基于数字图像处理的矿物颗粒形态定量分析

矿物颗粒形态的评价一般采用目估法在显微镜下观测岩石薄片,其评价结果受主观影响.本文利用岩石薄片显微照片,基于图像处理技术提出了矿物颗粒形态定量分析方法.矿物颗粒形态参数主要包括球度、凸度、长宽比、磨圆度等.该方法利用图像分割技术将显微照片中的矿物颗粒区分开,提取颗粒的像素轮廓坐标进行离散几何分析,计算矿物颗粒形态参数....     

冻融作用下砂土颗粒形态变化规律研究

土壤中的石英颗粒的表面形态不仅是该沉积物物源区沉积环境、 搬运机制的信息载体, 同时也会直接影响到砂土的宏观物理特性, 对力学和实际工程有着重要的意义。借助显微与高精度图像处理技术, 采用长径比, 磨圆度两个量化指标, 对经过不同次数冻融作用的两组砂土颗粒进行观察。结果表明： 砂土颗粒在冻融循环过程中, 由于颗粒之间的相互作用, 磨圆度先增大后减小, 最后趋于稳定; 长径比先减小, 后增加, 最后趋于稳定。长径比与磨圆度的变化曲线共轭。     

三种碎屑颗粒形态定量分析方法的比较及应用

沉积物颗粒的形态是沉积成因分析的主要标志之一。目估对比法是沉积物颗粒圆度分析中常用的方法。目估法直观、简捷,但主观因素影响较大。本文利用计算机图像分析软件Image Pro Plus 6.0获取鲍尔斯目估标准颗粒的轮廓,并用3种定量方法测量这些标准颗粒的IPP圆度、轮廓分维数和傅里叶不圆度,然后对比这些圆度的划分标准与目估标准之间的差别,最后用3种圆度测定方法同时测量广东马头山风化坑和河流壶穴中碎屑颗粒的圆度,通过测量结果的对比来评价这3种定量方法的应用效果,检验这些方法能否在实际应用中代替目估方法以区分不同成因的碎屑颗粒。分析表明：目估法的磨圆度标准不是简单地表达颗粒的圆形与否,其中包括了颗粒表面结构的差异;3种定量方法的圆度划分标准很难与目估划分标准完全一致;3种方法所表征的圆度均能区分风化作用和流水侵蚀作用形成的颗粒,因此3种定量方法均可以代替目估方法测量颗粒的圆度;在不强调颗粒表面特征的前提下,IPP圆度的测量方法比其他两种方法更加有效;颗粒形态的分析结果证明河谷壶穴中的颗粒由流水侵蚀作用而成,山顶风化坑中的颗粒由风化作用而成     

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。     

北京市春夏季大气气溶胶的单颗粒分析表征

采集了北京市2000年春夏季大气气溶胶样品5个，采用扫描电镜X射线能谱技术分析大气气溶胶单颗粒约2500个。研究结果表明，沙尘期间，矿物尘是最主要的颗粒物种类，非沙尘期间，北京市大气气溶胶中主要检出矿物尘和含硫颗粒物。夏季随着颗粒物污染的加重，含硫颗粒物的数目百分数增加。是北京市大气颗粒物污染的重要特征。重点讨论了Ca-S颗粒、K-S颗粒和Ca-K-S颗粒三类典型含硫颗粒物的化学组成和粒径分布特征。数目可观的Ca-K-S颗粒以及其他硫酸盐颗粒的生成与相对湿度和云量等气象条件相关，这些颗粒物可能是云中过程的产物。减少SO2排放，减少含硫颗粒物，对于控制北京市的大气颗粒物浓度水平具有重要意义。     

