合体的精细结构力学模型的方法。Ｚ．Ｑ．Ｙｕｅ等１９￣１５Ｊ则通过对土石混合体的数码照片进行灰度处理、增加对比度和除噪等技术处理，建立了土石混合体的平面几何模型，体现了其复杂的细观结构特点。这些方法在一定程度上推动土石混合体结构模型的建立与数值分析的研究。

随着计算机技术与图像技术的迅速发展，数码照相可以很容易地获取其数字化信息，包括几何、物质材料属性等。作者曾对很多剖面不同种类的土石混合体进行了数码照相，以此记录土石混合体的结构特点。这些数码图像主要是以不同的颜色、亮度、对比度等指标来表示土石混合体中不同块石、土体的不同颜色属性，从而表达了土石混合体中不同物质材料的物理属性及结构信息等。因此，可根据图像的各种指标进行土石混合体中不同目标物理力学属性的赋值，从而建立土石混合体的结构模型。

基于数码图像数字成像的基本原理，本文进行了基于数码图像的土石混合体结构模型自动生成方法的探索，并建立了土石混合体的力学结构模型。

万　

方数据在此基础上，利用有限元数值模拟技术分析了土石

混合体的力学结构效应。

２数码图像数字成像原理

数码图像通常以矩阵列图像单元或像素（ｐｉｘｅｌｓ）组成，而每个像素又通过被给定不同值的各种指标表示物体的图像信息，如颜色、亮度和对比度等。因此，数码图像包含了丰富的数字信息，通常用以下２种颜色格式进行描述——－ＲＧＢ和ＨＳＩ。ＲＧＢ格式是应用最为普遍的颜色格式，数码相机照出的照片一般是以ＲＧＢ格式存贮。ＲＧＢ格式图像中，每个像素都是正方形的且被给定３个整数值，分别表示红、绿、蓝（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ）。因此，这些图像的数据信息可以由３个离散函数．疋（厶，）来表示：

ｆ（１，ｎ

ｆ（１，２）ｆ（１，Ｍ１五＠／）＝

ｆ（２，１）ｆ（２，２１ｆ（２，Ｍ１ｆ（Ｎ，１１

ｆ（Ｎ，２、

ｆ（Ｎ，Ｍ、

（ｆ

２

ｌ，２，３，…，＾７；．，２１，２，…，ｋ２

１，２，３）

（１）

式中：膨与Ⅳ分别为图像中水平与垂直方向的像素

数量。

式（１）中的ｆ，，，ｋ分别代表红、绿、蓝３种颜色。在ＲＧＢ格式图像中，这３个函数分别准确表达了图像中各像素红、绿、蓝的色彩度。通常ＲＧＢ图像的颜色区域可以用笛卡儿坐标系的彩色立方体来表示，ｚ，Ｙ和ｚ三个轴分别代表Ｒ，Ｇ和Ｂ三种颜色。对于常用的８位色图像，每个轴的取值范围为［０－－一２５５］。在该彩色立方体中，点（０，０，０）表示黑色，点（２５５，２５５，２５５）表示白色，立方体的对角线则表示各颜色的亮度值或灰度值，如图１（ａ）所示（Ｂｌ为蓝色，Ｂ２为黑色，形为白色，Ｇ为绿色，Ｒ为红色，Ｃ为深蓝色，】，为黄色，Ｍ为洋红色）。许多程序，如ＶｉｓｕａｌＣ＋＋和ＭＡＴＬＡＢ等，已经开发了可以从Ｂｉｔｍａｐ和ＪＰＥＧ格式图像中直接获取红绿蓝值的函数五Ｇ力，这也是本文的一个重要平台。

ＨＳＩ格式图像也是最为普遍应用的格式之一。ＨＳＩ格式图像中，日，Ｓ和，分别是色调、颜色饱和度与强度。其中，色调Ⅳ可看作是从棱镜分出来的颜色；饱和度Ｓ和强度，则作为调节色调的基本手段，分别表示相对白色的对比度和与颜色无关的亮度。图像的这种显示格式可以更直观的选择适合的颜色，有效地区分图像内之间颜色差异。通常ＨＩＳ

