牟春梅, 吳浩杰, 黃少染, 周子良

(桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院； b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

土工三軸試驗(yàn)是獲取土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的重要技術(shù)手段, 在重大工程與科學(xué)研究中經(jīng)常進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。常規(guī)三軸試驗(yàn)由于受到試驗(yàn)儀器和計(jì)算方法的限制, 存在以下幾方面不足[1-7]: (1)在獲取變形土樣的徑向長(zhǎng)度時(shí), 假定土樣不同高度處的徑向長(zhǎng)度完全相同, 通過(guò)軸向變形量與體積變化量計(jì)算得到土樣的平均徑向長(zhǎng)度。然而, 實(shí)際試驗(yàn)中不同截面的變形是變化的, 特別是土樣中部是向外凸起的(圖1), 其計(jì)算值不能反映土樣的實(shí)際應(yīng)變狀態(tài); (2)獲取的軸向變形、 徑向變形反映的是土樣整體的平均變形, 不能對(duì)局部應(yīng)變進(jìn)行有效的測(cè)量, 對(duì)不均勻土樣難以準(zhǔn)確地獲知薄弱部位; (3)土樣的體積是通過(guò)變形過(guò)程中土樣吸入或排出水量的多少測(cè)定的, 這就要求土樣完全飽和, 無(wú)法直接對(duì)非飽和土進(jìn)行體積變形測(cè)量。數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)是利用被攝物體的數(shù)字圖像或相片提取被攝物體的幾何、 位移、 變形的測(cè)量技術(shù)[8-9]。運(yùn)用數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)對(duì)三軸試驗(yàn)過(guò)程中土樣的軸向應(yīng)變、 徑向應(yīng)變、 體變、 局部應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量的三軸試驗(yàn)改良方法稱之為基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)。將數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)與土工三軸試驗(yàn)相結(jié)合, 不僅能有效地克服常規(guī)三軸試驗(yàn)所存在的上述缺陷, 還能擴(kuò)展常規(guī)三軸試驗(yàn)的應(yīng)用范圍。目前已有多種圖像測(cè)量方法運(yùn)用于三軸土體變形測(cè)量當(dāng)中[10], 為促進(jìn)數(shù)字圖像測(cè)量在土工三軸試驗(yàn)中的發(fā)展, 很有必要對(duì)現(xiàn)存的數(shù)字圖像測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)和梳理。

圖1 土樣縱截面形態(tài)

在廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上, 筆者等對(duì)目前具有發(fā)展前景、 在三軸土樣變形測(cè)量中得以應(yīng)用的3種數(shù)字圖像測(cè)量方法(基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)、 基于土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的三軸試驗(yàn)、 基于攝影測(cè)量的三軸試驗(yàn))進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié), 詳盡地闡述了各測(cè)量方法的測(cè)量原理和局限性， 通過(guò)對(duì)比不同測(cè)量方法指出: 基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)從局部平面測(cè)量逐漸向全方位三維立體測(cè)量發(fā)展, 尋找一種精確、 高效的三維重建方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸土樣解析是基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。針對(duì)不同的數(shù)字圖像測(cè)量方法, 提出了不同的改良方法, 隨著數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的逐步深入, 基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)將可能成為取代常規(guī)三軸試驗(yàn)的一種新型三軸試驗(yàn)測(cè)量方法。

1 基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)

基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)是指將圖像處理分析技術(shù)(DIA)、 圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)運(yùn)用于三軸土樣變形測(cè)量的三軸試驗(yàn)改良方法, 該方法以三軸土樣的體積測(cè)量與土樣全表面局部應(yīng)變測(cè)量為主要目標(biāo)。

1.1 基于數(shù)字圖像分析的三軸試驗(yàn)

