基于孔隙特征的黄土微观结构分析_陈果

图像分割的目 的 是 将 孔 隙 与 骨 架 颗 粒 分 离 开 来，其 本 质是一个分类 问 题。 在 实 际 应 用 中，分 割 方 法 可 以 划 分 为 阈值型、边缘检 测 型 以 及 区 域 型 等。 对 灰 度 图 像 的 分 割 处
图１ 二值化前后 ＳＥＭ 照片（放大８００倍） 由于在利用计 算 机 进 行 自 动 二 值 化 的 过 程 中，部 分 孔 隙会相连在一起，此 时 利 用 图 像 处 理 软 件 进 行 微 结 构 参 数 提取时，会将其误 认 为 一 个 孔 隙，形 成 超 大 孔 隙，这 对 微 结 构参数的分 析 是 没 有 意 义 的 。 ［３］ 出 现 上 述 情 况 时，采 用 人 机交互式分割方法，使 其 分 离。 具 体 方 法 是 在Ｉｍａｇｅ－Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ软件中同时 打 开 二 值 化 前 后 的 微 结 构 图 像，以 原 始 图 像 为 底 图 ，对 比 二 值 化 前 后 图 像 ，并 手 动 分 割 。
２．２ 微 结 构 参 数 提 取 流 程 将处理后的微结构图像利用ＩＰＰ 软 件 进 行 微 结 构 参 数
的 提 取 ，其 主 要 步 骤 如 下 ： １）图像导入。将所需要分析 的 二 值 化 后 的 黄 土 微 结 构
图像装入ＩＰＰ 图像处理软件。 ２）空间刻度校准。ＩＰＰ 图 像 处 理 软 件 中 以 像 素 为 默 认
１ 微结构图像处理方法
１．１ 图 像 降 噪 在微结构图像 的 拍 摄 过 程 中，由 于 高 频 脉 冲 和 颗 粒 表
面不平整造成的 尖 端 放 电 会 影 响 图 像 的 质 量，因 此 在 进 行 定量化分析前应该对图像进行降噪处理。图像降噪的目的 是为了削弱噪声，提高图像质量，同 时 尽 可 能 地 保 护 边 缘 和 细节信息，在土体 微 结 构 图 像 上 体 现 为 减 少 拍 照 过 程 产 生 的单像素噪点 （孔 隙）。 根 据 图 像 的 特 点、噪 声 的 统 计 特 征 和频谱分布规律，发 展 出 了 多 种 降 噪 方 法，常 见 的 有：中 值 或加权中值滤波、均值或加权均 值 滤 波、最 小 均 方 差 值 滤 波 和均值或中值 的 多 次 迭 代 等 。 ［１］ 采 用 ｗｉｅｎｅｒ２ 函 数 来 达 到 图像噪声自 适 应 滤 除 的 目 的，利 用 Ｍａｔｌａｂ 软 件 得 以 实 现。 该滤波器根据图 像 的 局 部 方 差 来 调 整 滤 波 器 的 输 出，当 局 部方差小时，滤波 器 平 滑 效 果 较 强，当 局 部 方 差 大 时，滤 波 器的平滑效果较小 。 ［２］ １．２ 图 像 分 割
２ 微结构参数的选择和提取
２．１ 微 结 构 参 数 的 选 择 由于黄土的骨架颗粒一般相 互 接 触、叠 置 在 一 起，利 用
计算机很难实现 颗 粒 之 间 的 自 动 分 割，而 高 孔 隙 性 是 黄 土 的重要结构标志，它直接主导影 响 或 决 定 着 土 体 的 湿 陷 性、 压缩性、渗透固结 等 特 性，孔 隙 的 种 类、大 小 和 形 状 的 不 同 对力学性质的影响程度也不相同。基于上述两个原因选取 黄土的孔隙作为 本 次 试 验 的 研 究 对 象，并 对 孔 隙 特 征 参 数 进 行 了 定 量 化 分 析 ，参 数 定 义 见 表 １。
