一种基于轴、径环状分层的CT扫描后处理方法与流程

本发明涉及土木工程领域，具体地指一种基于轴、径环状分层的ct扫描后处理方法。

背景技术：

近年来，国内外运用ct扫描对土木、水利等领域的结构进行分析的研究越来越重视。ct扫描主要运用于如下几方面：1、分析混凝土、岩石等试样中裂隙的分布；2、分析多场耦合作用后混凝土、岩石等试样的损伤规律；3、分析冻融循环后混凝土、岩石等试样的损伤机理。大量的工程实例和试验研究表明，裂隙的存在影响了结构的长期变形和工程的稳定性，多场耦合作用后所造成的结果原因探析不明，冻融循环之后试样内部损伤分析困难。故而ct扫描技术在土木、水利等领域的运用日益增多。

常规ct扫描主要有三种形式。一、在对试样扫描层面位置确定后，分析各层面的ct扫描图，对比扫描图形的亮度，图形越亮，表示试样致密性越好，中部的少数黑点表示有局部空隙，利用此方法虽然可以直观的观测出岩石内部的孔隙对比，大致得出岩石的损伤规律，却无法对其进行一个量化的分析，无法精确确定受损范围。二、层面上选取有限个圈取面内的ct平均值对整体进行分析，但在圈取面的选择时，往往无法划出具有代表性的范围，所以得出的结论与实际差异较大。三、取整个扫描层面的ct平均值作为扫描层面致密性的判断标准。但在该区域内，致密性往往不均匀，而以该ct值作为判断依据的话，无法反映出扫描层面的不均匀性。

为了能更精确的分析试样内部的不均匀性，进一步确定试样的重点受损范围，提出一种基于轴-径环状分层的ct扫描后处理方法。利用ct值与轴-径环状分层后形成的柱壳体积之间的关系得到每一个柱壳区域内的体积ct值，分析比较每一个柱壳的ct值变化以达到对试样进行损伤定量的动态分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于轴、径环状分层的ct扫描后处理方法，以精确地分析试样内部的不均匀性并准确确定受损范围，改善现有的ct扫描图像分析无法精细化的问题。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种基于轴、径环状分层的ct扫描后处理方法，它包括以下步骤：

步骤1)：对标准试样进行ct扫描获取其ct扫描图像，并得到ct值；

步骤2)：将标准试样图像均分为多段短柱试样图像；

步骤3)：将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像；

步骤4)：根据步骤1)中得到的ct扫描图像来获取经过步骤2)和步骤3)划分后的环状短柱试样图像ct值，然后计算试样的ct轴、径平均值。

优选地，所述步骤2)中，将标准试样图像均分为多段短柱试样图像的具体分段方法如下：

对于高度为l，直径为d的圆柱体试样，可径向将其均分为i段短柱试样，并且初步令每段短柱试样高度如果n不是整数，则处理过程如下：

n^*＝[n]，其中[n]表示不超过n的最大整数，并令i＝n^*；

这时最终确定将每段短柱岩样高度变为h＝l/i。

优选地，所述步骤3)中，将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像的具体分层方法如下：

对于高度为l，直径为d的圆柱体试样，可将每段短柱试样的上表面或下表面均分为j个环状，初步令每个环状宽度为d，j＝m^*＝[m]，其中[m]表示不超过m的最大整数，其中r为试样划分时最内侧圆形半径；

这时最终确定将每层环状宽度变为

优选地，所述步骤2)中，将标准试样图像均分为多段短柱试样图像的具体分段方法如下：

对于高度为l，横截面边长均为d的长方体试样，可径向将其均分为i段短柱试样，并且初步令每段短柱试样高度如果n不是整数，则处理过程如下：

n^*＝[n]，其中[n]表示不超过n的最大整数，并令i＝n^*；

这时最终确定将每段短柱岩样高度变为h＝l/i。

优选地，所述步骤3)中，将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像的具体分层方法如下：

对于高度为l，横截面边长均为d的长方体试样，可将每段短柱试样的上表面或下表面均分为j个环状，初步令每个环状宽度为d，j＝m^*＝[m]，其中[m]表示不超过m的最大整数，其中r为试样划分时最内侧正方形边长的一半；

这时最终确定将每层环状宽度变为

优选地，所述步骤5)中，计算试样的ct轴、径平均值具体方法如下：

分别获取每个划分后的环状短柱试样图像上、下表面圆环的ct值，ctsij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的上表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差，ctxij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的下表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差；vij表示第i段、第j层环状短柱试样图像体积，则对于其中任意一个试样存在以下计算公式：