定量表征河流砂颗粒的形状——在西藏帕隆藏布的尝试

河流搬运体系中,颗粒的形状属性可以反映其来源、搬运、沉积的过程。长期以来沉积学界缺乏相对统一的定量的、多维的颗粒形状参数。本研究以西藏雅鲁藏布江支流帕隆藏布为例,运用图像分析、软件分析等计算机辅助技术,对8个天然河流砂样品中的2276个颗粒开展碎屑成分鉴定和形状参数量化等工作。重点评估了11个颗粒形状参数,通过因子分析等统计方法提取并定义了3个形状信号,包括圆形度因子、规则度因子和平滑度因子。这些参数可用于表征颗粒宏观形状上接近圆形的程度、中观尺度上轮廓规则的程度及轮廓平滑的程度。挖掘天然河流砂的重要形状特征后,进一步探索了这些形状参数与颗粒成分、粒度的关系。本研究成果为解释河流系统中颗粒的形状信号、理解颗粒自身微观属性和外部物理过程等提供重要借鉴。     

定量表征河流砂颗粒的形状——在西藏帕隆藏布的尝试

河流搬运体系中,颗粒的形状属性可以反映其来源、搬运、沉积的过程。长期以来沉积学界缺乏相对统一的定量的、多维的颗粒形状参数。本研究以西藏雅鲁藏布江支流帕隆藏布为例,运用图像分析、软件分析等计算机辅助技术,对8个天然河流砂样品中的2276个颗粒开展碎屑成分鉴定和形状参数量化等工作。重点评估了11个颗粒形状参数,通过因子分析等统计方法提取并定义了3个形状信号,包括圆形度因子、规则度因子和平滑度因子。这些参数可用于表征颗粒宏观形状上接近圆形的程度、中观尺度上轮廓规则的程度及轮廓平滑的程度。挖掘天然河流砂的重要形状特征后,进一步探索了这些形状参数与颗粒成分、粒度的关系。本研究成果为解释河流系统中颗粒的形状信号、理解颗粒自身微观属性和外部物理过程等提供重要借鉴。     

地球表层形态分析的定量注记

地球的表面形态结构,是一种随机型的空间分布格局。本文企图以某种定量的、预测的方式,对于此种格局加以理论上的归纳。分别应用力能学分析和统计学分析两种完全不同的思考方法,获得了地球表层的海拔高度上限约21km。这一基本理论问题的合理解决,将使地球表层的一系列基本特性如动力学参数、热力学参数、行为学参数、系统学参数等有更加精确和更加严谨的表达。在此基础上,作者又从理论上推演了地球表层高度-面积分布的宏观趋势,并将其计算的结果与实际统计的结果进行对比分析,取得了比较满意的总体检验。     

K0条件下颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响

为了研究颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响,选取4种形状不同的砂样（福建标准砂和人工石英砂）作为研究对象,通过扫描电镜获取其颗粒微观图像,使用Image Pro Plus软件和自编Matlab程序提取试样颗粒的形状特征。采用改进的半径角和轮廓指数综合描述颗粒偏离圆或椭圆的程度以及棱角变化程度,并基于这两个参数提出颗粒形状因子来综合表征颗粒的形状特征。之后在K0条件下通过弯曲元试验获得不同竖向荷载对应的4个试样的剪切模量,试验结果表明,砂土颗粒的形状因子与砂土的剪切模量具有良好的相关性。最后基于Hertz-Mindlin接触模型,推导出引入形状因子的砂土剪切模量理论计算公式,该计算公式与实测值吻合良好。     

砂土颗粒形状量化及其对力学指标的影响分析

砂作为一种特殊的散体材料,其宏观物理力学性质,如密实度、剪切特性（临界状态角,剪胀角）、压缩性及颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响,目前为止,对于砂粒土颗粒形状的量化工作,未到达成熟阶段。试验采用普通光学显微镜获取3种不同砂颗粒及一种相似材料（玻璃球）数字图像,利用ImageJ图形软件对其进行黑白二值化处理,获取颗粒形状轮廓边界;从3个层次定义颗粒形状参数,并利用java语言编制形状量化插件程序,计算砂粒各形状参数值,最后通过相对密度试验、直剪试验测试不同砂样的极限孔隙比、剪切强度指标。试验结果表明：整体轮廓系数、球形度、棱角度3项形状参数可作为不同砂粒形状鉴别和量化的关键参数,且与剪胀角、临界状态摩擦角均具有良好的相关性,试验提供了一种量化砂颗粒形状的有效方法,并可将得到的关键量化参数应用到宏观力学性质分析与数值模拟工作中     