第２９卷第ｌ期

廖秋林，等．基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

（ｂ）ＨＳＩ颜色空间

图１

ＲＧＢ与ＨＩＳ图像格式的颜色域，

Ｆｉｇ．１

ＣｏｌｏｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＨＩＳｆｏｒｍａｔｗｉｔｈ

３Ｂ

图像的颜色区域用柱坐标系（劬，．，力中圆柱体表示，

如图ｌ（ｂ）所示。该柱坐标系中，角度坐标减示不

同颜色的色调，取值范围为［ＯＯ＂一３６０。】；并假定起点０。位置为红色，而逆时针方向１２０。和２４０。分别是绿色和蓝色。半径坐标，．表示颜色饱和度Ｓ，自圆柱体中心向其外边界Ｓ值由０％逐渐增加到１００％。柱坐标ｚ是圆柱体中轴线的高度值，表示该颜色域中亮度，其取值从原点到圆柱顶部为［０～１】。当图像亮度值为０时，整个图像显示为黑色；当亮度值达到１时，图像几乎全为白色。

根据以上分析，ＲＧＢ格式图像中像素Ｒ，Ｇ和Ｂ三种颜色值以及ＨＳＩ格式图像中像素的日，Ｓ和，值等均可作为区分图像中不同物质的颜色指标。其中，ＨＳＩ格式图像的各指标计算较为复杂，但大多还是根据ＲＧＢ格式图像中的Ｒ，Ｇ和Ｂ值换算，本文中选用了下面的关系式：

ＣＯＳ－ｊ

Ｉ』墅旦些兰垒）＿一ｌ２４（Ｒ—Ｇ）２＋（Ｒ—Ｂ）（Ｇ—Ｂ）ｌ

Ｈ＝

ｒ－

１

（２）

２…ｏｓ一１｜－衰篇篇怎ｊ

万　

方数据Ｓ＝１一ｉｊ，＿ｉｍｉｎ（Ｒ，Ｇ，口）

尺＋Ｇ＋Ｂ

（３）

、７

Ｊ：—Ｒ＋Ｇ—＋Ｂ

，＝一

（４１

‘‘．Ｉ

３

式中：ｍｉｎ（Ｒ，Ｇ，艿）为一个判断函数，用以找出每个像素的Ｒ，Ｇ和曰值的最小值。

式（２）中，要求Ｒ≠Ｇ或Ｒ≠Ｂ，且Ⅳ值的取值范围也由【０。～３６０。］标准化为［０，ｌ】。式（３），（４）中Ｓ和，值的区间也为【０，ｌ】。

３数码图像建模分析与流程

根据以上数码图像数字成像原理，不同属性的物质在数码图像中对应像素的各图像指标一般有不同值。由于土石混合体中块石与土具有较为明显的物质差异，本节在详细分析土石混合体数码图像数字信息的存贮方式的基础上，实现其结构模型的自

动生成。

３．１土石混合体图像数据存贮

图２为土石混合体数码图像及其局部放大图。该图像清晰地表明，土石混合体中土与块石在图像信息上对比较为明显。根据节２关于数码图像成像原理的分析，图像是以阵列式的矩阵数字表达图像信息；针对土石混合体照片中块石与土体的图像数字信息是否也有显著的差异这一问题，作者应用Ｍａｔｌａｂ中已有的获取红绿蓝值的函数．疋（ｆ，，）对图２进行了其图像红、绿、蓝值俾，Ｇ，Ｂ）的分析；同时，也详细、具体地阐述了数码图像数字表达的原理。鉴于图２反映的土石混合体中数字信息很多，本文只取能代表块石与土的图像局部区域进行分析，即图２右侧放大的１３帧ｘ１０帧区域。

