基于圖像處理的土石類多孔介質結構特征分析

龐潤芳　石瑩瑩　鄭坤燦　任雁秋　潘剛　龔志軍

摘要：多孔介質結構特征研究是多孔介質應用的基礎，決定著多孔介質內部流動、傳熱、應力應變和化學反應等過程。文章以碎石地面為例，說明IPP（Image-Pro Plus）軟件分析獲得多孔介質各種結構特征參數的使用方法。利用該軟件提取了土壤、沙粒、石堆的顆粒和空隙的平均直徑及各種分維數，分析對比得到了相關規律，為進一步深入研究廣泛的多孔介質結構特征及規律提供了方法和指導。

關鍵詞：lPP6.0軟件；多孔介質；圖像處理；孔結構特征

中圖分類號：TB383；TP391.4

文獻標志碼：A

文章編號：1006-8228（2017）01-09-03

0.引言

多孔介質在化工、冶金、建材、石油開采、核反應堆和航空航天都有著廣泛應用，顯然，在應用中多孔介質結構是基礎，它決定著多孔介質內部流動、傳熱和化學反應。目前多孔介質結構模型主要包括空間周期模型、網絡模型、分形模型和重構模型等，而在滲流、傳熱傳質方面應用較多的孔尺度模型主要有兩類：一類是以管內流動為特征的模型，它包括毛細串并聯管流模型、毛細管網絡模型、毛細管隨機網絡模型、平均水力半徑模型和統計模型等；另一類是以浸沒物體繞流為特征的周期結構模型。不過這些模型往往只抓住了多孔介質某一方面的結構特征，而且還沒有明確的定量化，因而導致許多應用受到較大的限制。因此，本文借助IPP（Image-Pro Plus）軟件對多孔介質結構特征進行初步研究，尋找一種多孔介質結構特征定量化的研究方法，便于下一步在對大量多孔介質結構特征參數進行統計分析的基礎上，對多孔介質特征進行分類和鑒定，從而為多孔介質內部傳輸和反應過程的建模提供指導。

1.圖像采樣及預處理

為了研究多孔介質結構特征，我們選取了日常生活中常見的多孔介質如沙子、土壤、石堆、碎石地面等。照片用柯達Z7590數碼相機拍攝，采用自動對焦，真實像素500萬。文中圖樣均采用自然光拍攝，拍時選取合適的時間和角度，保證拍攝照片的光照均勻，圖樣示例如圖1所示。

在拍攝完照片之后，篩選出孔隙和顆粒對比明顯的圖像。利用IPP進行測量時，可選取黑色部分作為孔隙，其他顏色作為顆粒。為了盡可能地選中全部顆粒且便于處理，先利用圖像編輯軟件光影魔術手，將圖1所示的彩色圖片轉成灰度圖。

2.IPP軟件對圖片的處理

Image-Pro Plus簡稱IPP，是Media Cybernetics公司研發的一款專業的圖像分析軟件。IPP在圖像采集和分析方面的功能先進，可用于工業、醫學、生物學等專業圖像分析處理。支持圖像采集、圖像增強、圖像處理、圖像分析測量、宏記錄、宏編程等。

通過IPP軟件導入要分析的圖像（本文選取的是碎石地板圖像），選取多孔介質孔隙為測量區域，這需要根據灰度閾值人工識別所選區域是否為測量區域。然后即可對所選區域進行參數測量，IPP軟件能夠對圖形幾十種上百種參數進行分析，本文選取了多孔介質孔隙結構的主要參數如孔隙面積、平均直徑、最大最小孔徑、迂曲度分維數、孔半徑比等進行提取。最后將不同多孔介質的這些數據導出分析，以便獲得這些多孔介質的結構特征和規律。

3.數據處理及分析

按照上述方法和步驟，還可以獲得土壤、沙子和碎石等多種結構特征參數，下面以空隙迂曲分維數為例來分析。IPP軟件提供了獲取單個空隙的迂曲分維數的功能，圖2所示是最終得到的沙子、土壤和碎石等單孔迂曲分維數。從圖2可以看出，每一種多孔介質的迂曲維數都隨著空隙面積大小不同而不同，并不是嚴格的常數，然而這些不同的數卻在某一個數值上下波動，因而統計上接近于常數，說明這幾類常見的自然多孔介質具有統計意義上的自相似性。另外仔細分析還可以發現：土壤迂曲分維數多在1.05-1.35之間，總趨勢隨面積沒有什么變化。而沙粒和碎石的迂曲分維數范圍分別為1.05-1.45和1.05-1.35，總趨勢都可以分為兩段，前段平穩不變，后段線性增加。

表1-表3是本文對更多沙粒、土壤和碎石樣品進行分析，得到其顆粒和空隙的平均直徑、半徑比、迂曲分維數等的平均值。可以看出，顆粒平均直徑均大于空隙平均直徑，多數約大1倍；土壤顆粒迂曲分維數在1.1552-1.2177，空隙迂曲分維數在1.1851-1.2227，沙粒顆粒分維數在1.1571-1.2335，空隙分維數在1.1886-1.2263，碎石顆粒分維數在1.1339-1.1679，空隙分維數在1.1418-1.1892，同種多孔介質顆粒和空隙分維數的差異源于顆粒和空隙在選取時的差異；土壤和沙粒的分維數較為接近，可能說明二者在自然界有較為一致的演化，而碎石分維數明顯要小一些，說明碎石顆粒空隙的復雜程度不及土壤和沙粒。

4.結論

文中對利用IPP軟件分析多孔介質結構特征的方法和步驟進行了說明，對生活中常見多孔介質的結構特征參數進行了分析對比。得到以下結果。

（1）沙子、土壤和碎石迂曲分維數隨面積變化，不等于常數，但基本圍繞某一值上下波動，說明其輪廓符合統計意義上的分維特征。

（2）沙子、土壤和碎石的顆粒平均直徑均大于空隙平均直徑，多數情況下約大1倍。

（3）土壤顆粒迂曲分維數在1.1552-1.2177，空隙迂曲分維數在1.1851-1.2227，沙粒顆粒分維數在1.1571-1.2335，空隙分維數在1.1886-1.2263，碎石顆粒分維數在1.1339-1.1679，空隙分維數在1.1418-1.1892，土壤和沙粒的分維數比碎石分維數具有更復雜的結構。