本发明的有益效果：

1、本发明首次提出了一种基于轴、径环状分层的ct扫描后处理方法，将微分的思想运用于ct图像处理，可以精确分析试样在某种状态下的物理特性的空间分布规律，同时不再局限于通过肉眼识别图像明暗度以及平面内特定区域的平均ct值进行分析，借助数学公式将ct值转化为单元柱壳(即环状短柱试样)的体积ct值，实现了精确量化分析。

2、本发明可对试样进行轴、径单元划分，得到若干单元柱壳，通过柱壳的体积ct值计算，得到各柱壳单元的体积ct值，再通过对比各柱壳单元的体积ct值，得到各柱壳单元物理特性变化程度，进一步缩小试样的特性变化范围。

3、本方法不仅可适用于岩石试样，同时还可适用于混凝土试样以及其他工程试验中的试样，而且对试样的形状规格要求不高，常见的圆柱状、立方体等形态试样均可适用，故而本发明具有高度的普适性。

4、本发明中对于试样ct图像的划分可有效避免任意划分带来的离散性，提高了测验结果的准确性

5、本发明相比于常规的ct扫描图像分析方法，其操作简便，分析结果可信度高。

附图说明

图1为本发明所涉及的圆柱体分段和分层示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中涉及的每个单元环状短柱试样图像；

图4为本发明所涉及的长方体分段和分层示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4中涉及的每个单元环状短柱试样图像；

图7为本发明所涉及的常规ct扫描实图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种基于轴、径环状分层的ct扫描后处理方法，它包括以下步骤：

步骤1)：对标准试样进行ct扫描获取其ct扫描图像，并得到ct值；

步骤2)：将标准试样图像均分为多段短柱试样图像；

步骤3)：将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像；

步骤4)：根据步骤1)中得到的ct扫描图像来获取经过步骤2)和步骤3)划分后的环状短柱试样图像ct值，然后计算试样的ct轴、径平均值。

实施例1：如图1、2和3所示，对于高度为l，直径为d的圆柱体试样，所述步骤2)中，将标准试样图像均分为多段短柱试样图像的具体分段方法如下：

可径向将其均分为i段短柱试样(本实施例中i＝5)，并且初步令每段短柱试样高度如果n不是整数，则处理过程如下：

n^*＝[n]，其中[n]表示不超过n的最大整数，并令i＝n^*；

这时最终确定将每段短柱岩样高度变为h＝l/i。

将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像的具体分层方法如下：

可将每段短柱试样的上表面或下表面均分为j个环状(本实施例中j＝2)，初步令每个环状宽度为d，j＝m^*＝[m]，其中[m]表示不超过m的最大整数，其中r为试样划分时最内侧圆形半径；

这时最终确定将每层环状宽度变为

所述步骤5)中，计算试样的ct轴、径平均值具体方法如下：

分别获取每个划分后的环状短柱试样图像上、下表面圆环的ct值，ctsij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的上表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差，ctxij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的下表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差；vij表示第i段、第j层环状短柱试样图像体积，则对于其中任意一个试样存在以下计算公式：

实施例2：如图4、5和6所示，对于高度为l，横截面边长均为d的长方体试样，所述步骤2)中，将标准试样图像均分为多段短柱试样图像的具体分段方法如下：

可径向将其均分为i段短柱试样(本实施例中i＝5)，并且初步令每段短柱试样高度如果n不是整数，则处理过程如下：

n^*＝[n]，其中[n]表示不超过n的最大整数，并令i＝n^*；

这时最终确定将每段短柱岩样高度变为h＝l/i。

将每段短柱试样图像均分为多层环状短柱试样图像的具体分层方法如下：

可将每段短柱试样的上表面或下表面均分为j个环状(本实施例中j＝4)，初步令每个环状宽度为d，j＝m^*＝[m]，其中[m]表示不超过m的最大整数，其中r为试样划分时最内侧正方形边长的一半；

这时最终确定将每层环状宽度变为

所述步骤5)中，计算试样的ct轴、径平均值具体方法如下：

分别获取每个划分后的环状短柱试样图像上、下表面圆环的ct值，ctsij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的上表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差，ctxij表示第i段、第j层环状短柱试样图像的下表面圆环外侧ct值与内侧ct值之差；vij表示第i段、第j层环状短柱试样图像体积，则对于其中任意一个试样存在以下计算公式：

上述公式中在计算第i段、第j层环状短柱试样图像的体积vij时，可以通过第j层外侧圆柱体或长方体体积减去内侧的圆柱体或长方体体积即得到环形体积，以高度为l，直径为d的圆柱体试样为例，其vij的计算公式如下：

vij＝h{π(r+jd)²-π[(j-1)d+r]²}

另外需要说明的是，在对试样ct图像划分后，其最里面的一个圆柱体或长方体的ct值计算方法并不适用上述公式，可直接将其上、下表面的ct值相加除以其体积即可，不必取其内外侧ct值之差。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。