بخشی از مقاله
خلاصه:
توزیع اندازه ذرات یکی از ویژگی های اساسی فیزیکی خاک است. بخش درشت دانه خاک توسط روش های رایج مکانیکی - روش الک - قابل اندازه گیری میباشد ولی توزیع اندازه ذرات ریز دانه خاک به وسیله روش های استاندارد تهنشینی انجام میگیرد که دقیق نبوده و دارای پروسه ای زمان بر هستند.
در این مقاله تکنیک پردازش تصویر با استفاده از تصاویر میکروسکوپی و نرم افزار MIP4 برای تعیین اندازه ذرات ریزدانه خاک پیشنهاد داده شده است. نتایج بدست آمده از تحلیل توزیع اندازه ذرات خاک توسط روش پردازش تصویر بصورت منحنی دانه بندی بر اساس درصد وزنی ارائه شده و با منحنی دانه بندی حاصله از روش استاندارد هیدرومتری مقایسه میگردد . تحلیل داده های بدست آمده از این دو آزمایش، حاکی از توانایی روش نوین تصویری در ارائه ی سریع تر و جامع تر نتایج توزیع اندازه ی ذرات ریزدانهی خاک می-باشد.
-1 مقدمه
یکی از کاربردی ترین روش ها برای بدست آوردن برخی از ویژگی های مهم مهندسی خاک، داشتن اطلاعات در خصوص ابعاد و اندازه دانه هاست. دانه بندی خاک ها و یافتن مشخصاتی در ارتباط با توزیع اندازه ذرات خاک از بخش های مهم مکانیک خاک و به ویژه مهندسی خاک و پی است. چون اندازه دانه های خاک آشکارا بر رفتار خاک و ویژگی های آن مانند مقاومت برشی ، تراکم پذیر بودن ، میزان نفوذپذیری ، حساسیت خاک در مقابل یخ زدگی ، خاصیت مویینگی و در استفاده خاک به عنوان فیلتر و زهکش سد های خاکی تاثیر گذار است
در آزمایشگاه های ژئوتکنیک بخش بزرگی از این اطلاعات از طریق جداسازی و دانه بندی قسمت درشت دانه خاک - اجزای بزرگتر از 75 میکرون - توسط الک های آزمایشگاهی قابل حصول بوده و اطلاعات تکمیلی در ارتباط با مشخص نمودن اندازه ذرات بسیار ریز، با دانه بندی توسط روش های تهنشینی مشخص می شود. روش های تهنشینی بر اساس قانون استوکس که مخصوص ذرات کروی است، تعریف شده اند اما این آزمایش برای ذرات ریزدانه که دارای کانی های صفحه ای هستند به کار برده می شود که باعث ایجاد خطای قابل توجهی در نتایج بدست آمده می شود. آزمایش هیدرومتری رایج ترین آزمایش از سری آزمایش های ته-نشینی است.
امروزه پردازش تصاویر برای ارزیابی، سنجش و کنترل کیفیت به وفور در علوم و صنایع مختلف از قبیل پزشکی، رسوب شناسی، علم مواد، الکترونیک و ... بکار گرفته میشود. همچنین در زمینه مهندسی عمران نیز مورد استفاده قرار گرفته است از قبیل تعیین اندازه دانه های شن و ماسه برای استفاده در بتن و آسفالت ، اندازه گیری تغییر شکل های سازه ای ، ارزیابی شرایط ترافیک و غیره ...، هرچند محققان باور دارند که این ها فقط برخی از کاربردهای پردازش تصویر در مهندسی عمران میباشد. حال با توجه به پیشرفت تکنیک پردازش تصویر و معایبی که در روش های سنتی دانه بندی وجود دارد، - مثل زمان بر بودن، مصرف زیاد انرژی، استهلاک ابزار مورد استفاده، خطا در روش و مراحل آزمایش و ... - توجه مهندسان ژئوتکنیک نیز به استفاده از این روش برای تعیین اندازه ذرات درشت و ریز خاک جلب شده است.