图２土石混合体数码图像及其局部放大图

Ｆｉｇ．２

ＤｉｇｉｔａｌｍａｐｏｆＲＳＡａｎｄｉｔｓ

ｍａｇｎｉｆｉｅｄｐａｒｔ

表１～３给出了研究的土石混合体局部区域的

篇拦～

薰

幕

表２土石混合体试样图像局部Ｇ值

Ｔａｂｌｅ２ＴｈｅｖａｌｕｅｓｏｆＧｆｏｒ

ａ

ｐａｒｔｏｆＲＳＡｓａｍｐｌｅｓ

ｔ

ｆ＝ｌｉ＝２ｆ＝３ｉ＝４ｆ＝５ｆ＝６ｆ＝７ｉ＝８ｆ＝９ｆ＝０ｆ＝ｌｌｉ；１２ｉ＝１３

表３土石混合体试样图像局部Ｂ值

Ｔａｂｌｅ３

Ｔｈｅ

ｖａｌｕｅｓｏｆＢｆｏｒａ

ｐａｒｔｏｆＲＳＡｓａｍｐｌｅｓ

ｋｆ＝ｌｆ＝２ｆ＝３ｆ＝４ｆ＝５ｆ；６ｉ＝７ｉ＝８ｆ＝９ｆ＝０ｆ＝ｌｌｊ＝１２ｆ；１３

ｌ１５３１５４

１６０１５８

１４５１３ｌ１２５１３７

１４０１２７１２４１３３１３６２１３７１３５

１３４１３ｌ

１２６１１７１３０１４１

１４７１４５１４４

１４６１４６

３１２３１２４１２２１２０１１８１１６１２５１３３

１４６１５７

１６４

１６３１５８

４１２３

１２７１３ｌ１２８１２４１２０１１９１２３１３７１５７１７０

１７３１７２５１１４１１７

１２５

１２７１２６１２４１２７１２５１３２１４５１５４

１６０１６６

６８７＊８８＊１００１１２

１２３

１３１１３ｌ

１２８

１２５１２４１２２

１２６１３３

７６６＋６７＊７８＊９１＋１０９１２５１２４１２６

１２ｌ１０７９９

１０３１０５

８６８＊６７＊７１＇７２＊８４

１００

１１７

１２６

１２４１０５

９７１００１０４

９

９３＊９２＊９０＊８４＊８４＊１０７１２３１２９１１３１０８

９９１１９１１６１０

９９＊９８＊９４＊９０＊８８＊１１１１２６

１３１

１１４

１０９

１００

１２ｌ

１２０

红、绿、蓝值（见图２右侧）。各表中的列对应该图像区域中的ｌ方向，行对应区域中的ｋ方向，表中每个数字即为图像区域中对应像素的红、绿、蓝值。

万　

方数据这也就是数码图像对于实体的数字存贮与表达形

式。将表中数据与图像局部区域对比发现，各表中左下角部分（表中带¨”数字）的位置总体上基本与图像中岩石位置对应。这表明图像中各像素的红、绿、蓝值都基本反映块石与土体颜色属性的差异，也为其结构模型的建立提供了基本数据。

另一方面，图像红、绿、蓝值在表征块石与土时与实际情况仍存在一定差异。即根据图像红、绿、蓝值差异对所选区域中块石的界定（表１～３中带有“奉”数字部分）不完全一致。究其原因，不同属性材料对红、绿、蓝颜色的体现不一致。因此有必要充分考虑不同颜色对于材料属性的表征，而ＨＩＳ图像格式就更能考虑不同颜色的影响，本文在建立土石混合体结构模型采用图像信息即为ＨＩＳ图像格式

数据，其具体内容将在后面实例分析中讨论。

此外，各表数据还表明块石与土体数据差异不是很大，这可能导致在建立整个试样的结构模型时区分土体与块石的图像指标阈值不易确定。因此有必要对土石混合体数码图像进行预处理，以放大块石与土的差异，通过Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ，Ａｄｏｂｅ