３ 结果分析
３．１ 湿 陷 前 后 微 结 构 特 征 变 化 分 析 原状土样微观结构疏松，骨架 颗 粒 与 孔 隙 明 显 区 分，骨
架颗粒轮廓清 晰。 发 生 湿 陷 后，骨 架 颗 粒 排 列 明 显 变 得 紧 密，黄土微观结构逐 渐 趋 于 密 实，见 图 ２。 骨 架 颗 粒 间 的 接 触关系由支架接 触 为 主 向 镶 嵌 接 触 为 主 变 化，骨 架 颗 粒 由 点面接触为主转 向 以 面 面 接 触 为 主；骨 架 颗 粒 相 互 叠 置 在 一起，颗粒表面粘附有大量粘粒物质。由图２（ｂ），可以明 显 看出，分析域内大、中 孔 隙 数 量 明 显 减 少，孔 隙 的 分 布 不 再 均 匀 ，孔 隙 内 填 充 大 量 粘 粒 和 细 小 物 质 ，孔 隙 连 通 性 降 低 。
３）测量参数的选 择。ＩＰＰ 图 像 处 理 软 件 提 供 了 非 常 多 的测量参数可 供 选 择。 如 分 析 对 象 的 面 积、直 径、周 长、方 向角等等。
４）对象的计算。根据选定的 测 量 参 数 对 分 析 对 象 进 行 统计。
５）数据的保存。将 软 件 得 出 的 数 据 以 ＥＸＣＥＬ 文 件 形 式 存 储 于 设 定 的 文 件 夹 ，便 于 后 续 分 析 使 用 。
Ｄ＝２Ｋ 式中：Ｋ 为双对数坐标下的直 线 的 斜 率，Ｄ 为 土 样 中 颗 粒 形 态的分形维数。
按照上述方法，计 算 得 到 了 湿 陷 前 后 试 样 孔 隙 的 分 形 维数，见图４。可以发现，湿陷 后 试 样 的 孔 隙 分 形 维 数 Ｄ 较 原状试样大，由湿陷前 的 １．５０６４ 增 大 到 湿 陷 后 的 １．５４５４。 这 说 明 试 样 发 生 湿 陷 变 形 后 ，孔 隙 的 复 杂 程 度 有 所 增 加 。
率由 湿 陷 前 的 ０．３７２ 减 小 为 ０．３０２；等 效 直 径 由 ５．８３６μｍ 减 小 为 ４．１４７μｍ；孔 隙 形 态 比 由 ２．０１３ 增 大 到 ２．１０６。 说 明 黄土发生湿陷后孔隙所占面积减小 ，形态上被压扁。
表 ２ 湿 陷 前 后 孔 隙 特 征 参 数
孔隙特征参数
Ａ 为孔隙的实际面积。
ｎ＝Ａ／Ａ＇
ｎ为面孔隙 率，即 为 所 测 孔 隙 面 积 与 颗 粒 面 积 的 百 分 比；Ａ＇为分析域面积，大小为２９８ｕｍ×３４５ｕｍ。
Ｆ＝Ｄａ／Ｄｂ
Ｆ 为孔隙形态 比，即 为 孔 隙 的 长 轴 （Ｄａ）与 短 轴 （Ｄｂ） 之 比 ，其 值 越 大 说 明 孔 隙 越 趋 于 长 条 形 。
理可以利用像素灰度值的两个 性 质，即 不 连 续 性 和 相 似 性。 由于孔隙在照片 中 表 现 为 色 调 往 往 较 暗，而 黄 土 骨 架 的 色 调较亮。故可以从色调上来区分黄土骨架以及黄土孔隙。 可采用阈值 分 割 方 法 对 黄 土 微 观 结 构 图 像 进 行 二 值 化 处 理。二值化的基本思想就是将图像中每个像素的颜色用黑 和白两种来表示。其中，对于黄 土 微 观 结 构 的 研 究 而 言，用 黑色代表孔隙，用白色代表黄土 骨 架，并 利 用 大 津 法 对 微 观 结 构 图 像 进 行 了 二 值 化 处 理 ，如 图 １。
［关 键 词 ］ 湿 陷 性 黄 土 ；微 结 构 ；图 像 处 理 ；孔 隙 特 征 ［中 图 分 类 号 ］ Ｐ６４２．１ ［文 献 标 识 码 ］ Ｂ ［文 章 编 号 ］ １００４－１１８４（２０１３）０３－０２２８－０２
