CN107449378B - 一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试及计算方法 - Google Patents

一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试及计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种岩石表面粗糙程度测试及计算方法，本发明是在三维图像数据的基础上，评定岩石表面不规则几何体对于岩石表面的偏移离散程度，将岩石表面粗糙程度存在各向异性且不同方向上存在随机性考虑进去，三维定量的描述岩石表面粗糙程度，测试计算方法简捷、实用。岩石表面粗糙程度测试步骤叙述了冲击荷载试验后不规则碎块表面粗糙度测试方法，岩石表面粗糙程度计算的实施步骤叙述了通过粗糙度测试获得的三维数据计算岩石表面粗糙度的方法。本发明充分将岩石表面各项异性，且不同方向上存在随机性的问题考虑进去，从三维定量的角度描述岩石表面粗糙性，测量计算方法简捷、实用，适用性强。

Description

一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试及计算方法
技术领域
本发明属于岩石力学实验领域，涉及岩石表面粗糙度实验测试技术，特别是一种基于三维图像对岩石表面粗糙程度的测试及计算方法。
背景技术
岩石在受到静载荷或动载荷破坏时，往往是沿着软弱的结构面发生剪切破坏，而粗糙度是影响抗剪强度极为关键的因素之一，并且节理表面的粗糙度对研究矿岩剪胀效应以及渗流性也具有很重要的意义，现阶段国际岩石力学会普遍接受的描述方法是Barton定义的从0-20的10种JRC(岩石结构面粗糙度系数，Joint Roughness Coefficient)值典型曲线，JRC值广泛用于岩石力学领域，JRC与表面轮廓仪测得的一次导数均方根Z存在对数关系，但是仅限于岩石表面节理线上的二维粗糙度描述；1993年3月西安科技大学学报发表的《岩体节理面的分形与分维研究》将分形几何理论运用到岩石粗糙度描述上；1995年1月岩土工程学报岩发表的《石节理的分形描述》中建立节理剖面的理论分形模型来模拟节理剖面的粗糙性，使用Koch曲线模拟随机节理变量，通过高阶粗糙性统计的高度和长度，生成布朗曲线，计算出相应的分形维数D，上述分形维数研究可从三维角度上描述岩石表面粗糙度的特征，但却未能定量描述；岩石表面粗糙程度存在各向异性且不同方向上存在随机性，且岩石受破坏后表面存在立体结构特性，因此需要从三维立体结构角度来定量描述其粗糙程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试及计算方法，该方法简便易行、结果可靠，它是在三维图像数据的基础上，评定岩石表面不规则几何体对于岩石表面的偏移离散程度，将岩石表面粗糙程度存在各向异性且不同方向上存在随机性考虑进去，三维定量的描述岩石表面粗糙程度，测试计算方法简捷、实用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试方法，按照以下步骤进行：
1)取冲击荷载试验破坏后的岩石试件，试件体积范围10-1000cm3，试件表面被测试范围的面积范围2-50cm2，试件表面被测试范围两点之间最长直线距离不超过7cm；
2)将试件放置于可盛中性清洗剂的容器内，容器容积范围为250-500ml，容器开口面积范围为50-80cm2，容器中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值范围为7-8.5，浸泡时间不低于60s，用防尘毛刷或棉垫对试件擦洗，取出后烘至表面干燥；
3)将试件放置于可左右、前后方向移动的载物台上，将试件表面被测试范围平行于载物台固定，并使试件表面被测试范围向上便于激光扫描仪垂直扫描；
4)选取扫描精度达到1-10μm级别的三维激光扫描仪，将扫描仪置于载物台的垂直上方，且垂直距离为20-30cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.005-0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
5)处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换为不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像。
一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度计算方法，按照以下步骤进行：
1)定义彩色模式平面图像中每个色度值为i，每个色度值对应的像素点数量为Ni，对应的高程为Zi，总像素点数量为M，统计彩色模式平面图像不同色度值i的像素点数量Ni以及不同色度值的高程Zi，则图像的总像素点数量