基于數(shù)字圖像分析的三軸試驗(yàn)是指利用三軸試驗(yàn)土樣在圖像中的邊界輪廓, 確定三軸土樣的軸向應(yīng)變、 徑向應(yīng)變、 體變的三軸試驗(yàn)改良方法[11-12]。1993年, 為研究失重狀態(tài)下三軸土樣的變形特征, Macari等[13]將數(shù)字圖像技術(shù)、 計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)運(yùn)用于常規(guī)三軸試驗(yàn), 通過(guò)在三軸試驗(yàn)儀前架設(shè)攝影架臺(tái)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的三軸土樣進(jìn)行拍攝, 獲取土樣的數(shù)字圖像, 利用計(jì)算機(jī)灰度識(shí)別確定圖像中土樣的邊界; 通過(guò)相機(jī)方位與三軸壓力室、 三軸土樣之間的幾何關(guān)系, 利用光線追蹤技術(shù)建立了二維折射修正模型(圖2)； 對(duì)多重介質(zhì)(有機(jī)玻璃壓力室、 水、 空氣)折射引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣軸向變形、 任意徑向截面直徑、 體積的測(cè)量。

圖2 徑向折射修正模型簡(jiǎn)圖

通過(guò)該方法初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸土樣的數(shù)字化測(cè)量, Macari等[13]所提出的二維折射修正模型是首個(gè)折射修正模型, 該模型定量描述了相機(jī)拍攝方位、 折射效應(yīng)、 圖像變形之間的數(shù)學(xué)關(guān)系, 并成為后續(xù)處理折射問(wèn)題的重要參考依據(jù)。 在該折射模型的基礎(chǔ)之上, Gachet等[12]為了簡(jiǎn)化折射校正過(guò)程, 提出了通過(guò)簡(jiǎn)單的線性或者二次方程對(duì)多重介質(zhì)折射問(wèn)題進(jìn)行修正的折射修正方法; Rechenmacher[14]提出了三維空間尺度上的3D折射模型， 用于處理不同介質(zhì)交界面處的折射問(wèn)題, 通過(guò)光線追蹤可實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣表面所有人工標(biāo)記點(diǎn)的折射修正； Alshibli等[11]將圓柱形壓力室改制為等邊三棱柱狀壓力室, 通過(guò)CT技術(shù)對(duì)變形后的土樣進(jìn)行掃描, 獲取高分辨率的變形土樣圖像, 并對(duì)徑向掃描圖像進(jìn)行三次樣條插值得到了土樣徑向變形的全過(guò)程以及土樣體積變化。CT掃描能獲高分辨率的數(shù)字圖像, 但是改造壓力室、 安裝CT掃描設(shè)備會(huì)增加試驗(yàn)的成本, 不具備普遍的適用性?；趫D像分析的三軸試驗(yàn)通過(guò)土樣邊界確定土樣的變形, 在實(shí)際運(yùn)用中, 由于照片的分辨率、 光線的明暗變化、 土樣變形產(chǎn)生的假邊界、 邊界識(shí)別算法等非理想因素使得土體邊界的獲取艱難且費(fèi)時(shí)。因此， 提升土樣邊界的識(shí)別精度是實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確地測(cè)量土樣變形的關(guān)鍵, 土樣的邊界識(shí)別主要受兩個(gè)因素影響： 一是圖像的分辨率， 二是計(jì)算機(jī)軟件的圖像識(shí)別技術(shù)。Gachet等[12]為了增強(qiáng)土樣邊界的識(shí)別精度, 通過(guò)使用高分辨率相機(jī)、 外部補(bǔ)光等措施提高圖像的清晰度, 采用基于亞像素級(jí)別的圖像識(shí)別算法對(duì)土樣邊界進(jìn)行識(shí)別, 實(shí)現(xiàn)了更為準(zhǔn)確的土樣變形測(cè)量。

