圖像處理技術在土工室內試驗中的實踐探析

于洋

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京100102）

1 引言

室內土工試驗主要是以分析建筑場地土質特征開設的專項試驗，以此指引工程設計單位出具合理的工程建設方案。 因土作為松散性材料，具有天然性、流動性特征，故在不同土質環境下形成的密度、沉降系數等參數多有差異，如若獲取可靠的土質檢測結果，將為建筑設計工程師提供權威憑證。 傳統試驗環節多以比重瓶法、環刀法采集土樣比重與密度參數，但考慮到人工操作中易因時間變化使土樣形態特性存在波動，若能以圖像處理技術開展參數測量工作，有利于提升試驗精度。

2 土工室內試驗的現實意義

針對建筑項目現場地基土樣開展土工室內試驗具有深刻的現實意義。 一般情況下，土質含水量、滲透性以及密度差異明顯的地基環境下采用的建筑設計方案不一致。 考慮到土具有易變形特性，若在土工室內試驗中獲取力學強度參數，能夠為后續支護邊坡設計和施工提供依據， 進而避免在軟弱地基中出現安全事故。 由此證實：土工室內試驗具備提升建筑施工安全性的作用。 經過對試驗數據的整合分析，可從中了解地基土質強度程度，自此在數據分析中總結土質規律，以期借助力學性質提升建筑工程設計方案的合理性。

如在開設土工室內試驗分析土粒相對密度時， 可以根據土粒相對密度參數的變化范圍確定土質成分。 通常在測定土粒相對密度（ρs）時，需要參照式（1）求值：

式中，ms為土壤固相質量，g；Vs為土壤固相容積，cm3。

式中，mw為土壤液相質量；ma為土壤氣相質量；Vw為土壤液相容積；Va為氣相容積。不同基質下土壤容積與質量關系分布如圖1 所示。

圖1 不同基質下土壤容積與質量關系分布圖

土粒相對密度多為2.6～2.8 g/cm3， 若測定后發現該數值在1.5～1.8 g/cm3，可將該固相土壤成分認定為淤質土，若在2.4～2.5 g/cm3，則表示固相土壤中含有有機質成分，并需要結合土粒相對密度指標改善土壤性能， 即利用煤油等中性溶劑下調有機質土，聯合抽氣排氣方式優化土質。 從中得出：土工室內試驗在土壤物理性質等參數測量方面具有顯著價值，理應在項目開工前充分組織土工試驗詳細記錄試驗結果。

3 室內土工試驗數據不準確常見因素

3.1 樣品處理技術

室內土工試驗在獲取試驗數據時，常出現與實際情況誤差偏大的情況。究其根本，多考慮與樣本處理技術有關。傳統意義上應用的樣品處理技術僅在現場以環刀法（測量土壤密度）、比重瓶法（測量土粒比重）、滲透試驗（測量滲透系數）對土樣進行取樣處理，后利用不同技術方法獲取相關參數。 但該技術所得到的參數范圍與實測值偏差較大， 故筆者提出圖像處理技術以彌補傳統技術不足。 圖2 為室內土工試驗操作現場。

圖2 室內土工試驗現場操作圖

3.2 土樣輸送環境

在從現場地基采集土樣，并輸送至室內試驗室過程中，受季節氣候以及運輸工具、輸送時間等因素的干擾，致使土樣出現松散、滲水或成分丟失問題，這樣也會降低數據準確性。 而圖像處理技術的運用可及時獲取第一手圖像原始形態資料，將其作為輔助信息用于土工室內試驗中[1]。

3.3 室內操作條件

于土工室內試驗實操環節， 多與設備儀器準備充足性以及外在條件有關，若溫度較高，或使用暖風等裝置，會造成土樣水分蒸發，從而引起試驗數據失真后果。 而提前準備好圖像處理技術應用設備，可為后續試驗項目的實施創造有利條件。

3.4 數據分析質量

在對建筑項目土樣進行土工試驗階段， 試驗者需要統籌多項數據，且面對的樣本數量較多，造成數據分析環節難以單純憑借人力精準計算土樣參數。 若聯合技術手段把握土樣指標規律，將進一步增加數據精度。

4 圖像處理技術在土工室內試驗中的實踐路徑

4.1 加強圖像預處理

圖像預處理階段使用Video Reader 函數創建對象后讀取視頻文件，將拍攝試樣變形視頻導入Matlab 軟件中，逐幀讀取圖像信息，獲取視頻中的試樣振動圖像。 在數據處理中通過逐幀比較試樣圖像內容，掌握圖像多方向變化規律。 在選擇圖像導入與檢測區域后，需通過視頻圖像處理的方法清除其中的無關信息，降低后期提取圖像坐標的難度。 在轉換圖像類型過程中，將圖像采集裝置記錄的彩色圖像（RGB 圖像）轉變為8 bit灰度圖像，在圖像灰化處理后再去噪，可以降低圖像處理精度。

同時考慮到光線、外部環境變化以及設備抖動、圖像資料傳輸中等都會導致圖像噪聲。 本次研究中采用了基于濾波器的處理方法，通過線性平滑濾波器平均圖像的灰度值，當任意一點像素灰度值與周圍地區平均值相同時，達到模糊、平滑圖像的效果，清除其中高頻部分，減少灰度變化。