2)定义各色度值的像素比例为Si：
3)定义试件表面轮廓体积算数平均差为Va、表面轮廓体积均方根差为Vp，将上述数据运用以下公式计算出Va、Vp，Va、Vp即可用以表述岩石表面粗糙程度；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种简便易行、结果可靠的基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试及计算方法，通过描述岩石表面不规则几何体对于基准面的离散特征，评定岩石表面不规则几何体数值，从而描述岩石表面的粗糙程度；本发明充分将岩石表面各项异性，且不同方向上存在随机性的问题考虑进去，从三维定量的角度描述岩石表面粗糙性，相对于分形理论更为直观，测量计算方法简捷、实用，适用性强。
附图说明
图1是本发明的测试步骤图。
图2是本发明的计算步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试方法，按照以下步骤进行：
1)取冲击荷载试验破坏后的岩石试件，试件体积范围10-1000cm3，试件表面被测试范围的面积范围2-50cm2，试件表面被测试范围两点之间最长直线距离不超过7cm。
2)将试件放置于可盛中性清洗剂的容器内，容器容积范围为250-500ml，容器开口面积范围为50-80cm2，容器中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值范围为7-8.5，浸泡时间不低于60s，用防尘毛刷或棉垫对试件擦洗，取出后用风筒烘至表面干燥。
3)将试件放置于可左右、前后方向移动的载物台上，将试件表面被测试范围平行于载物台固定，并使试件表面被测试范围向上便于激光扫描仪垂直扫描。
载物台上装有试件推进器，载物台下有推进器调节轮，可使载物台左右、前后方向的移动，根据试件体积选取可夹持试件两侧的弹簧夹对试件进行固定。
4)选取扫描精度达到1-10μm级别的三维激光扫描仪，将扫描仪置于载物台的垂直上方，且垂直距离为20-30cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.005-0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据。
扫描仪可以固定在可调节高低的三脚架上，通过调整三脚架高度调节扫描仪高度。
5)处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换为不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像。
如图2所示，一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试方法，按照以下步骤进行：
1)定义彩色模式平面图像中每个色度值为i，每个色度值对应的像素点数量为Ni，对应的高程为Zi，总像素点数量为M，统计彩色模式平面图像不同色度值i的像素点数量Ni以及不同色度值的高程Zi，则图像的总像素点数量不同高程Zi对应的不同像素点数量Ni及总像素点数量M见表1：
表1
高程Z<sub>i</sub> 像素点数量N<sub>i</sub>
Z<sub>1</sub> N<sub>1</sub>
Z<sub>2</sub> N<sub>2</sub>
Z<sub>3</sub> N<sub>3</sub>
…… ……
Z<sub>n</sub> N<sub>n</sub>
合计 M
2)定义各色度值的像素比例为Si：
则不同高程对应的像素比例见表2：
表2
高程Z<sub>i</sub> 像素比例S<sub>i</sub>
Z<sub>1</sub> S<sub>1</sub>
Z<sub>2</sub> S<sub>2</sub>
Z<sub>3</sub> S<sub>3</sub>
Z<sub>4</sub> S<sub>4</sub>
Z<sub>5</sub> S<sub>5</sub>
…… ……
Z<sub>n</sub> S<sub>n</sub>
合计 <sub>1</sub>
3)定义试件表面轮廓体积算数平均差为Va、表面轮廓体积均方根差为Vp，将上述数据运用以下公式计算出Va、Vp：
式中，Va、Vp即可用以表述岩石表面粗糙程度。
实施例1：
选取动态冲击压杆试验后角闪岩岩石试件，试件体积400cm3，表面被测试范围的面积为10.5cm2；试件表面被测试范围两点之间最长直线距离为4cm；
将试件放置于烧杯内，烧杯容积为500ml，烧杯开口面积为80cm2，烧杯中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值为7.5，浸泡60s后，用棉垫对试件擦洗，取出后用风筒烘至表面干燥；