隨著專業(yè)量測(cè)相機(jī)、 高分辨相機(jī)的普及, 高分辨率圖像的獲取更為簡(jiǎn)單, 并且隨著計(jì)算機(jī)處理水平的提高, 圖像的識(shí)別單元可精確到亞像素級(jí)別, 圖像的識(shí)別算法也有了巨大的發(fā)展。土樣的邊界識(shí)別精度更高, 基于圖像分析的三軸試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果更為精確， 但基于圖像分析的三軸試驗(yàn)在實(shí)際的運(yùn)用中存仍存在以下問(wèn)題: (1)局限于二維平面的測(cè)量, 只能獲取成像平面上土樣的變形, 無(wú)法獲取土樣的三維空間尺度的各向變形。 (2)現(xiàn)有的幾種折射處理方式并不能很好地解決折射問(wèn)題: ① Macari等[13]所建立的折射校正模型, 需要滿足以下幾個(gè)假設(shè)條件: a.隨著軸向壓力的施加, 土體各向均勻變形; b.隨著圍壓的施加, 壓力室保持初始的圓柱狀, 不發(fā)生膨脹變形; c.土樣安裝在壓力室的中心, 相機(jī)、 壓力室及土樣的相對(duì)位置需確定， 然而, 其假設(shè)條件在現(xiàn)實(shí)情況中難以滿足, 其折射校正值也難以達(dá)到預(yù)期水準(zhǔn)。 ② Alshibli等[11]將常規(guī)的圓柱形三軸壓力室改制為等邊三棱鏡狀壓力室, 相機(jī)拍攝方向的壓力室壁為平面板狀, 該方法能有效降低折射引起的放大效應(yīng), 無(wú)需復(fù)雜的折射校正, 測(cè)量值可近似地認(rèn)為是土樣的真實(shí)值, 但改制的壓力室雖能有效地降低折射的影響, 卻無(wú)法完全消除折射的影響, 測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間仍存在誤差, 并且改制的三軸壓力室不適用于常規(guī)三軸試驗(yàn), 不具有普遍的適用性。 ③ Gachet 等[12]利用物像之間的線性關(guān)系對(duì)徑向長(zhǎng)度進(jìn)行折射校正, 該折射校正方法需要滿足: a.每次土樣安裝的位置必須相同, 不能有偏移; b.相機(jī)與土樣之間的距離恒定, 相機(jī)拍攝方向水平, 并且隨著變形的增加, 測(cè)量誤差也逐漸增加。

1.2 基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的三軸試驗(yàn)

基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的三軸試驗(yàn)是指通過(guò)對(duì)三軸土樣變形前后的圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理(圖3), 實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸土樣表面應(yīng)變分布測(cè)量的三軸試驗(yàn)改良方案[15]。

圖3 測(cè)量原理示意圖

Chu等[15]根據(jù)圖像中的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)不同圖像中的同名點(diǎn)進(jìn)行匹配, 得到該點(diǎn)的位移變形， 首次將圖像相關(guān)技術(shù)運(yùn)用于土工試驗(yàn)中。土樣表面的紋理變化是實(shí)現(xiàn)土樣的局部位移變形測(cè)量的關(guān)鍵。不同數(shù)字圖像中同名點(diǎn)的匹配算法主要分為3類: 基于面積的匹配算法、 基于表面紋理特征的匹配算法、 基于面積和紋理的混合匹配算法[16]。無(wú)論哪一種匹配算法, 首先都需要保證土樣表面具備足夠清晰的可識(shí)別紋理特征(網(wǎng)格、 色塊、 陰影、 光斑等), 紋理特征在圖像中表現(xiàn)為不同的圖像強(qiáng)度參數(shù), 通過(guò)匹配變形前后圖像中的相同圖像強(qiáng)度參數(shù), 確定同名點(diǎn)從而獲得該點(diǎn)的變形。