Ｐｈｏｔｏｄｅｌｕｘｅ

等图像软件修改图像的对比度和亮度以及消噪等处理。

３．２结构模型生成思路、流程与程序编制

通过前面的分析，可以从数码照片中提取能区分土石混合体中块石与土的图像数字信息。将这些信息用于实体数值结构建模方面，这是一个信息传递的问题。

由于图像像素是正方形的，而实体数值结构模型建立时单元的形状、尺寸是可以设定的，如三角形、四边形等（二维问题）。因此，可以在建立结构

模型时将其单元设定为正方形，并与图像像素一一对应起来；其单元尺寸大小并不必须与像素大小完

全一致，但各个单元的尺寸必须完全一致。这样就

可以将图像像素的信息逐一传递给结构模型的各个单元，再根据这些单元信息区分模型不同的材料。因此，总体上基于数码图像土石混合体结构模型的自动生成可以概括成图３的流程图：

（１）数码照片获取。尽可能以高分辨率采集土石混合体图像，拍摄前一定将浮土等影响图像真实、清晰的物质清除。

（２）预处理。受野外光线等影响，土石混合体实测数码照片一般需要预处理以获得更好的图像信息并加大图像中块石与土的对比度。一般是通过图

第２９卷第１期

廖秋林，等．基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

１５９

数码图像

圜鏖匣ｌ堡竺兰

。。＿——‘＿－＿——

陌司｛匝鲷

Ｉ

坌堑

；臣巫奉圃ｊ垦圃莲

ｌ

＝剖

数值结构模型建屯

图３

基于数码图像土石混合体结构模型自动生成流程图

Ｆｉｇ．３

ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＲＳＡｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｄｉｇｉｔａｌ

ｉｍａｇｅ

像软件根据块石的边界进行修改，包括图像的对比度和亮度以及消噪等处理。

（３）提取数据。将待研究土石混合体数码照片导入程序，并计算图像各像素ＲＧＢ与ＨＳＩ格式的各图像指标值，即尺，Ｇ和Ｂ值及日，Ｓ和，值。

（４）信息传递。将图像像素与模型单元一一对应起来，并把图像信息传递到对应单元。

（５）指标比选。将各指标（即Ｒ，Ｇ和Ｂ值以及以断面曲线或平面等值线等图像形式表达，并分别将之与图式混合体数码图片的断面或平面图对比。通过对比，确定某个图像指标的某一范围最能反映原数码照片中的土体或块石，即以该图像指标的这一范围作为待建立模型中相应土体或块石的阈值。再以此法确定土石混合体中其他土体或块石，直至全部图像区域均被表达。一般地，土石混合体中包括土体和块石２种图像区域，即通过前述对比确定某个图像指标的某一范围为块石，该指标的其他范围即为土体；反之亦然。

（６）模型建立。根据选定的指标及其阈值（或区间）建模，进行土与块石的各物理力学参数的赋值，并根据块石像素数量与图像总像素数量之比计算土石混合体数码照片的含石量。

根据以上对土石混合体结构模型自动生成思路与流程的分析，基于Ｍａｔｌａｂ软件中直接获取ＪＰＥＧ格式图像红绿蓝值的函数正（ｆ，Ｊ），在Ｍａｔｌａｂ平台下开发基于数码图像土石混合体自动建模程序ＤＩＢ．１＇ｓａ，限于篇幅其代码在本文略去。

万　

方数据４基于数码图像建模实例分析

以上从理论知识准备、原理以及技术实现等方面探讨了基于数码图像土石混合体结构模型的建立。以野外土石混合体的实际数码图像为例，进行

其结构模型的建立。如图２所示，试样大小为６０

ｃｍｘ６０

ｃｍ，对应图像像素为３００帧ｘ３００帧。试样

中块石多为石英或石英砂岩，土体充填物为红色的中～粗颗粒的砂土，固结好且密实。图中清晰表明，块石与土体颜色差异较为显著。４．１图像数据获取与分析

根据ＤＩＢ．ｒｓａ程序，可以得到土石混合体试样图像Ｒ，Ｇ和Ｂ值，均为３００ｘ３００阶的矩阵，这也

是待分析２个试样的基本图像数字信息。考虑到该矩阵数据量太大，因此本文不给出其详细数据。同时，该程序还计算并给出了试样图像的日，，和Ｓ值，本文以各指标空间分布图形式表示，如图４所示。为了更清晰显示图像对土石混合体中块石与土差异的数字体现，本文还沿试样指定断面绘制了图像日，，和Ｓ值变化与块石和土的实际分布对比分

