X-ray computed tomography (CT) has emerged as the most prevalent technique to obtain three-dimensional morphological information of granular geomaterials. A key challenge in using the X-ray CT technique is to faithfully reconstruct particle morphology based on the discretized pixel information of CT images. In this work, a novel framework based on the machine learning technique and the level set method is proposed to segment CT images and reconstruct particles of granular geomaterials. Within this framework, a feature-based machine learning technique termed Trainable Weka Segmentation is utilized for CT image segmentation, i.e., to classify material phases and to segregate particles in contact. This is a fundamentally different approach in that it predicts segmentation results based on a trained classifier model that implicitly includes image features and regression functions. Subsequently, an edge-based level set method is applied to approach an accurate characterization of the particle shape. The proposed framework is applied to reconstruct three-dimensional realistic particle shapes of the Mojave Mars Simulant. Quantitative accuracy analysis shows that the proposed framework exhibits superior performance over the conventional watershed-based method in terms of both the pixel-based classification accuracy and the particle-based segmentation accuracy. Using the reconstructed realistic particles, the particle-size distribution is obtained and validated against experiment sieve analysis. Quantitative morphology analysis is also performed, showing promising potentials of the proposed framework in characterizing granular geomaterials.
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利用CT扫描技术进行冻土研究的现状和展望 总被引：11，自引：6，他引：5
介绍了CT扫描技术的特点, 回顾了利用CT扫描试验进行冻土研究的历史和现状, 包括研制与CT配套使用的用于冻土的辅助设备、 利用CT数进行冻土内部结构变化分析、 利用CT数定义损伤并进行损伤演化研究、 利用CT图像进行细观结构分析等, 总结了冻土研究领域的代表性成果. 最后, 指出在现有的技术条件下利用CT扫描技术进行冻土研究所遇到的问题、 以及可能的解决办法. 其中, 着重介绍了高质量CT图像的获取、 CT数的变化与冻土试样感兴趣区域内的各组分变化的联系、 冻土CT图像的数字化处理方向. 结果表明: CT扫描技术是现阶段对冻土内部细观结构进行无损检测的最理想有效的技术之一, 借助辅助设备及图像数字化处理, 势必对冻土领域的研究发展起到更大作用. 相似文献
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基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析 总被引：2，自引：2，他引：0
未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路. 相似文献
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冻土CT图像中不可避免地会出现环形伪影和射线束硬化伪影。为解决这些问题, 分析了两类伪影的特征和形成机理, 提出了降低伪影的硬件优化方案。首先, 通过改变X射线管电压, 以此改变X射线光通量来降低冻土CT图像的环形伪影。其次, 利用不同厚度的滤过材料, 将X射线中的低能射线预先过滤, 使得穿过冻土试样的X射线能谱范围变窄, 以此来降低射线束硬化伪影对试样的影响。对比分析结果表明： 将扫描电压提高到120 kV既能有效降低同类型冻土试样CT图像中的环形伪影, 又能保证图像的质量; 选用材质为2A12、 厚度为18 mm的航空铝材, 在扫描电压为120 kV、 扫描电流为230 mA的条件下可以有效抑制射线束硬化所造成的伪影。 相似文献
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非饱和土力学水力-力学相关的微观机制尚不明确,目前缺乏准确的微观试验分析。针对非饱和土试验无损化观测的研究需求,研发了适用微焦点CT(computed tomography,简称CT)扫描系统的微型非饱和三轴试验装置与微型土-水特征曲线试验装置,研发的装置均主要包含压力控制系统、数据采集系统和装置主体,体积轻巧、兼容性高,可分别实现对小型化颗粒状土试样在非饱和三轴剪切试验与非饱和渗流试验的无损动态三维成像。与常规试验设备结果进行对比分析,验证了自研的微型试验装置的精度与可靠性。开展三轴剪切与非饱和渗流的原位CT扫描试验,均获得微米级分辨率三维图像,图像分析所得参量的多尺度演化趋势准确反映了原位试验的宏观应力-应变关系及全局持水能力特性。 相似文献
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冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验 总被引：5，自引：2，他引：3
对冻结粉质粘土在三轴剪切过程中的结构损伤进行了CT技术动态测试。通过对CT图像及CT数的分析发现：在受载之前冻土结构已经存在孔隙、管状孔隙和低密度区等初始缺陷;变形过程中冻土结构的弹性损伤只占总损伤的比例很小,而结构粘塑性损伤的比例则很大;在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构损伤的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大、联合,颗粒之间的相互错动及滑移是冻土结构粘塑性损伤发展的重要特征。冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算。 相似文献
