一种土体微观结构三维重建方法技术

本发明专利技术公开了一种土体微观结构三维重建方法，包括步骤：一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；土样为圆柱状土体试样；二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对土样进行分层扫描；土样由上至下分为多个扫描面，对各扫描面进行扫描时，均采用扫描电镜且分多个区域进行扫描，再对扫描获得多幅电镜扫描图像进行拼接，获得该扫描面的整幅电镜扫描图像；三、电镜扫描图像排序；四、图像定位；五、三维重构：调用三维重建模块，对多幅整幅电镜扫描图像进行处理，获得土样的三维空间模型。本发明专利技术方法步骤简单、设计合理且实现方便，使用效果好，所建立的土体三维空间模型能真实还原土体内部结构。

【技术实现步骤摘要】
一种土体微观结构三维重建方法
本专利技术涉及一种三维重建方法，尤其是涉及一种土体微观结构三维重建方法。
技术介绍
目前，国内外对土体微观结构的三维重建方法，主要有以下几种：第一、由两幅或者多幅两维图像恢复土体的三维几何形貌；第二、研究土体的二维几何参数及其分布规律，再运用随机模拟的方法，建立三维的微观土体模型；第三、运用CT技术重建土体的微观结构。实际使用时，上述第一种方法只能恢复土体表面的三维形态，不能建立土体内部结构的三维模型；第二种三维重建方法只是通过计算机随机模拟颗粒、孔隙的空间分布，无法还原真实的土体微观结构情况；第三种三维重建方法所需费用高，并且现有的CT技术无法对微米级的土体颗粒结构进行三维重建，CT的扫描精度与扫描电镜的扫描精度相比还存在不小差距。综上，上述现有土体微观结构的三维重建方法均不同程度地存在所需费用高、使用效果较差、所建土体三维微观模型的分辨率低、不能真实还原土体内部微观结构等缺陷和不足。因而，对于土体的微观结构研究，需要一种分辨率高、能够真实还原土体内部结构的三维重建技术，这对于土体结构性本构模型的建立、深化土体结构的认识均有很大的推动作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土体微观结构三维重建方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便，使用效果好，所建立的土体三维空间模型能真实还原土体内部结构。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样；步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤203、多次重复步骤步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程；本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应；步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序；步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定；步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型。上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤一中进行土样获取时，先采用圆柱状取土器从待测区域切取土样，待所切取土样干燥后，采用环氧树脂混合液对所切取土样进行固化处理；所述环氧树脂混合液由环氧树脂、丙酮、乙二胺和邻苯二甲酸二丁酯按照100︰(130～170)︰(6～8)︰(1.8～2.2)的体积比均匀混合而成。上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤二中进行土样分层扫描时，还需采用能谱仪，获取多个所述扫描面的能谱图；步骤二中每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；步骤二中土样分层扫描完成后，还需根据多个所述扫描面的能谱图，对每幅整幅电镜扫描图像中各土体颗粒的材质进行确定；并根据土体颗粒的材质确定结果，调用属性信息标注模块，在每幅电镜扫描图像中标注出各土体颗粒的材质。上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤五中进行三维重构之前，先调用图像边界提取模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像分别进行图像边界提取，提取出各幅整幅电镜扫描图像中所有土体颗粒的边界线；步骤五中进行三维重构时，先根据步骤四中的图像定位结果，将多幅所述整幅电镜扫描图像由上至下排列；之后，结合所述土样中多个扫描面的布设位置和所述土样的三维空间模型的高度，再调用三维重建模块，对经图像边界提取的多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理。上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤二中所获得的多幅整幅电镜扫描图像均为二维图像，且每幅整幅电镜扫描图像中均包含多个扫描对象的扫描图像，所述扫描对象为土体颗粒或孔隙；多幅整幅电镜扫描图像的图像大小和分辨率均相同；步骤二中所获得多幅整幅电镜扫描图像的分辨率均为微米级；步骤二中所述打磨层的层厚小于所述土样中土体颗粒的平均粒径。上述一种土体微观结构三维重建方法，其特征是：步骤2013中所获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像为顶部电镜扫描图像；步骤四中进行图像定位时，按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对多幅整幅电镜扫描图像进行定位，过程如下：步骤401、顶部电镜扫描图像定位：采用所述数据处理设备获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成所述顶部电镜扫描图像的定位过程；步骤402、下一幅整幅电镜扫描图像定位：结合前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像，对下一幅整幅电镜扫描图像的位置进行确定；其中，前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像为位于当前所定位整幅电镜扫描图像前侧的上层扫描图像；对当前所定位整幅电镜扫描图像进行定位时，过程如下：步骤4021、基准扫描对象选取：选取一个扫描对象作为基准扫描对象，所述基准扫描对象为土体颗粒；当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中均存在所选择基准扫描对象的扫描图像；步骤4022、边界线提取：调用图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出步骤4021中所选取基准扫描对象的边界线；其中，在当前所定位整幅电镜扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为待定位边界线，在所述上层扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为已定位边界线，所述待定位边界线和所述已定位边界线均为二维平面图形；步骤4023、形心确定：对步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样；步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤203、多次重复步骤步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程；本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应；步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序；步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定；步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型。...