多投影面下珊瑚砂砾颗粒形貌量化试验研究

珊瑚砂砾是一种由死亡的珊瑚、贝类等遗骸经过了漫长的物理与化学风化作用形成的一种特殊岩土介质。珊瑚砂砾颗粒具有易破碎的特点,其细观结构对岛礁地基的宏观力学性能有着重大影响,而砂土颗粒形貌的定量化一直是未能很好解决的技术难题。利用PartAn颗粒形貌观测系统可对同一砂土颗粒的多角度下投影图像进行研究,并通过多种参数对砂土颗粒的形貌进行评估,进而精确区分珊瑚砂砾中枝状、棒状、片状、块状颗粒的形貌特征,适用于不同形状砂砾材料的大量样本的快速测量。同时所得测试数据也可作为数值模拟的基础数据库,为随机生成不规则颗粒的手段提供了数据资源支撑。试验中对17万个单独颗粒进行了形貌量化分析,所得数据库量大,具有较高的统计可信度,同时免除了试验前人工挑选试样所带来的人为因素的干扰影响。所得珊瑚砂砾分形数据具有较高真实度,可为珊瑚砂砾在荷载作用下颗粒破碎的定量化提供可靠方法。     

Generation of a realistic 3D sand assembly using X‐ray micro‐computed tomography and spherical harmonic‐based principal component analysis

Three‐dimensional particle morphology is a significant problem in the discrete element modeling of granular sand. The major technical challenge is generating a realistic 3D sand assembly that is composed of a large number of random‐shaped particles containing essential morphological features of natural sands. Based on X‐ray micro‐computed tomography data collected from a series of image processing techniques, we used the spherical harmonics (SH) analysis to represent and reconstruct the multi‐scale features of real 3D particle morphologies. The SH analysis was extended to some highly complex particles with sharp corners and surface cavities. We then proposed a statistical approach for the generation of realistic particle assembly of a given type of sand based on the principle component analysis (PCA). The PCA aims to identify the major pattern of the coefficient matrix, which is made up of the SH coefficients of all the particles involved in the analysis. This approach takes into account the particle size effect on the variation of particle morphology, which is observed from the available results of micro‐computed tomography and QICPIC analyses of sand particle morphology. Using the aforementioned approach, two virtual sand samples were generated, whose statistics of morphological parameters were compared with those measured from real sand particles. The comparison shows that the proposed approach is capable of generating a realistic sand assembly that retains the major morphological features of the mother sand. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Discrete element modeling of crushable sands considering realistic particle shape effect

This study proposed a novel approach for generating crushable agglomerates with realistic particle shapes in discrete element modeling (DEM). The morphologies of sand particles were obtained by X-ray micro-computed tomography scanning and image processing. Based on the particle surface reconstructed by spherical harmonic analysis, the crushable agglomerates with realistic particle shapes can be generated in DEM simulations. The results of single particle crushing tests showed that particle shapes significantly influence the fracture patterns and crushing strengths of sand particles. Furthermore, two one-dimensional compression tests were conducted to investigate the particle shape effect on micro- and macro-mechanical behaviors of crushable sands.     

一种基于MATLAB的碎屑岩粒度分析方法

利用MATLAB图像处理与统计计算功能对碎屑岩进行粒度分析,可以较好地解决传统粒度分析方法中存在的测量结果不精确、费时费力等问题。首先对碎屑岩镜下图像进行灰度化、二值化、图像增强等处理,准确测量出碎屑岩中各类粒度数据,然后将粒度数据转换为粒度参数运用到沉积环境分析中,更为精确地判别沉积环境。分析结果表明,该方法不但与传统粒度分析方法结果一致,而且测量精度高,方法简单,操作便捷,适用性好。     

悬移质颗粒运动的脉动强度

应用图象处理技术,量测了直径d=0.1～1.5mm的塑料颗粒和d=0.1～0.3mm的玻璃球颗粒在明槽恒定均匀水流中运动的脉动强度.试验发现:(1)靠近床面处,粗颗粒的脉动强度大于细颗粒的脉动强度,在靠近水面处,规律则相反;(2)细颗粒的脉动强度只是相对水深y/h的函数,而粒径较大颗粒的脉动强度和y/h及摩阻流速都有关;(3)重颗粒的脉动强度小于相同粒径的轻质颗粒的脉动强度.     