将试件放置于载物台，使用F型美式弹簧夹夹住试件两侧将其固定，使表面被测试范围向上且平行于载物台，便于激光扫描仪垂直扫描；
选取3D三维激光扫描仪(HL-3DM)，将扫描仪固定于可调节高低的三脚架上，调整三脚架高度使扫描仪垂直于载物台且垂直距离为20cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
使用Geomagic软件处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换成不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像；
对所上述图像使用ImageMagick软件处理，根据软件计算精度，按10μm跨度取高程值，导出不同色度值像素点数量，统计其不同色度值i的像素点数量Ni、不同色度值的高程Zi及总像素点数量M见表3：
表3
高程Z<sub>i</sub> 像素点数量N<sub>i</sub>
345μm 314
335μm 463
325μm 326
315μm 289
305μm 312
295μm 431
285μm 806
275μm 1657
265μm 2675
255μm 3497
245μm 3568
…… ……
5μm 2864
合计 147971
计算不同色度值对应的像素比例Si见表4：
表4
将上步数据带入公式
计算试件表面被测试范围的表面轮廓体积均方根差Vp＝70.192μm，该试件表面被测试范围的粗糙度值为70.192μm。
实施例2：
选取动态冲击压杆试验后角闪岩岩石试件，试件体积500cm3，表面被测试范围的面积为13cm2；试件表面被测试范围两点之间最长直线距离为4.5cm；
将试件放置于烧杯内，烧杯容积为500ml，烧杯开口面积为80cm2，烧杯中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值为8，浸泡65s后，用棉垫对试件擦洗，取出后用风筒烘至表面干燥；
将试件放置于载物台，使用F型美式弹簧夹夹住试件两侧将其固定，使表面被测试范围向上且平行于载物台，便于激光扫描仪垂直扫描；
选取3D三维激光扫描仪(HL-3DM)，将扫描仪固定于可调节高低的三脚架上，调整三脚架高度使扫描仪垂直于载物台且垂直距离为20cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
使用Geomagic软件处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换成不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像；
对所上述图像使用ImageMagick软件处理，根据软件计算精度，按10μm跨度取高程值，导出不同色度值像素点数量，统计其不同色度值i的像素点数量Ni、不同色度值的高程Zi及总像素点数量M见表5：
表5
计算不同色度值对应的像素比例Si见表6：
表6
高程Z<sub>i</sub> 像素比例S<sub>i</sub>
340μm 0.001306
330μm 0.000843
320μm 0.001907
310μm 0.010763
300μm 0.007042
290μm 0.001909
280μm 0.000886
270μm 0.000819
260μm 0.000356
250μm 0.000341
…… ……
10μm 0.000961
合计 1
将上步数据带入公式
计算试件表面被测试范围的表面轮廓体积均方根差Vp＝68.21μm，该试件表面被测试范围的粗糙度值为68.21μm。
实施例3：
选取动态冲击压杆试验后角闪岩岩石试件，试件体积600cm3，表面被测试范围的面积为16cm2；试件表面被测试范围两点之间最长直线距离为6cm；
将试件放置于烧杯内，烧杯容积为500ml，烧杯开口面积为80cm2，烧杯中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值为7.5，浸泡65s后，用棉垫对试件擦洗，取出后用风筒烘至表面干燥；
将试件放置于载物台，使用F型美式弹簧夹夹住试件两侧将其固定，使表面被测试范围向上且平行于载物台，便于激光扫描仪垂直扫描；
选取3D三维激光扫描仪(HL-3DM)，将扫描仪固定于可调节高低的三脚架上，调整三脚架高度使扫描仪垂直于载物台且垂直距离为20cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
使用Geomagic软件处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换成不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像；