Alshibli等[17]在包裹土樣的橡皮膜表面繪制正方形網(wǎng)格, 通過(guò)人工處理加強(qiáng)土樣的紋理特征, 并用變形后的網(wǎng)格圖像確定剪切帶的剪切方向和剪切帶的厚度。圖像相關(guān)技術(shù)通過(guò)追蹤同名點(diǎn)的變化獲取土樣表面的局部變形, 土樣表面的每一個(gè)識(shí)別紋理相當(dāng)于一個(gè)位移傳感器, 通過(guò)土樣表面的識(shí)別紋理, 可得到土樣局部位移變形數(shù)據(jù), 這些測(cè)量數(shù)據(jù)是一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)。 為了獲取土樣表面任意位置的變形, Lin等[18]基于局部測(cè)量數(shù)據(jù), 提出了一種三維空間尺度上的有限元插值處理方法, 將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的變形區(qū)域, 測(cè)量區(qū)域不再局限于土樣表面紋理處, 而是擴(kuò)展至土樣全表面, 通過(guò)該方法得到了三軸土樣的應(yīng)變分布, 揭示了土樣剪切破壞的形成與演化規(guī)律。數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)仍局限于二維平面的測(cè)量, 為了獲取土樣在三維空間的不均勻變形, Higo等[19]和Takano等[20]將CT掃描技術(shù)與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相結(jié)合, 對(duì)飽和砂土的局部應(yīng)變特征進(jìn)行研究, 利用兩臺(tái)CT儀同時(shí)對(duì)土樣的軸面和徑向截面進(jìn)行掃描, 獲取土樣的軸向截面和徑向截面圖像, 以砂土顆粒作為標(biāo)記識(shí)別點(diǎn), 追蹤不同圖像中對(duì)應(yīng)標(biāo)記識(shí)別點(diǎn)的相對(duì)位移, 得到土樣在軸向和徑向平面上的位移, 實(shí)現(xiàn)3D立體測(cè)量, 揭示了飽和砂土局部剪切破壞的形成與發(fā)展過(guò)程。王學(xué)濱等[21]將粒子群優(yōu)化算法(PSO)引入基于Newton-Raphson(N-R)迭代的DIC方法中, 以充分利用PSO算法的全局搜素能力與N-R的局部搜素能力, 提高不同圖像中同名點(diǎn)之間的匹配精度。王鵬鵬等[22]將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與DEM數(shù)值模擬結(jié)合, 利用數(shù)字相關(guān)技術(shù)觀測(cè)試樣表面的整體變形和局部變形, 通過(guò)DEM數(shù)值模擬分析, 可觀測(cè)到試樣內(nèi)部土顆粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。在二維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 基于立體視覺(jué)原理發(fā)展形成了3D-DIC技術(shù), 運(yùn)用兩臺(tái)成一定角度的相機(jī)同時(shí)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行拍攝, 根據(jù)兩張圖像還原物體的三維空間形態(tài), 3D-DIC技術(shù)在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[23-24]。由于壓力室引起的折射問(wèn)題難以解決, 難以將3D-DIC技術(shù)運(yùn)用于三軸試驗(yàn)中。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在土工三軸試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)對(duì)土樣表面的微小變形具有很好的檢測(cè)效果, 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土樣任意部位的局部變形進(jìn)行有效監(jiān)測(cè), 能直觀反映出土樣的表面變形; (2)為研究三軸壓縮過(guò)程中土樣的局部應(yīng)變、 揭示試樣的剪切破壞規(guī)律提供了便捷準(zhǔn)確的測(cè)試手段。

然而, 基于數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)的三軸試驗(yàn)存在以下不足: (1)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)運(yùn)用單相機(jī)進(jìn)行土樣圖像采集, 通過(guò)對(duì)比處于同一成像平面上的兩幅圖像, 獲得物體表面點(diǎn)在成像平面上的位移與應(yīng)變, 無(wú)法獲取偏離成像平面的位移, 一旦表面點(diǎn)位移偏離， 成像平面會(huì)造成明顯的誤差[25-27]; (2)土樣表面必須具有大量的、 清晰的紋理特征, 且在變形過(guò)程中保持穩(wěn)定, 紋理特征的改變將會(huì)在很大程度上影響不同圖像間同名點(diǎn)的匹配精度, 影響測(cè)量精度; (3)僅能對(duì)試驗(yàn)表面某個(gè)局部平面進(jìn)行測(cè)量, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)土樣的全表面測(cè)量, 采用多相機(jī)拍攝無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全同步, 且每部相機(jī)的測(cè)量誤差亦不同, 無(wú)法統(tǒng)一分析; (4)不同圖像的關(guān)聯(lián)處理受到諸多因素的影響, 如光線的強(qiáng)弱、 圖像的清晰度、 計(jì)算機(jī)匹配算法等都極易影響最終的結(jié)果[28]。

2 基于三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的三軸試驗(yàn)