（ｂ），＝０．３ｎｌ处日值与块石分布对比

日，Ｓ和，值等不同图像信息）在图像域中值的分布

１６０

岩石力学与工程学报２０１０焦

（ｆ）Ｙ＝０．３ｍ处Ｓ值与块石分布对比

图４试样图像ＨＩＳ值及其指标分析对比图

Ｆｉｇ．４

ＴｈｅｖａｌｕｅｏｆＨＩＳａｎｄｉｔｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅ

ｉｎＲＳＡｓａｍｐｌｅ

万　

方数据析图，这也为其结构模型建立所需指标及其阈值的选定提供更直观的依据。

试样中，图像日，Ｊ与Ｓ值分布都很好地反映了块石与土体在试样中的空间分布，如图４（ａ），（ｃ），（ｅ）所示；而试样中部Ｙ＝０．３ｍ处日，，与Ｓ值与其块石实际分布对比也均显示了土体与块石具有明显

不同的凰』与Ｓ值。将图们），（ｄ），（ｆ）所示的Ｈ，，

与Ｓ值与块石实际分布对比，并考虑到块石与土接触界面的岩石颜色的弱化，则可得到该试样最后取Ｈ≤０．８为块石、其余都为土作为该试样结构模型建立的基本指标。根据ＤＩＢ—ｒｓａ程序对块石图像像素数的计算，可得Ｒｎ＝１６５８３，即该试样体积含石量为１８．５％。

根据土石混合体实体图像，试样中块石与土颜色差异看似基本一致，但图像数据分析显示其日，，与Ｓ值还是存在较大差异。这一方面表明数码图像对实体信息的精确表达，即使实体很小的图像差异也能别区别；同时也说明在进行基于数码图像建模时，要慎霞选用图像指标、准确确定其阈值。４．２结构模型建立

根据２个土石混合体试样的图像指标及其阈值，直接生成土石混合体的几何模型与网格模型，试样几何模型与网格模型如图５所示。

图５试样几何模型与网格模型

Ｆｉｇ．５

Ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ

ａｎｄｍｅｓｈｍｏｄｅｌ

ｏｆＲＳＡｓａｍｐｌｅ

通过将生成的数值模型与实际数码图像对比发现，数值模型基本真实、准确反映了土石混合体中块石与土体的实际分布特点。这也表明本文提出的基于数码图像的土石混合体结构模型建立的方法与程序可行、有效。

需要指出，数值模型在块石与土体接触边界上与实体有一些出入。究其原因，一方面受计算机技

术限制，单元精度不够，即图像像素虽可以达到５００万，甚至更多，但数值模型中单元数仍是有限的；另一方面，块石与土体颜色差异在接触边界上过渡

大多是连续的，块石边界一定程度被弱化了，块石

第２９卷第ｌ期廖秋林，等．基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

１６１．

与土体差异并不十分显著。

５力学结构效应的数值分析

为了分析土石混合体这类特殊的地质体的力学结构效应，本文运用有限元方法对上述建立的结构模型进行了单轴压缩试验模拟。

试样单轴压缩试验的模拟边界约束与加载条件如图６所示，试样加载分别采用了等位移加载，仉＝

０．０１

ｍｍ／步。计算中，土石混合体块石与土物理力

学参数如表４所示。

卜—型业叫

图６试样加载示意图

Ｆｉｇ．６

Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｍｏｄｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｓａｍｐｌｅ

表４土石混合体块石与土物理力学参数

Ｔａｂｌｅ４

Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｂｌｏｃｋａｎｄｓｏｉｌ

ｉｎＲＳＡ

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２７００

４０００

０．２５

０．６０

４０

０．５０

图７给出了位移加载累计值为０．００１，０．００３和

０．００５

ｍ时试样中部和顶部加载方向应力分布与块

石分布的对比图（正轴代表为压应力）。图７清晰地表明，单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著，试样内应力的分布（尤其是应力集中）基本受块石的分布与形状控制。土石混合体应力分布反映的结构力学效应主要体现在以下几方面：