3D finite element modeling of sand particle fracture based on in situ X‐Ray synchrotron imaging

Compressive loading of granular materials causes inter‐particle forces to develop and evolve into force chains that propagate through the granular body. At high‐applied compressive stresses, inter‐particle forces will be large enough to cause particle fracture, affecting the constitutive behavior of granular materials. The first step to modeling particle fracture within force chains in granular mass is to understand and model the fracture of a single particle using actual three‐dimensional (3D) particle shape. In this paper, the fracture mode of individual silica sand particles was captured using 3D x‐ray radiography and Synchrotron Micro‐computed Tomography (SMT) during in situ compression experiments. The SMT images were used to reconstruct particle surfaces through image processing techniques. Particle surface was then imported into Abaqus finite element (FE) software where the experimental loading setup was modeled using the extended finite element method (XFEM) where particle fracture was compared to experimental fracture mode viewed in radiograph images that were acquired during experimental loading. Load‐displacement relationships of the FE analysis were also compared with experimental measurements. 3D FE modeling of particle fracture offers an excellent tool to map stress distribution and monitors crack initiation and propagation within individual sand particles. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

各向异性片岩的微观组构信息定量提取与断面形貌特征分析

取3类具有明显片理面的武当群片岩,采用偏光显微镜、扫描电镜研究其微观组构、断面形貌特征。构建了面积百分比、尺寸与周长-面积分形维数、定向分布系数等指标,利用IPP专业图像处理软件,对矿物和孔隙(微裂隙)两系统的含量、形态、分布特征等进行定量分析;并基于Matlab的数字图像处理技术,对断裂面粗糙度展开定量评价。偏光显微镜下显示,片岩具有矿物定向排列与粒、片状矿物近互层状分布的典型特征。矿物系统的微观定量分析结果表明:武当群片岩白云母的含量为11%~30%;小岛法计算的白云母矿物周长-面积分形维数为1.31~1.39;定向分布系数为0.61~0.85;微裂隙依附于白云母矿物边缘孕育、扩展,导致武当群片岩的孔隙(微裂隙)微观指标与对应的矿物微观指标有较强的相关性。沿片理面的片岩断面主要呈现沿晶破坏特征,断口较平坦,基于断面形貌图绘制的灰度信号波曲线的盒维数为1.48~1.60;斜交片理面破裂的片岩断面以穿晶破坏为主,有穿晶-沿晶破坏交替而生的迹象,断口粗糙起伏,对应的灰度信号波曲线的盒维数为1.65~1.69。武当群片岩的断面粗糙度各向异性约为1.03~1.14。     

基于染色标定与图像颗粒分割的钙质砂颗粒破碎特性研究

针对混合粒径钙质砂中不同粒径颗粒绝对破碎量无法获得和现有破碎率难以考虑破碎重叠掩盖破碎量这两个问题开展研究。设计了粗砂、中砂、细砂颗粒集中分布的3种级配钙质砂试样,进行侧限压缩试验。对不同粒径区间钙质砂分别染成不同颜色,拍照获取各粒径区间钙质砂破碎信息;采用Image J软件进行彩色图像颗粒分割、二值化处理、统计各颜色颗粒面积,换算得各颜色颗粒破碎后含量;并提出考虑破碎重叠掩盖的试样累积破碎率指标B_a。结果表明,随压力增大及颗粒分布集中,试样的重叠掩盖破碎量增大。混合粒径钙质砂中的中间粒径(0.25~1.00mm)颗粒易于破碎,各粒径颗粒破坏模式以颗粒边角破碎为主;累积破碎率B_a值较相对破碎率B_r较大,与垂向压力对数值间满足线性关系,为颗粒破碎研究提供了新的思路。