2000年, 邵龍?zhí)督淌诘膱F(tuán)隊(duì)將數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)與常規(guī)三軸試驗(yàn)相結(jié)合, 經(jīng)過(guò)十多年的探索與努力, 研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多功能土工三軸試驗(yàn)儀——三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)[29]?；趫D像分析的三軸試驗(yàn)中, 難以實(shí)現(xiàn)土樣邊界的完整識(shí)別, 三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)采用亞像素角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行土樣邊界的識(shí)別。試驗(yàn)前， 在包裹土樣的黑色橡皮膜表面繪制白色方格, 通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)識(shí)別包裹土樣的橡皮膜上白色正方形的角點(diǎn)[30](圖4), 通過(guò)追蹤角點(diǎn)的變形得到土樣的變形。邵龍?zhí)兜萚31]利用土樣邊緣角點(diǎn)確定土體邊界, 通過(guò)追蹤土樣表面的各個(gè)角點(diǎn)的位移得到土樣的局部變形信息, 揭示土樣剪切破壞后的變形規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)單相機(jī)對(duì)試驗(yàn)全表面的觀測(cè), 將三軸壓力室設(shè)計(jì)成平面板狀玻璃壓力室(圖5a、 b), 壓力室主體釆用不銹鋼, 前表面(觀測(cè)面)裝嵌平板鋼化玻璃; 壓力室中安裝有照明系統(tǒng)以及兩面可調(diào)節(jié)方位的反光鏡(圖5c), 利用兩塊反光鏡的反射實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣側(cè)表面的測(cè)量, 最后通過(guò)像素當(dāng)量歸一化處理與數(shù)據(jù)拼接, 將不同成像平面上的標(biāo)記點(diǎn)展開(kāi)在同一物距的二維平面坐標(biāo)系中, 實(shí)現(xiàn)土樣全表面的二維平面測(cè)量[32-33]。劉港等[34]運(yùn)用四節(jié)點(diǎn)矩形有限元單元分析將離散位移轉(zhuǎn)換為連續(xù)的變形單元, 將每相鄰的4個(gè)角點(diǎn)確定的四邊形作為有限單元, 通過(guò)有限元分析, 得到三軸土樣全表面的應(yīng)變場(chǎng)圖。數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)不僅適用于常規(guī)三軸試驗(yàn), 同樣也可在動(dòng)三軸試驗(yàn)中適用, 趙博雅等[35]將數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用于尾粉砂動(dòng)三軸試驗(yàn)中, 通過(guò)與傳統(tǒng)傳感器測(cè)量結(jié)果的比較, 驗(yàn)證了使用圖像測(cè)量方法測(cè)量動(dòng)位移、 動(dòng)應(yīng)變和進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)是可行的。

圖4 土樣表面角點(diǎn)識(shí)別(引自劉港[33])

圖5 鋼化玻璃壓力室(引自劉港[33])

三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)與基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的三軸試驗(yàn)相比具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣的體積和局部應(yīng)變測(cè)量; (2)利用亞像素角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)別的精確定位, 對(duì)角點(diǎn)的位移識(shí)別更為靈敏; (3)通過(guò)邊緣角點(diǎn)確定土體邊界, 克服了獲取完整邊界的難題, 提高了邊界識(shí)別的準(zhǔn)確度; (4)通過(guò)平面板狀新型壓力室, 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用單相機(jī)對(duì)土樣全表面的測(cè)量, 克服了多相機(jī)系統(tǒng)的難以實(shí)現(xiàn)完全同步性的難題, 可以較為精確地測(cè)量土樣的局部變形特征、 剪切帶的形成與演化; (5)新型壓力室不僅可應(yīng)用于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)中, 還可應(yīng)用于平面應(yīng)變?cè)囼?yàn), 克服平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)中的摩擦問(wèn)題[36]。然而, 全新一代三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)仍存在以下問(wèn)題: (1)計(jì)算土樣體積時(shí)仍需假定土樣各向同性均勻變形, 對(duì)變形接近各向同性的壓實(shí)土樣的體積測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確, 但對(duì)非各向同性變形的土樣, 測(cè)量結(jié)果不佳[37]; (2)全表面的測(cè)量需要將不在同一成像平面上的3幅圖像拼合在同一物距的坐標(biāo)系中, 在當(dāng)量化歸一處理、 數(shù)據(jù)拼接過(guò)程中極易產(chǎn)生測(cè)量誤差; (3)平面板狀壓力室無(wú)法完全消除折射的影響, 測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間存在誤差; (4)局限于二維平面測(cè)量, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)土樣的三維立體測(cè)量。