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基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述 总被引：1，自引：0，他引：1
基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。 相似文献
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三轴试验土样的端部影响问题研究 总被引：8，自引：4，他引：4
在以往的研究中,由于受到三轴试样变形测量手段的限制,无法定量研究三轴试样的端部约束对试样受力变形及其测量结果的影响。采用数字图像测量技术,直接量测试样的轴向变形和径向变形,把它们与传统测量方法得到的变形测量结果进行比较,定量分析端部约束与端部接触对三轴试验土样的影响。同时笔者建议采用数字图像测量技术,直接测量三轴试样中间部分的土样变形,以此避开试样端部的影响,使试验结果更加真实可靠。 相似文献
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基于数字图像技术的土冻胀试验系统研究 总被引：3，自引：3，他引：0
开展土冻胀过程的研究对于认识土冻胀机理具有重要的意义,以往学者多采用建立模型进行数值分析的方法,但是在试验中却不能对模型预测的冷生构造、冰分凝、水分迁移等实时过程进行验证。通过建立包括实时图像采集系统、图像预处理系统以及图像数字化系统为一体的基于数字图像技术的土冻胀试验系统,对青藏粉土的冻胀发展过程和冰分凝过程进行了研究分析。结果显示：试样冻胀后已冻区纵剖面的冷生构造可以分为微薄层状构造区、薄层状构造区以及最暖端厚层状构造区三个部分,其中薄层状构造区下部的冰透镜体的分凝作用是冻胀的主要贡献部分,最暖端厚层状构造区中冰透镜体的分凝作用导致了试样未冻区的固结,试样中冰透镜体的分凝过程与试样的冻胀过程和试后含水率的结果能够相互验证。建立的试验系统可以对土冻胀过程中包括冷生构造发育、冻胀变形、冰分凝等过程进行实时采集和定量分析,为冻胀模型的建立和验证提供了试验方法和技术支撑。 相似文献
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将数字图像测量技术应用于常规土工三轴试验,解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题。自主研发了三轴图像测量系统,发展历程可概括为3个阶段：（1）基于边缘识别的三轴试样变形图像测量,通过跟踪边缘位置的变化确定土样的径向变形,识别橡皮膜上的白色标志线确定土样的轴向变形;（2）基于角点识别的三轴试样变形图像测量,用方形标志块将橡皮膜表面离散成若干单元,测量跟踪单元每一角点（节点）的位置,可得任意时刻的土样表面节点的位移,应用有限元技术,可以得到土样表面的位移（变形）场和应变场;（3）三轴土样变形全表面数字图像测量,以基于角点识别的前表面三轴试样变形测量为基础,增设一组平面镜,用一台摄像机实现了圆柱体土样360度全表面的变形测量,得到每一时刻的表面变形场和应变场。三轴土样变形数字图像测量系统具有传统测量方法无可比拟的优点,对于推动土力学,特别是土的本构关系研究具有重要价值。 相似文献
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水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。 相似文献
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Interpretation of CPTU testing in silt is non-trivial because of the partially drained conditions that are likely to occur during penetration. A better understanding of the pore pressure generation/dissipation is needed in order to obtain reliable design parameters. Following a previous study using X-ray computed tomography (micro-CT) with volumetric digital image correlation (3D-DIC) that clearly showed the formation of distinct dilation and compression areas around the cone; the present work takes a closer look at those areas in order to link volumetric behavior to changes in soil fabric. High-resolution 2D backscattered electron images of polished thin sections prepared from frozen samples at the end of penetration are used. The images have a spatial resolution of 0.4 µm/pixel that allow a clear identification of grains and pore spaces. Image processing techniques are developed to quantify local porosity and obtain the statistical distribution of the particle orientation for the zones around the cone tip and shaft. It is shown that the formation of compaction regions is related to the ability of the grains to rearrange and align along a well-defined preferred orientation forming a more closed-fabric characterized by high anisotropy values, while zones of dilation are associated with a more open packing with grains randomly oriented and with large voids within. These observations suggested that for a saturated soil, water will move from a compressive zone to a neighboring dilative zone, creating a short drainage path. By shedding light on the link between soil fabric and drainage patterns, this study contributes toward a better understanding of the measured macro-response during CPTU tests on silt. 相似文献
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