对所上述图像使用ImageMagick软件处理，根据软件计算精度，按10μm跨度取高程值，导出不同色度值像素点数量，统计其不同色度值i的像素点数量Ni、不同色度值的高程Zi及总像素点数量M见表7：
表7
高程Z<sub>i</sub> 像素点数量N<sub>i</sub>
560μm 304
550μm 900
540μm 1346
530μm 2164
520μm 1333
510μm 987
500μm 614
490μm 1645
480μm 2648
470μm 4687
460μm 5597
…… ……
10μm 132
合计 74684
计算不同色度值对应的像素比例Si见表8：
表8
将上步数据带入公式
计算试件表面被测试范围的表面轮廓体积均方根差Vp＝99.87μm，该试件表面被测试范围的粗糙度值为99.87μm。
实施例4：
选取动态冲击压杆试验后角闪岩岩石试件，试件体积250cm3，表面被测试范围的面积为10cm2；试件表面被测试范围两点之间最长直线距离为3.5cm；
将试件放置于烧杯内，烧杯容积为500ml，烧杯开口面积为80cm2，烧杯中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值为8，浸泡75s后，用棉垫对试件擦洗，取出后用风筒烘至表面干燥；
将试件放置于载物台，使用F型美式弹簧夹夹住试件两侧将其固定，使表面被测试范围向上且平行于载物台，便于激光扫描仪垂直扫描；
选取3D三维激光扫描仪(HL-3DM)，将扫描仪固定于可调节高低的三脚架上，调整三脚架高度使扫描仪垂直于载物台且垂直距离为20cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
使用Geomagic软件处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换成不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像；
对所上述图像使用ImageMagick软件处理，根据软件计算精度，按10μm跨度取高程值，导出不同色度值像素点数量，统计其不同色度值i的像素点数量Ni、不同色度值的高程Zi及总像素点数量M见表9：
表9
计算不同色度值对应的像素比例Si如下见表10：
表10
高程Z<sub>i</sub> 像素比例S<sub>i</sub>
260μm 0.000933
250μm 0.010916
240μm 0.020682
230μm 0.042421
220μm 0.02967
210μm 0.030603
200μm 0.019096
190μm 0.050165
180μm 0.082913
170μm 0.072184
…… ……
10μm 0.000404
合计 1
将上步数据带入公式
计算试件表面被测试范围的表面轮廓体积均方根差Vp＝32.68μm，该试件表面被测试范围的粗糙度值为32.68μm。

Claims (1)

1.一种基于三维图像的岩石表面粗糙程度计算方法，其特征在于，基于三维图像的岩石表面粗糙程度测试方法，按照以下步骤进行：
1)取冲击荷载试验破坏后的岩石试件，试件体积范围1-1000cm3，试件表面被测试范围的面积范围2-50cm2，试件表面被测试范围两点之间最长直线距离不超过7cm；
2)将试件放置于可盛中性清洗剂的容器内，容器容积范围为250-500ml，容器开口面积范围为50-80cm2，容器中加入中性清洗剂至没过试件顶端，清洗剂PH值范围为7-8.5，浸泡时间不低于60s，用防尘毛刷或棉垫对试件擦洗，取出后烘至表面干燥；
3)将试件放置于可左右、前后方向移动的载物台上，将试件表面被测试范围平行于载物台固定，并使试件表面被测试范围向上便于激光扫描仪垂直扫描；
4)选取扫描精度达到1-10μm级别的三维激光扫描仪，将扫描仪置于载物台的垂直上方，且垂直距离为20-30cm；调整载物台平移速度，使载物台以0.005-0.01m/s的速度平移直至表面被测试范围形貌扫描完成，获得表面被测试范围三维立体模型及三维点云数据；
5)处理表面被测试范围的三维立体模型及三维点云数据，将其转换为不同色度值代表不同高程的彩色模式平面图像；
基于三维图像的岩石表面粗糙程度计算方法，按照以下步骤进行：
1)定义彩色模式平面图像中每个色度值为i，每个色度值对应的像素点数量为Ni，对应的高程为Zi，总像素点数量为M，统计彩色模式平面图像不同色度值i的像素点数量Ni以及不同色度值的高程Zi，则图像的总像素点数量
2)定义各色度值的像素比例为Si：
3)定义试件表面轮廓体积算数平均差为Va、表面轮廓体积均方根差为Vp，将上述数据运用以下公式计算出Va、Vp，Va、Vp即可用以表述岩石表面粗糙程度；
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