一种土体微观结构特征三维数字化方法

本发明涉及数字化分析，更具体地，涉及一种土体微观结构特征三维数字化方法。

背景技术：

1、土体在宏观上表现出来的一系列物理力学性质归根结底是其内部结构要素调整和演化的综合反映，因此从细微观层面揭示土体工程特性逐渐成为土力学向纵深发展的新趋势。电镜扫描技术作为获取土体微观结构最重要的研究手段之一，近些年来，在研究土骨架颗粒的组构特征、孔隙分布特征、孔隙演化特征、微观作用机制等方面均取得了一系列的成果。

2、通过电镜扫描得到的岩土体微观结构图像蕴含了丰富的三维信息，合理地获取相关数据并建立微观结构特征与宏观力学性质的关系一直是研究的重点和难点。土体三维微观结构数字化分析是指基于图像处理等手段将二维图片几何信息进行可识别数据转换，并通过立体视觉可视化算法建立三维立体计算模型，在此基础上进行数值分析的过程。与二维图像相比，数字化分析能更加直观地展现土体微观结构、精确获取微观结构参数。

3、许多学者针对sem图像在三维孔隙比计算、三维分形维数计算、可视化定性分析方面取得了一定的进展。然而，由于所提出方法的局限性，众多学者研究内容只针对某一特定结构参数，不能形象、全面、准确地反映土体微观结构特征。数字图像处理技术(digitalimage processing，dip)的蓬勃发展为定量表征土体微观结构、建立能真实反映岩土细微观结构的计算网格提供良好的技术支持。

4、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种土体微观结构特征三维数字化方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种土体微观结构特征三维数字化方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、采集sem图像，并基于sem图像构建土体微观结构的可视化三维模型；

5、s2、利用grasshopper平台对土体微观结构进行数字化处理，并结合土体微观结构参数对土体微观结构进行特征分析。

6、可选地，所述采集sem图像，并基于sem图像构建土体微观结构的可视化三维模型包括以下步骤：

7、s11、采集sem图像，并对sem图片进行预处理；

8、s12、基于预处理后的sem图片，构建土颗粒网格；

9、s13、将土颗粒网格转化为nurbs数字化曲面，并将nurbs数字化曲面向下拓展成实体；

10、s14、对拓展后的实体进行分割，分别得到土颗粒结构的三维模型及土体孔隙结构的三维模型。

11、可选地，所述基于预处理后的sem图片，构建土颗粒网格包括以下步骤：

12、s121、利用rhino软件指定土颗粒网格的基底形状和大小，并将基底矩形与工作平面平行；

13、s122、根据实际电镜观测土颗粒范围，调整基底矩形的大小和位置，使其适应所选取的土颗粒范围；

14、s123、基于土颗粒范围，利用rhino软件生成土颗粒网格。

15、可选地，所述对拓展后的实体进行分割，分别得到土颗粒结构的三维模型及土体孔隙结构的三维模型包括以下步骤：

16、s141、以曲面y轴方向最低高程为基准面建立平面，并对拓展后的实体进行切割，将得到的上部实体作为土颗粒结构的三维模型；

17、s142、以曲面y轴方向最高高程为基准面建立方形实体，并对其进行分割，将得到的上部实体作为土体孔隙结构的三维模型。

18、可选地，所述利用grasshopper平台对土体微观结构进行数字化处理，并结合土体微观结构参数对土体微观结构进行特征分析包括以下步骤：

19、s21、将土颗粒网格导入grasshopper平台中，并利用bison插件进行网格优化；

20、s22、利用grasshopper平台对优化后的网格进行节点式可视化编程，形成不同的分析逻辑流程；

21、s23、基于不同的分析逻辑流程，得到相应的土体微观结构参数，并结合土体微观结构参数对土体微观结构特征进行分析；

22、其中，所述土体微观结构参数包括土颗粒表面相对粗糙度、土颗粒表面凹凸度、土颗粒定向频率、三维孔隙比、土颗粒的三维分形维数及土体孔隙结构的三维分形维数。

23、可选地，所述三维孔隙比的分析逻辑流程包括以下步骤：

24、利用bison插件对优化后的网格进行配置，得到土颗粒高程计算云图；

25、基于土颗粒高程计算云图，分别获取土孔隙体积及土颗粒隙体积；

26、将土孔隙体积及土颗粒隙体积代入三维孔隙比的计算公式中，得到三维孔隙比。

27、可选地，所述土颗粒的三维分形维数的分析逻辑流程包括以下步骤：

28、利用rhino软件对土颗粒结构的三维模型进行切割，将每个区域里面分成单独的实体模型，并生成每组土颗粒的表面积和体积；

29、将每组土颗粒的表面积和体积代入三维分形维数计算公式中得到lgv-lga双对数曲线；

30、若绘制的曲线在双对数坐标系中具有明显的线性关系，则得到土颗粒的三维分形维数。

31、可选地，所述土颗粒表面相对粗糙度表示土体微观结构表面粗糙凸起高度与内直径的比值；

32、所述土颗粒表面凹凸度表示土颗粒三维表面相邻凸起与凹入深度的最大值的比值；

33、所述土颗粒定向频率表示土颗粒结构单元排列的混乱程度。

34、可选地，所述三维分形维数的计算公式为：

35、

36、式中，v表示分割区域内的土颗粒隙体积；

37、a表示分割区域内的土颗粒表面积；

38、a0表示常数；

39、d表示三维分形维数。

40、可选地，所述三维孔隙比的计算公式为：

41、e＝vv/vs

42、式中，vv表示土孔隙体积；

43、vs表示土颗粒隙体积；

44、e表示三维孔隙比。

45、本发明的有益效果为：

46、1、本发明通过提取sem图像控制点数据，并利用nurbs曲面构建基于sem图像的三维可视化模型，以数字化的方式将所有曲面通过数学计算准确定义，可以精确地提取图像丰富的信息，直观再现土颗粒表面形貌特征，其获得的信息量远远超过二维图像本身。

47、2、本发明能够通过grasshopper参数化平台利用逻辑编程语言进行二次开发，构建了土体微观结构分析方法，给出了土颗粒表面粗糙度、表面凹凸度、定向频率、孔隙数目、三维孔隙比及三维分形维数等土体微观结构参数的计算方法与流程，具有可视化程度、自动化程度和计算精度高等优点。

48、3、本发明通过开展土工试验、二值化分析等对比试验，证明了利用数字化技术获取sem图像信息分析土体微观结构特征的合理性，避免了由于阈值选择造成的不确定性误差，在计算孔隙数目、三维孔隙比、三维分形维数等方面具有显著优越性。