基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的巖石峰后CT圖像分析*

劉樹新 楊 飛 朱雪松 陳 園

(內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院)

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的巖石峰后CT圖像分析*

劉樹新 楊 飛 朱雪松 陳 園

(內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院)

為了分析峰后巖石損傷特征及細觀損傷的演化過程，利用MATLAB語言進行編程，將峰后砂巖CT圖像處理為256級灰度圖像，通過對灰度圖像進行拉普拉斯銳化、圖像偽彩色增強處理提高圖像的視覺效果，為研究峰后巖石破裂過程以及提取CT圖像中裂紋等信息提供依據(jù)。

圖像處理 峰后巖石 CT圖像 MATLAB

一般來說，巖石內(nèi)含有多種天然礦物，經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變以及不同程度的構(gòu)造運動，其內(nèi)部自然會出現(xiàn)一些隨機分布的裂隙以及微觀孔隙。眾所周知，巖石是一種復(fù)雜且特殊的材料，固體力學理論是建立在假定介質(zhì)材料均勻且連續(xù)的基礎(chǔ)上的，其應(yīng)用到巖石力學中具有一定局限性。近年來，國內(nèi)外的學者將CT技術(shù)[1-2]應(yīng)用到巖石力學研究領(lǐng)域，為研究峰后砂巖損傷過程提供了一種有效手段。但如何從峰后砂巖CT圖像中提取有關(guān)峰后砂巖的信息，是峰后巖石CT圖像分析的難點。為此，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)來提高峰后砂巖CT圖像的視覺效果，為更好地研究峰后砂巖斷裂機理以及提取巖石CT圖像中的裂紋等信息提供參考。

1 MATLAB數(shù)字圖像處理軟件

MATLAB軟件由Math Works公司開發(fā)，具有矩陣操作、語言編碼、圖形處理等功能，被廣泛應(yīng)用到數(shù)學、機械工程等諸多領(lǐng)域。MATLAB 6.x擁有20種圖像處理函數(shù)，按功能可分為圖像顯示、圖像文件I/O、圖像算術(shù)運算、幾何變換、圖像登記、像素值與統(tǒng)計、圖像分析、圖像增強、線性濾波、線性二元濾波設(shè)計、圖像去模糊、圖像變換、鄰域與塊處理、灰度與二值圖像的形態(tài)學運算、結(jié)構(gòu)元素創(chuàng)建與處理、基于邊緣的處理、色彩映射表操作、色彩空間變換及圖像類型轉(zhuǎn)換等[3]。

2 砂巖三軸峰后CT掃描試驗

該試驗是在中科院寒旱所國家重點實驗室進行,CT機的分辨率為0.35 mm,三軸試驗設(shè)備的軸壓最大能達到400 kN,最大圍壓為20 MPa，通過液壓油對試樣加壓，軸向最大位移為40 mm。選用烏海某煤礦砂巖，巖樣在內(nèi)蒙古科技大學巖石力學實驗室加工而成，巖樣制備嚴格符合國際巖石力學學會關(guān)于試驗規(guī)范的要求。試樣制備且篩選后，最終用于試驗的巖樣為5塊砂巖。試驗首先對峰后試件在未受力時進行初次CT掃描，然后在固定的圍壓下逐步加軸壓,荷載控制在0.02 MPa/s，在不同軸壓下共掃描8次，掃描層厚為3 mm。

3 峰后砂巖CT圖像處理

3.1 峰后砂巖CT圖像灰度轉(zhuǎn)換

采用MATLAB語言編寫程序?qū)⒎搴笊皫r圖像轉(zhuǎn)換為256級灰度圖像見圖1。

圖1 峰后砂巖256級灰度CT圖像

3.2 圖像增強

3.2.1 圖像銳化

改善圖像視覺效果的方法主要有2種：①圖像增強，不考慮圖像的質(zhì)量，僅選擇性的突出圖中有用的信息特征，淡化其次要的信息提高圖像的可讀性；②圖像復(fù)原，設(shè)法補償圖像質(zhì)量差，從而使得處理后的圖像更接近原始圖像提高圖像的逼真度。圖像銳化作為圖像增強的一種典型方法能夠降低圖像模糊程度、突出目標邊界，使圖像變得更加清晰。將圖1進行拉普拉斯銳化處理，結(jié)果見圖2。

圖2 銳化后的峰后砂巖CT灰度圖像

經(jīng)過銳化處理后，相對于圖1而言，圖2中峰后砂巖裂紋等微缺陷信息的清晰度得到了較大程度的提高。

3.2.2 偽彩色增強

峰后砂巖CT圖像進行銳化處理后，盡管清晰度得到了較大提高，但要清晰識別圖像中的一些細觀結(jié)構(gòu)變化及裂隙信息，仍較困難。因此，有必要對銳化處理后的圖像繼續(xù)進行增強處理。盡管人眼對灰度等級的分辨力較為有限，但人眼對彩色的分辨力卻比較敏感，能夠區(qū)分出上千種具有不同色度和飽和度的顏色。據(jù)此，可對銳化后的峰后砂巖CT灰度圖像進行偽彩色增強處理。當前，偽彩色增強編碼方法主要有密度分層法、像素自身變換法、灰度級-彩色變換法等。綜合考慮上述方法的優(yōu)缺點，針對巖石的CT圖像特征，采用灰度級-彩色變換技術(shù)的編碼方法完成峰后砂巖CT圖像的偽彩色增強處理，結(jié)果見圖3。

圖3 不同軸壓下峰后砂巖CT圖像偽彩色增強

由圖3可知，基于熱金屬編碼法實現(xiàn)的CT圖像偽彩色增強視覺效果較好，從圖中可以直觀再現(xiàn)峰后砂巖細觀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的裂隙、孔隙隨載荷的演變情況。

4 結(jié) 語

通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對峰后砂巖CT圖像進行處理，可以清晰看出峰后砂巖裂紋信息及同一試樣在固定圍壓下逐漸加軸壓的過程中峰后砂巖的變化情況。從經(jīng)過偽彩色增強后的峰后砂巖CT圖像中可以進一步分析峰后巖石在逐漸加軸壓過程中的破裂過程。

[1] 楊更社，劉 慧.基于CT圖像處理技術(shù)的巖石損傷特性研究[J].煤炭學報，2007，32(5)：463-468.

[2] 任建喜，惠興田.裂隙巖石單軸壓縮損傷擴展細觀機理CT分析初探[J].巖土力學，2005(S):48-51.

[3] 孫兆林.MATLAB 6.x圖像處理[M].北京：清華大學出版社，2002.

淡水河谷下調(diào)2015年鐵礦石收支平衡價格

據(jù)《路透》報道，由于鐵礦石價格下跌，淡水河谷將2015年生產(chǎn)每噸鐵礦石并運送至中國的收支平衡價格，由之前的43美元，調(diào)降至37～41美元。淡水河谷亦將2018年資本支出的預(yù)估，由之前的49億美元調(diào)降為40億美元。報道指出，日前淡水河谷執(zhí)行長muriloferreira預(yù)期，中國鋼鐵行業(yè)可能在2015年下半年復(fù)蘇。

*國家自然科學基金項目(編號：51264028)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目(編號：NJZY11147)。

2014-12-31)

劉樹新(1971—),男，教授，博士,碩士研究生導(dǎo)師，014010 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)阿爾丁大街7號。