土的结构性 是 指 组 成 土 的 颗 粒 大 小、形 状、表 面 特 点， 空间上的排列方式，骨架颗粒与 胶 结 物 的 胶 结 形 式，孔 隙 的 大小、赋存形态、数量以及分布 情 况。土 的 宏 观 力 学 性 质 是 土微观结构特征 的 外 在 表 现 形 式，土 的 微 观 结 构 是 理 解 土 物理力学性质的 重 要 基 础 和 研 究 方 向，也 有 助 于 加 深 对 土 体变形机制 的 认 识 以 及 进 一 步 完 善 对 土 体 工 程 性 质 的 评 价。黄土的微观结构是影响黄土工程地质性质的一个重要 因素，很大程度 上 决 定 了 黄 土 的 工 程 性 质。 而 黄 土 具 有 典 型的湿陷性、振（震）陷性、水敏 感 性、强 透 水 性 等 特 性，这 些 都与黄土的微 观 结 构 是 密 不 可 分。 因 此，拟 通 过 分 析 湿 陷 前后黄土的微观结构特征的变化来探讨黄土的湿陷变形与 微观结构的联系。
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分布特征就是集中于瘤点部位。尤其在特定的数个古球蛋 类标本上，细菌对 其 原 生 结 构 的 破 坏 改 造 还 呈 现 出 明 显 的 渐变特征，构成了一个“改造 序 列”。研 究 表 明，细 菌 对 生 物 遗体的侵染具有有 明 显 的 生 物 分 类 学 上 的 倾 向［１９］，这 可 能 和不同微生物对某种特定有机质的偏好有关 。 ［２０］ 并 且 细 菌 的生物侵蚀对于生 物 遗 体 的 不 同 部 位 也 具 有 选 择 性 ， ［１９，２１］ 它们往往更趋向 与 选 择 软 躯 体 部 分 进 行 生 长，而 不 是 难 以 分解的几丁质 或 矿 化 壳 体。 结 合 其 保 存 特 征，可 推 断 该 种 细菌的新陈代谢方式为异养。
单位来测量所有 的 空 间，而 在 黄 土 微 观 结 构 图 像 中 则 是 以 微米为单位。利用ＩＰＰ 中 的 空 间 刻 度 校 准 功 能，对 图 像 右 下角的比例尺进 行 空 间 校 准，从 而 得 到 像 素 与 微 米 之 间 的 换算值，从而更改空间刻度，使得 软 件 以 微 米 为 单 位 来 进 行 测量。
［收稿日期］ ２０１３ －０３ －１０ ［作者简介］ 陈果（１９８８－ ），男，四川宜宾人，在读硕士研究生，主攻方向：地质工程研究。
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表 １ 孔 隙 特 征 参 数 定 义
参数
参数定义
Ｄ 为等效直径，即与 孔 隙 面 积 相 等 的 等 效 圆 的 直 径； Ｄ＝２（Ａ／π）１／２
图 ３ 湿 陷 前 后 黄 土 孔 隙 的 构 成 ３．４ 孔 隙 分 形 维 数 的 计 算
研究表明 ，黄 ［４～５］ 土孔隙的等效面积与等效周长具有以 下关系：
ｌｏｇ（Ｐ）＝（Ｄ／２）ｌｏｇ（Ａ）＋Ｃ 其中，Ｐ 表示图像中 任 一 个 孔 隙 的 等 效 周 长，Ａ 表 示 与 之对应的孔隙的 等 效 面 积，Ｄ 是 该 图 像 对 应 的 土 孔 隙 的 形 态分形维数，Ｃ 是一个常数。 把利用图像处理软件提取得到的等效面积和等效周长 绘制在双对数坐 标 系 中，如 果 这 些 数 据 点 可 以 拟 合 成 一 条 直线，则通过直线 的 斜 率 就 可 以 获 得 该 土 样 中 孔 隙 形 态 分 形 维 数 ，即