3 基于新型攝影測(cè)量方法的三軸試驗(yàn)

Zhang等[38-39]提出了一種基于新型攝影測(cè)量方法的三軸試驗(yàn), 其拍照方式、 成像原理、 折射校正模型與傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法具有明顯的區(qū)別。他們提出的新型攝影測(cè)量方法以RAD(ringed automatically detected)編碼點(diǎn)為標(biāo)記識(shí)別點(diǎn)標(biāo)記在包裹土樣的橡皮膜上, 利用一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)從不同方位對(duì)三軸土樣進(jìn)行環(huán)繞式拍照, 獲取土樣全表面的數(shù)字圖像, 通過(guò)PhotoModer Scanner軟件對(duì)數(shù)字圖像中的RAD編碼點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與提取, 獲取RAD編碼點(diǎn)在三維空間中的三維點(diǎn)云坐標(biāo)。運(yùn)用光線追蹤的方法對(duì)折射效應(yīng)進(jìn)行修正時(shí), 折射界面對(duì)于折射光線的方向影響至關(guān)重要。Macari等[13]所建立的折射校正模型將壓力室罩視為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體, 將圓柱狀壓力室罩的內(nèi)外壁作為折射截面, 并未考慮隨著圍壓的施加, 圓柱狀壓力室罩發(fā)生鼓脹變形, 此時(shí)的折射截面與理想的折射截面不符, 會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。Zhang等[38-39]利用壓力室表面編碼點(diǎn)的三維空間坐標(biāo), 通過(guò)函數(shù)的擬合確定符合壓力室形態(tài)的三維函數(shù)界面, 將該界面作為實(shí)際的折射界面, 運(yùn)用光線追蹤建立三維折射校正模型， 以此求出壓力室外表面折射點(diǎn)Di, 壓力室內(nèi)表面折射點(diǎn)Ci和折射光線傳播路徑(圖6a)。由于外部因素的干擾無(wú)法避免, 導(dǎo)致多條反向光線無(wú)法按理想狀態(tài)匯聚成一點(diǎn), 運(yùn)用最小二乘法確定最終的交匯點(diǎn)P, 實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的準(zhǔn)確定位(圖6b)。最后根據(jù)消除折射干擾后的RAD編碼點(diǎn)的三維點(diǎn)云坐標(biāo)重構(gòu)土體的三維立體模型, 實(shí)現(xiàn)土體軸向應(yīng)變、 徑向應(yīng)變、 體變、 局部應(yīng)變的測(cè)量, 局部應(yīng)變計(jì)算方法與Lin等[18]所使用的方法相同。

圖6 光線追蹤過(guò)程示意圖

基于新型攝影測(cè)量方法的三軸試驗(yàn)是一種全新的三軸試驗(yàn)方法, 能夠根據(jù)數(shù)字圖像直接重構(gòu)出土樣的三維空間形態(tài), 使得圖像測(cè)量不再局限于二維平面測(cè)量, 根據(jù)土樣的重構(gòu)三維模型, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣的三維立體測(cè)量。此外, Zhang等[38-39]所提出的三維折射模型中, 考慮了壓力室變形所造成的折射界面的改變對(duì)折射校正測(cè)量結(jié)果的影響。然而, 基于新型攝影測(cè)量方法的三軸試驗(yàn)具有以下局限[40-42]: (1)采用的單相機(jī)多方位拍攝方式難以實(shí)現(xiàn)完全同步, 即拍攝時(shí)刻完全同步, 土樣的變形完全相同。 (2)隨著土樣變形程度的加劇, 編碼點(diǎn)出現(xiàn)脫落或扭曲變形, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別, 測(cè)量精度逐漸降低。 (3)光線追蹤需要對(duì)多個(gè)獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行精確化計(jì)算, 該過(guò)程需要滿足: ①表示壓力室三維空間形態(tài)的數(shù)學(xué)模型與壓力室的真實(shí)形態(tài)完全吻合; ②壓力室的厚度均勻; ③準(zhǔn)確的獲取相機(jī)參數(shù)。 (4)無(wú)法實(shí)現(xiàn)短時(shí)間間隔內(nèi)的連續(xù)采集測(cè)量。