最后做圖像邊緣形態處理， 采用膨脹與腐蝕兩種操作形態相互融合的方法達到最優化處理效果。 其中，膨脹是對圖像做擴張處理，包括增粗、加長等，清除圖像中的凹陷問題；擴張則可以用結構元素的平移遍歷并覆蓋原圖像的像素點。 在本次圖像預處理中采用先腐蝕后膨脹的運算方法， 使圖像輪廓變得更加光滑，在清除其中的細微凸起物質后，連接細小的斷裂部位，提升圖像質量。

4.2 優化圖像測量

土工室內試驗中應用圖像處理技術， 還需進一步優化圖像測量步驟。 在對地基土樣圖像展開測量時， 側重于邊緣測量。 由于土樣圖像中邊緣部位屬于像素灰度值波動明顯區域，若能從中準確測量參數信息， 可為土樣圖像的整體處理起到輔助作用。 一般情況下，以圖像處理技術測量邊界圖像時，需要按照圖3 所示的流程采樣[2]。

圖3 土樣邊界坐標提取流程圖

在測量邊界圖像時， 通常需要采用微分結構將土樣邊緣圖像進行細化處理，而后依據下列關系式掌握土樣邊界向量指標。

式中，（x，y）為土樣圖像中任意位置；Δf（x，y）為（x，y）位置的灰度值；Gx、Gy為橫向及縱向邊緣檢測的圖像灰度值；T 為空間域處理操作動作，如像素值之上增加20 灰度值等。

在對圖像中的灰度進行統計時， 可以借助SOBEL 算子實施加權處理，自此強化降噪效果，也能杜絕邊緣測量結果不準確現象。

在從土樣圖像中分析土樣邊緣規律時， 應在微分處理原理下了解土樣圖像中像素界限分布情況， 確保經過測量邊緣圖像灰度后，能提升圖像處理準確度。 試驗者應在土工室內試驗中始終以土樣圖像為試驗根本，便于得到優化后的數據。

4.3 充分準備試驗設備

在以土工試驗了解土壤特性階段， 應充分準備好土工室內試驗所需設備，促使圖像處理技術發揮出關鍵性作用。 以孔隙度土工試驗為例， 試驗者應先行準備好適宜運用圖像處理技術的試驗設備。其中較為關鍵的是用于承載土樣的容器。通常需要選用長35 cm，厚2.5 cm 的土樣容器，并在該容器上端放置傳感器，傳感器應距離容器頂端15 cm，傳感器設備實則是為了記錄孔隙水壓力參數，至少需要5 個傳感器，且分別放于除底部以外的5 個平面，且四周傳感器應相距10 cm。 后向容器內投入土樣， 可模擬建筑項目現場土質結構分布圖知曉不同土質成分的孔隙度指標。

如在某粗砂層土工試驗中，在灌入粗砂成分后，應采集傳感器數據，并借助傳感器圖像分析沖擊荷載條件改變時，是否因孔隙度差異產生沉降量不同的結果。 若發現沉降量差值明顯， 則表明孔隙度與沖擊荷載存在密切關聯。 在計算沉降量（S）期間，可參照式（4）求取：

式 中，i 為 土 樣 圖 像 平 均 位 置；K 為 圖 像 提 取 量；ni、ni-1為 第i幅、第i-1 幅圖像。

在獲取S 值后可以采用圖像閾值將圖像分為兩種像素類型，即黑像素與白像素，進而從黑白分明的圖像中了解土樣沉降情況。 于各個設備的支持下，將獲得帶有土壤性能分析參考價值的圖像信息[3]。

4.4 精準分析試驗數據

在土工室內試驗開展期間運用圖像處理技術， 還需精準分析試驗數據，以土樣圖像對土壤物理性質等參數進行分析。如按照上述準備的沉降量相關測量設備， 可對沉降量圖像數據加以整理。 在改變沖擊荷載條件時，能從中知曉粗砂沉降量變化規律。即初次沖擊作用下，將直接出現78%左右的沉降現象，且持續3 s 沖擊后基本保持持穩狀態。 而且在圖像分析結果中發現：持續1 min 后顯然粗砂將終止沉降。 為獲得準確度更高的試驗數據，應先行對粗砂容器進行靜置處理，待15 min后記錄S 值，并對比靜置前結果，若未產生明顯差距，驗證粗砂層顯現固結狀態。 依據該結果可以在建筑工程施工環節嚴控沖擊荷載， 以免在夯擊作業或其他振動項目中引起土層塌陷后果，且該土層結構基本呈現穩定狀態。

數據分析環節還應對土工室內試驗數據誤差情況展開綜合分析。 因記錄的粗砂層圖像會受測量數據的影響引起誤差。因此，應保證用于土壤拍攝的攝影機，調整好像素誤差，并利用精度調節等方式，減小圖像偏差值，一般應將像素誤差控制在0.45 mm 以內。 與此同時，在對粗砂層不同分層結構的圖像進行土工試驗階段，需要對其加以壓實處理。 由于未壓實的土壤易受外界環境改變出現變形情況，故應注重數據誤差。

5 結語

綜上所述，土工室內試驗中常受樣品處理技術、土樣輸送環境、室內操作條件、數據分析質量等因素影響造成試驗數據不準確。 為進一步獲取權威數據，展現建筑工程設計方案的可行性價值，應依托圖像處理技術，從圖像預處理、圖像測量、設備準備以及數據分析等方面著手，確保在新技術助力下，土工室內試驗能夠具有相對完善的試驗條件，亦能優化試驗環境。在深入分析土樣土粒密度、含水量、滲透性等參數特征后，能指引施工人員嚴格遵照合理的施工設計方案， 依據土質狀況正確建設建筑物，借此提高我國工程建筑建設水平，滿足新時代技術應用需求。