（１）单轴加载引起的应力集中基本出现在块石区域，也即块石在试样加载下的应力场中起着骨架作用，承担了相当大的应力。这也是土石混合体强度上明显优于土体的根本原因所在。试样应力分布（尤其是应力集中）以压应力为主；局部区域出现拉应力。试样是在单轴压载作用下产生应力变化，整体

万　

方数据（ｂ）试样顶部应力分布与块石分布对比图

图７试样中部、顶部应力分布与块石分布对比图

Ｆｉｇ．７

Ｃｕｒｖｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｏｆｒｏｃｋｂｌｏｃｋ

ａｎｄｓｔｒｅｓｓａｔｔｈｅ

ｍｉｄｄｌｅａｎｄｔｏｐｉｎＲＳＡｓａｍｐｌｅｓ

上以压应力为主，由于块石的弹性模量远高于土体，容易形成应力集中，因此压应力集中均在块石区域，且多为块石中部区域。对于拉应力集中区域的出现可分别分析如下：图７（ａ）两处出现拉应力应为块石

之间咬合效应引起应力分布特点；图７（ｂ）中出现拉应力为土体单元中，力学机制应为土体在压载作用下遇到块石压缩变形受阻，块石两侧土体继续压缩变形，压缩变形的差异导致在块石上方出现拉裂变形引起拉应力集中。

（２）在土体与块石接触界面附近土体与块石单元的应力较低，尤其是土体单元，这是一个敏感的应力转折点。据分析，由于土体与块石弹性模量差异很大，变形沿软硬接触带出现较大错动与变形，从而导致该区域应力降低。

（３）随位移加载增加，试样整体应力逐渐增加，应力集中的块石单元应力增加更明显。图７中３个位移加载条件下，试样中部与顶部的应力均不同程

度增加，应力集中处的增幅更大些。

１６２

岩石力学与工程学报

２０１０笠

应该指出，尽管应力集中都出现在块石中，但由于块石强度远高于土体，试样破坏基本不发生在块石中；而块石与土体接触带也是应力由高向低急剧变化的区域，这可能成为试样变形、破坏的关键部位。

显然，块石形状及其在试样中的分布对土石混合体内应力的分布具有控制作用。而在载荷作用下土石混合体内应力分布的这一特征也表明其材料特性与土体存在巨大差异；也证实了块石的应力大大高于土体，并可能导致块石的移动、转动等是土石混合体力学响应的一个重要机制。

６结论

鉴于土石混合体具有典型的非均匀、非均质和非连续等结构特征，本文基于数码图像实现了这种特殊地质材料结构模型的建立，并利用有限元数值模拟技术分析了土石混合体的力学结构效应：

（１）数码图像信息以点阵的数字形式储存实体信息，存储格式主要有ＲＧＢ和ＨＩＳ两种，而这些信息可以由Ｍａｔｌａｂ等程序很容易提取。

（２）土石混合体实际数码图像分析表明，土石混合体中块石与土体在颜色属性上具有较为显著的差异，其颜色信息可以作为区分物质成分的指标。

（３）根据数码图像信息存储原理与土石混合体中块石与土体颜色差异，提出了基于数码图像的土石混合体结构模型的自动生成思路，并通过编制程序实现；实例应用表明该方法可行、有效。

此外，有限元方法对上述建立的结构模型进行了单轴压缩试验模拟表明，单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著，试样内应力的分布（尤其是应力集中）基本受块石的分布与形状控制。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

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基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

作者：作者单位：

廖秋林， 李晓， 朱万成， LIU Jishan， LIAO Qiulin， LI Xiao， ZHU Wancheng，LIU Jishan

廖秋林,LIAO Qiulin(中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029;北京城建集团有限责任公司,北京,100088)， 李晓,LI Xiao(中国科学院,地质与地球物理研究所,北京,100029)， 朱万成,ZHU Wancheng(东北大学,辽宁,沈阳,110006)， LIU Jishan,LIUJishan(西澳大学,澳大利亚,佩斯,6009)

岩石力学与工程学报

CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2010,29(1)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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本文链接：/Periodical_yslxygcxb201001020.aspx

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