通過(guò)以上3種方法的對(duì)比分析可知: 基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)對(duì)土樣的整體變形測(cè)量與局部測(cè)量是單獨(dú)進(jìn)行的, 只能針對(duì)變形土樣的某個(gè)平面進(jìn)行觀測(cè), 無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣全表面的測(cè)量, 基于三軸土樣全表面變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用角點(diǎn)識(shí)別技術(shù), 克服了土樣邊界識(shí)別的難題, 并且能夠同時(shí)對(duì)土樣的整體和局部變形進(jìn)行測(cè)量, 通過(guò)圖像拼接, 將測(cè)量平面擴(kuò)展為土樣的全表面； 然而, 這兩種方法局限于二維平面測(cè)量, 不能獲取相機(jī)光軸方向上的“深度”信息, 對(duì)土樣進(jìn)行三維重構(gòu)時(shí)需要假定土樣各向同性變形, 由于土樣的不均勻性, 土樣的變形是各向不一的, 基于各向同性的假設(shè)重構(gòu)得到的土樣三維形態(tài)與試樣的真實(shí)形態(tài)具有較大差異。 (2)新型攝影測(cè)量方法利用多視角圖像, 重構(gòu)土樣的三維空間形態(tài), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)土樣的三維立體測(cè)量, 無(wú)需假定土樣各向均勻變形, 提出了高精度的折射校正模型, 但該折射校正模型計(jì)算繁復(fù), 受到外部因素的影響較大。 此外, 新型攝影測(cè)量方法需要大量的數(shù)據(jù)圖像, 無(wú)法對(duì)土樣進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

基于上述問(wèn)題, 尋找一種精確、 高效的三維重建方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸試樣準(zhǔn)確的三維空間姿態(tài)再現(xiàn)是基于攝影測(cè)量的三軸試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。Zhang等[38-39]提出的新型攝影測(cè)量技術(shù)在很大程度上克服了以上問(wèn)題, 雖然該方法結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域、 攝影測(cè)量科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的前沿科學(xué)成果, 但對(duì)該方法的研究與應(yīng)用仍不足, 加強(qiáng)對(duì)該方法在實(shí)際三軸試驗(yàn)中土樣變形測(cè)量的運(yùn)用和改良具有十分重要的意義, 也是未來(lái)常規(guī)三軸變形測(cè)量的研究熱點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

(1)基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)運(yùn)用二維折射修正模型、 建立線性修正函數(shù)、 改造壓力室等技術(shù)手段對(duì)多重介質(zhì)折射問(wèn)題進(jìn)行處理。 通過(guò)對(duì)土樣邊界、 人工標(biāo)記識(shí)別點(diǎn)的識(shí)別, 實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣軸向、 徑向、 體積與局部變形的測(cè)量。然而, 該方法所使用的折射修正方法皆不能很好地消除折射的影響, 并且無(wú)法同時(shí)獲取土樣的整體變形和局部變形。 針對(duì)上述問(wèn)題, 可從以下兩方面對(duì)基于數(shù)字圖像技術(shù)的三軸試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn): ①完善折射修正模型: 折射問(wèn)題的處理是實(shí)現(xiàn)土樣體積、 應(yīng)變準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵性技術(shù)難題, 相機(jī)方位、 相機(jī)與土樣之間的相對(duì)距離、 折射界面的變化等非理想因素, 會(huì)直接影響折射修正的精度, 根據(jù)實(shí)際情況對(duì)折射模型進(jìn)行完善, 使其更符合實(shí)際條件, 實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的折射修正。②識(shí)別算法的改進(jìn): 土樣圖像的識(shí)別是實(shí)現(xiàn)土樣變形的基礎(chǔ), 運(yùn)用多種識(shí)別算法對(duì)有人工標(biāo)記識(shí)別點(diǎn)的土樣進(jìn)行識(shí)別， 實(shí)現(xiàn)邊界識(shí)別與局部標(biāo)記點(diǎn)的同步識(shí)別、 整體變形與局部變形測(cè)量的同步性。 此外, 由于標(biāo)記識(shí)別點(diǎn)發(fā)生變形, 單一的識(shí)別算法無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別, 運(yùn)用多種識(shí)別算法對(duì)同一目標(biāo)圖像進(jìn)行識(shí)別, 可彌補(bǔ)單一識(shí)別算法的缺陷。

