序列斷層粗粒土圖像三維重建及可視化技術(shù)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(yīng)用也越來(lái)越廣泛,因此粗粒土組構(gòu)的力學(xué)特性也越來(lái)越引起壩工界的重視。為適應(yīng)石渣壩等土工建筑物的應(yīng)力和變形統(tǒng)計(jì)分析的需要,粗粒土在壓力狀態(tài)下的應(yīng)力-形變關(guān)系成為巖土力學(xué)領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容之一,而粗粒土的微觀組構(gòu)特性是其應(yīng)力-形變關(guān)系研究的基礎(chǔ)。粗粒土組構(gòu)(micro-fabric)是影響粗粒土的工程性質(zhì)的關(guān)鍵因素,對(duì)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(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)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(shí)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(diǎn)和實(shí)際的應(yīng)用需求,本文首先利用計(jì)算機(jī)CT技術(shù)獲得序列斷層粗粒土微觀組構(gòu)圖像,然后運(yùn)用序列斷層圖像三維重建及可視化技術(shù)重構(gòu)二維粗粒土微觀組構(gòu)圖像的三維模型,進(jìn)而對(duì)三維粗粒土顆粒模型進(jìn)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(xué)模型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。基于以上的研究問(wèn)題與技術(shù)思路,本文依托“湖北省長(zhǎng)江科學(xué)院高應(yīng)力及復(fù)雜加載條件下土石料工程特性試驗(yàn)研究”項(xiàng)目開(kāi)展了具體的研究工作,并取得了有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的部分研究成果。
　　論文首先詳細(xì)總結(jié)和分析了目前粗粒土微觀組構(gòu)的國(guó)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(duì)序列斷層粗粒土圖像三維重建及可視化技術(shù)研究的相關(guān)理論基礎(chǔ),并對(duì)三維重建及可視化技術(shù)的關(guān)鍵研究進(jìn)行分析和總結(jié),提出本文的

4、研究技術(shù)路線和具體研究?jī)?nèi)容。
　　其次論文對(duì)序列粗粒土圖像三維重建及可視化技術(shù)研究中的序列圖像分割技術(shù)進(jìn)行分析和研究,結(jié)合粗粒土圖像的具體特點(diǎn),首先對(duì)粗粒土圖像進(jìn)行噪聲濾波和插值等預(yù)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(jìn)而提出一種基于快速聚類的分水嶺分割算法對(duì)粗粒土圖像中粘連顆粒進(jìn)行快速有效地分割,并針對(duì)部分顆粒過(guò)分割情況進(jìn)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(shí)際的應(yīng)用需求提出一種不同壓力控制下

5、粗粒土圖像的目標(biāo)顆粒序列二維圖像提取方法,通過(guò)觀測(cè)和分析不同壓力狀態(tài)下目標(biāo)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(xué)效應(yīng)分析和建立組構(gòu)力學(xué)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(shù)為基礎(chǔ),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(jiàn)算法,并結(jié)合序列斷層粗粒土圖像的特點(diǎn)和實(shí)際的應(yīng)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(shù)

6、將重建數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,然后針對(duì)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(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)重建的粗粒土顆粒三維模型,進(jìn)一步提出粗粒土微觀組構(gòu)要素提取方法和重建模型簡(jiǎn)化技術(shù)。本文在傳統(tǒng)針對(duì)二維粗粒土微觀組構(gòu)要素提取的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行三維空間擴(kuò)展,對(duì)重建后的粗粒土顆粒三維模型進(jìn)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(yīng)力狀態(tài)下對(duì)微觀組構(gòu)

7、要素變量進(jìn)行分析,為今后進(jìn)一步粗粒土顆粒空間力學(xué)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(xì)節(jié)信息,雖然使得三維模型精度較高,但是針對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集的三維重建,會(huì)導(dǎo)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(yán)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(zhǎng)軸提取和非均勻B-樣條擬合的三維模型簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)