基于自相关算法的数字粒径分析

摘要

泥沙粒径是影响泥沙起动，输移及沉降的一个重要参数，一直以来都是地貌沉积及海岸工程领域的一个研究热点。近年来，伴随光学技术和图像处理技术的高速发展，越来越多学者利用图像法分析泥沙粒径。本文主要采用基于自相关算法的数字粒径分析，实现快速、便捷和低成本的泥沙粒径及级配测量。
　　为实现实地混合沙的数字粒径分析，分选性较好的沙粒粒径测量是研究的第一步。基于自组织理论，分选较好的沙具有的相似纹理决定了自相关曲线上出现相关性回升，根据回升点对应的位移值可估算粒径。同时，将传统自相关算法的一个方向移动拓展至二维八个方向移动，得到沙粒的长径和中径。经尺量法和筛分法验证，本论文改进的自相关算法测得的分选性较好的沙粒粒径信息非常准确。
　　对于混合沙，本论文加入了图像增强步骤，抹去大颗粒泥沙表面花纹并增强沙粒本身与孔隙的对比度，提升了平均粒径和中值粒径的准确性。区别于传统的非负最小二乘法、核密度估计法和最大熵法，本论文通过采用非线性规划方法加入对级配结果的约束，获得了准确的粒径级配及相关参数，如分选系数、歪度系数、尖度系数等。同时，采用改进的高斯函数拟合得到更符合实际情况的泥沙质量累积曲线及质量密度曲线。由于细颗粒泥沙被掩蔽及表层颗粒在竖直方向上的倾斜，图像法得到的质量累积曲线比筛分法所得到的曲线更加陡峭（即泥沙分布更为均匀）。
　　本论文将所研究的沙粒简化为密度相等的球体，基于此假设，实现二维泥沙图像向三维泥沙颗粒的转变，弥补了先前学者直接利用面积比得到质量累积曲线，由图解法得到各类粒径参数在理论上的缺陷。另一方面，本论文实现了不同分辨率下相关性曲线的转换，不再需要严格控制每次采集的泥沙照片分辨率一致，可将实验室内得到的校准曲线应用在实地测量中，实现自相关算法真正意义的可转移性和通用性。
　　最后，傅里叶变换和小波变换作为时频分析的手段同样被证明可以应用在泥沙粒径分析中。本论文对基于小波变换的粒径分析进行了介绍与探讨，并主要从母小波的选择及尺度的选择上作出一定的尝试和研究，同样可以实现泥沙粒径及级配的测量。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 传统粒径分析方法

1．2．2 数字粒径分析方法

1．3 存在问题

1．4 本文研究内容

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究框架

2 数字图像处理

2．1 基本概念

2．1．1 图像与数字图像

2．1．2 像素与分辨率

2．2 数字图像类型

2．2．1 彩色图像(Color image)

2．2．2 灰度图像(Gray scale image)

2．2．3 二值图像(Binary image)

2．3 数字图像特征

2．3．1 色彩特征

2．3．2 形状特征

2．3．3 纹理特征

2．3．4 空间关系特征

2．4 数字图像处理

2．4．1 图像去噪

2．4．2 图像压缩

2．4．3 图像校正

2．4．4 图像增强

3 物理实验

3．1 实验设备及材料

3．1．1 泥沙样本图像采集处理设备

3．1．2 筛选设备

3．1．3 测量设备

3．1．4 研究对象

3．2 实验准备

4 分选性较好的颗粒粒径测量

4．1 简介

4．1．1 背景

4．1．2 自相关算法

4．2 理想颗粒

4．2．1 BB弹

4．2．2 椭球珠

4．3 分选性较好的沙颗粒

4．3．1 方法

4．3．2 验证

5 混合沙粒径及级配分析

5．1 粒径与级配方法

5．1．1 图像增强

5．1．2 校准曲线转换

5．1．3 非线性规划法

5．1．4 二维图像到三维泥沙粒径

5．2 粒径与级配验证

5．2．1 平均粒径(Mean diameter)

5．2．2 中值粒径(Median diameter)

5．2．3 分选系数(Sorting coefficient)

5．2．4 尖度系数(Kurtosis)

5．2．5 歪度系数(Skewness)

5．3 质量累积曲线和质量密度曲线

5．3．1 拟合点校正

5．3．2 高斯函数拟合改进

5．3．3 结果验证

6 基于小波变换的粒径分析

6．1 介绍

6．1．1 研究进展

6．1．2 存在问题

6．2 方法

6．2．1 简介

6．2．2 母小波选择

6．2．3 尺度选择

6．3 验证

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

附录