(2)基于數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的三軸試驗(yàn)以土樣的邊緣角點(diǎn)作為土樣的邊界點(diǎn)確定土樣邊界, 以土樣內(nèi)部角點(diǎn)作為局部變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)了土樣軸向、 徑向、 體積與局部變形的同步測(cè)量, 并且通過(guò)對(duì)三軸壓力室的改造, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)土樣全表面的二維平面測(cè)量。然而, 基于數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)的三軸試驗(yàn)通過(guò)單幅圖像對(duì)任意時(shí)刻的土樣變形進(jìn)行測(cè)量, 在測(cè)量過(guò)程中存在以下問(wèn)題: ①不能獲取相機(jī)光軸方向上的“深度”信息, 局限于二維平面測(cè)量; ②利用多圖像拼接技術(shù)將不同角度的試樣圖像拼接到一個(gè)圖像平面之上, 在圖像拼接過(guò)程中, 圖像之間的相互干擾重疊使得拼接過(guò)程困難重重。基于上述問(wèn)題, 尋找一種精確、 高效的圖像三維重建方式, 實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸試樣準(zhǔn)確的三維空間姿態(tài)再現(xiàn), 是基于數(shù)字圖像測(cè)量三軸試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的土樣變形測(cè)量, 可從兩方面入手: ①通過(guò)單幅圖像的的三維重建技術(shù), 獲取土樣的三維空間信息, 實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸土樣的三維立體測(cè)量; ②運(yùn)用基于雙目立體視覺(jué)的三維重建方法, 重構(gòu)出土樣的三維形態(tài), 獲取物體三維幾何信息。

(3)基于新型攝影測(cè)量方法的三軸試驗(yàn)通過(guò)建立三維折射校正模型對(duì)多重介質(zhì)折射問(wèn)題進(jìn)行處理, 實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸土樣的三維立體測(cè)量, 該三軸試驗(yàn)改良方法是目前最具前景的實(shí)驗(yàn)方法之一, 但該方法尚有不足, 加強(qiáng)該方面的研究非常具有意義: ①完善折射修正模型: 基于光線追蹤建立折射修正模型具有較高的測(cè)量精度, 但該模型受到諸多因素的限制, 加強(qiáng)對(duì)三維折射校正模型的研究是未來(lái)工作的熱點(diǎn)。 ②儀器設(shè)備的升級(jí)改造: 在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)； 在不影響常規(guī)三軸儀使用的前提下, 研發(fā)與常規(guī)三軸儀配套的數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)靈活的相機(jī)方位調(diào)整、 自動(dòng)化的補(bǔ)光拍攝采集、 數(shù)據(jù)圖像的快速處理。

隨著數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的不斷提升和研究的逐步深入, 基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)從局部平面測(cè)量逐漸向全方位三維立體測(cè)量發(fā)展, 測(cè)量精度逐漸提升, 表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著高分辨率相機(jī)的普及和計(jì)算機(jī)水平的提高, 基于數(shù)字圖像測(cè)量的三軸試驗(yàn)將可能成為取代常規(guī)三軸試驗(yàn)的一種新型三軸試驗(yàn)測(cè)量方法, 實(shí)現(xiàn)更高精度的土樣變形測(cè)量。