序列斷層粗粒土圖像三維重建及可視化技術研究.pdf

1、隨著石渣壩、高土石壩、公路鐵路、高層建筑物等工程的不斷興建,粗粒土作為主要的填筑材料,其應用也越來越廣泛,因此粗粒土組構(gòu)的力學特性也越來越引起壩工界的重視。為適應石渣壩等土工建筑物的應力和變形統(tǒng)計分析的需要,粗粒土在壓力狀態(tài)下的應力-形變關系成為巖土力學領域重要的研究內(nèi)容之一,而粗粒土的微觀組構(gòu)特性是其應力-形變關系研究的基礎。粗粒土組構(gòu)(micro-fabric)是影響粗粒土的工程性質(zhì)的關鍵因素,對粗粒土微觀組構(gòu)圖像的分析和處理也是粗

2、粒土組構(gòu)研究由定性走向定量的關鍵技術。針對目前基于粗粒土微觀組構(gòu)的研究基本都是基于二維圖像處理,由于真實存在的粗粒土顆粒是基于三維空間分布的,因此二維研究方式存在一定的局限性,不夠精確和客觀,因此結(jié)合粗粒土圖像的特點和實際的應用需求,本文首先利用計算機CT技術獲得序列斷層粗粒土微觀組構(gòu)圖像,然后運用序列斷層圖像三維重建及可視化技術重構(gòu)二維粗粒土微觀組構(gòu)圖像的三維模型,進而對三維粗粒土顆粒模型進行微觀組構(gòu)要素提取和分析,為建立粗粒土組構(gòu)力

3、學模型奠定了堅實的基礎。基于以上的研究問題與技術思路,本文依托“湖北省長江科學院高應力及復雜加載條件下土石料工程特性試驗研究”項目開展了具體的研究工作,并取得了有實際工程應用價值的部分研究成果。
　　論文首先詳細總結(jié)和分析了目前粗粒土微觀組構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和方法,給出了本文研究方法的依據(jù)和理由,全面介紹了本文針對序列斷層粗粒土圖像三維重建及可視化技術研究的相關理論基礎,并對三維重建及可視化技術的關鍵研究進行分析和總結(jié),提出本文的

4、研究技術路線和具體研究內(nèi)容。
　　其次論文對序列粗粒土圖像三維重建及可視化技術研究中的序列圖像分割技術進行分析和研究,結(jié)合粗粒土圖像的具體特點,首先對粗粒土圖像進行噪聲濾波和插值等預處理,得到較高質(zhì)量和連續(xù)完整的序列斷層粗粒土圖像,進而提出一種基于快速聚類的分水嶺分割算法對粗粒土圖像中粘連顆粒進行快速有效地分割,并針對部分顆粒過分割情況進行聚類處理,從而保證批量粗粒土圖像顆粒分割的精確性,并根據(jù)實際的應用需求提出一種不同壓力控制下

5、粗粒土圖像的目標顆粒序列二維圖像提取方法,通過觀測和分析不同壓力狀態(tài)下目標顆粒的形態(tài)特征和位移狀態(tài),為后續(xù)粗粒土組構(gòu)力學效應分析和建立組構(gòu)力學模型提供了很好的圖像數(shù)據(jù)支持。
　　再次,論文以序列斷層粗粒土圖像分割技術為基礎,提出序列斷層粗粒土圖像的三維重建及虛擬切割算法,首先介紹和分析了序列斷層圖像三維重建的基本流程和常見算法,并結(jié)合序列斷層粗粒土圖像的特點和實際的應用需求,提出一種基于數(shù)據(jù)分類的快速混合繪制算法,首先利用分割技術

6、將重建數(shù)據(jù)進行分類,然后針對不同的分類數(shù)據(jù)的重要程度,分別采用不同的繪制算法對不同的數(shù)據(jù)進行繪制,從而既能保證繪制圖像的質(zhì)量,又能加快繪制速度。
　　最后針對重建的粗粒土顆粒三維模型,進一步提出粗粒土微觀組構(gòu)要素提取方法和重建模型簡化技術。本文在傳統(tǒng)針對二維粗粒土微觀組構(gòu)要素提取的研究基礎上進行三維空間擴展,對重建后的粗粒土顆粒三維模型進行特征提取和分析,包括粗粒土顆粒的三維幾何形態(tài)和三維空間分布特征,并在不同應力狀態(tài)下對微觀組構(gòu)

7、要素變量進行分析,為今后進一步粗粒土顆粒空間力學模型的建立提供依據(jù)。另外由于三維重建后的粗粒土顆粒具備較多的細節(jié)信息,雖然使得三維模型精度較高,但是針對大規(guī)模數(shù)據(jù)集的三維重建,會導致三維表面模型包含大量的三角面片,成為了可視化和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的嚴重瓶頸,因此本文為盡可能的減少重建三維模型中的冗余數(shù)據(jù),提出一種基于粗粒土顆粒三維中心長軸提取和非均勻B-樣條擬合的三維模型簡化算法,該算法能夠使用最少的數(shù)據(jù)抽象信息構(gòu)造完整和光滑的模型,從而實現(xiàn)