【技术特征摘要】
1.一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、土样获取：获取需进行三维重建的土样；所述土样为圆柱状土体试样；步骤二、土样分层扫描：采用扫描电镜，由上至下对步骤一中所述土样进行分层扫描；所述土样由上至下分为多个扫描面，多个所述扫描面均为水平面且其均与所述土样的中心轴线呈垂直布设，上下相邻两个所述扫描面之间均为一个打磨层，且多个所述扫描面的扫描方法均相同，多个所述扫描面中位于最上部的扫描面为顶部扫描面；所述土样的分层扫描过程如下：步骤201、顶部扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2011、顶部扫描面获取：对步骤一中所述土样的顶端进行切割、磨平和抛光处理，获得所述顶部扫描面；步骤2012、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2011中所述顶部扫描面进行扫描，获得所述顶部扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2013、扫描图像拼接：将步骤2012中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤202、下一个扫描面扫描，包括以下步骤：步骤2021、下一个扫描面获取：上一个扫描面电镜扫描完成后，由上至下对所述土样进行打磨，并对打磨完成后的打磨面进行磨平和抛光处理，获得下一个扫描面；步骤2022、电镜扫描：采用扫描电镜且分多个区域，对步骤2021中所获得的扫描面进行扫描，获得该扫描面的多幅电镜扫描图像；步骤2023、扫描图像拼接：将步骤2022中多幅所述电镜扫描图像均传送至数据处理设备，并采用所述数据处理设备对多幅所述电镜扫描图像进行拼接，获得步骤2021中所述扫描面的整幅电镜扫描图像；步骤203、多次重复步骤202，直至完成步骤一中所述土样的所有扫描面的扫描过程；本步骤中，土样分层扫描完成后，获得多幅整幅电镜扫描图像；多幅所述整幅电镜扫描图像分别为多个所述扫描面的电镜扫描图像，且多幅所述整幅电镜扫描图像分别与多个所述扫描面一一对应；步骤三、电镜扫描图像排序：采用所述数据处理设备，且按照步骤二中进行土样分层扫描时的扫描先后顺序，对步骤二中所获得多个所述扫描面的整幅电镜扫描图像进行排序；步骤四、图像定位：采用所述数据处理设备，并结合所述土样中多个扫描面的布设位置，对步骤三中排序后的多幅所述整幅电镜扫描图像的位置进行确定；步骤五、三维重构：步骤四中图像定位完成后，采用所述数据处理设备且调用三维重建模块，对多幅所述整幅电镜扫描图像进行处理，获得步骤一中所述土样的三维空间模型；步骤2013中所获得所述顶部扫描面的整幅电镜扫描图像为顶部电镜扫描图像；步骤四中进行图像定位时，按照步骤三中的电镜扫描图像排序结果，由前至后对多幅整幅电镜扫描图像进行定位，过程如下：步骤401、顶部电镜扫描图像定位：采用所述数据处理设备获取所述顶部电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成所述顶部电镜扫描图像的定位过程；步骤402、下一幅整幅电镜扫描图像定位：结合前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像，对下一幅整幅电镜扫描图像的位置进行确定；其中，前一副已定位完成的整幅电镜扫描图像为位于当前所定位整幅电镜扫描图像前侧的上层扫描图像；对当前所定位整幅电镜扫描图像进行定位时，过程如下：步骤4021、基准扫描对象选取：选取一个扫描对象作为基准扫描对象，所述基准扫描对象为土体颗粒；当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中均存在所选择基准扫描对象的扫描图像；步骤4022、边界线提取：调用图像边界提取模块，在当前所定位整幅电镜扫描图像与其上层扫描图像中，分别提取出步骤4021中所选取基准扫描对象的边界线；其中，在当前所定位整幅电镜扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为待定位边界线，在所述上层扫描图像中所提取的所述基准扫描对象的边界线为已定位边界线，所述待定位边界线和所述已定位边界线均为二维平面图形；步骤4023、形心确定：对步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心进行确定；步骤4024、形心偏移量计算及图像调整：先计算得出步骤4021中所述基准扫描对象的形心偏移量，所述基准扫描对象的形心偏移量为步骤4022中所述待定位边界线和所述已定位边界线的形心偏移量；之后，根据形心偏移量计算结果，确定是否需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整：当所述基准扫描对象的形心偏移量＜c时，说明无需对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，获取当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；否则，调用图像调整模块，对当前所定位整幅电镜扫描图像进行调整，直至图像调整后所述基准扫描对象的形心偏移量＜c，再获取调整后的当前所定位整幅电镜扫描图像中各像素点的二维平面坐标，完成当前所定位整幅电镜扫描图像的定位过程；其中，c＝0.1μm～5μm；步骤403、多次重复步骤402，直至完成多幅所述整幅电镜扫描图像的定位过程。2.按照权利要求1所述的一种土体微观结构三维重建方法，其特征在于：步骤一中进行土样获取时，先采用圆柱状取土器从待测区域切取土样，待所切取土样干燥后，采用环氧树脂混合液对所切取土样进行固化处理；所述环氧树脂混合液由环氧树脂、丙酮、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓军，谢晓婷，袁高昂，杨硕，王晓华，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61