-2 تکنیک پردازش تصویر
در معنای خاص پردازش تصویر عبارت است از هر نوع پردازش سیگنال که ورودی یک تصویر مثل عکس یا صحنهای از یک فیلم می باشد و خروجی هم میتواند یک تصویر، یا یک مجموعه از نشان های ویژه یا متغیرهای مربوط به تصویر باشد. پردازش دیجیتال آن ها نیز توسط کامپیوتر و نرم افزار های پردازش تصویر انجام می گیرد.[3] پردازش دیجیتال تصویر برای تحلیل خصوصیات مورفولوژیکی مواد، مخصوصا مواد به کار رفته در زمینهی مهندسی عمران ، شامل این مراحل است: الف - تهیه ی تصاویر از ذرات، ب - قطعه بندی تصویر و آستانه گذاری، ج - پردازش تصویر و استخراج ویژگی های مربوط به ذرات د - محاسبات و بسط این اطلاعات توسط پارامترها و توابع
در پردازش دیجیتال تصویر، دو مرحله آخر توسط نرم افزار انجام می گیرد. هم اکنون برنامه های مختلفی برای پردازش تصویر وجود دارد که در این مطالعه نرم افزار MIP4 انتخاب شده است. تصویر ورودی به نرم افزار برای استخراج ویژگی ها ابتدا باید کالیبره شود. کالیبره کردن تصویر بدین معناست که باید اندازه واقعی تصویر به رایانه معرفی شود . این کار معمولا با تعین عدد کالیبره با توجه به مقیاس تصویر و میزان بزرگنمایی آن انجام می گیرد. عدد کالیبره اندازه یک پیکسل به واحد میکرومتر است که در محاسبات نقش بسیار مهمی دارد.
در ادامه به کمک ابزار جداسازی، فاز های مختلف در تصویر را از یکدیگر جدا می کنیم به این معنی که قسمت با اهمیت تصویر و حاوی اطلاعات مفید را از قسمت دیگر تصویر که اطلاعات مفیدی در آن وجود ندارد، جدا می کند. روش های مختلفی برای این عمل در علم پردازش تصویر وجود دارد که در این نرم افزار از روش آستانهگذاری بر اساس هیستوگرام تصویر استفاده شده است
در نهایت ویژگی های بدست آمده از تصویر با کمک توابع در نظر گرفته شده در نرم افزار، اطلاعات مورد نیاز را فراهم می کند. برای تهیهی تصویر، بسته به اندازهی مواد مورد مطالعه می توان از دوربین های دیجیتال بصورت مستقیم یا متصل به میکروسکوپ نیز استفاده کرد. کامپیوتر محاسبات خود را با توجه به پیکسل های تصویر انجام می دهد و همانطور که در شکل 1 دیده میشود، هر چه کیفیت تصویر بالاتر باشد - پیکسل تصویر بالا باشد - نتایج نیز دقیق تر می شود. اینگونه از پردازش تصویر که تصاویر در حالت پایدار استاتیکی از ذرات نمونه تهیه می شود، پردازش تصویر استاتیکی نام دارد.
شکل-1 تاثیر وضوح تصویر بر نتایج آنالیز تصویر
روش میکروسکوپی از گذشته همواره یکی از تکنیک های مرجع و پذیرفته شده در بررسی و تحلیل ذرات بوده که به صورت دستی - انتخاب و مشخص کردن ذرات توسط دست - انجام می گرفته است. البته در حال حاضر با ترکیب روش های دیجیتال در تصاویر و استفاده از نرم افزارها برای آنالیز تصاویر، این روش سریع تر و دقیق تر نیز شده که پردازش اتوماتیک یا دیجیتال تصویر نام دارد عملکرد کلی این روش را در شکل 2 مشاهده می کنیم.
شکل.2 عملکرد کلی پردازش تصویر
-3 اصول اندازه گیری ذرات خاک
در کل تعریف دقیقی برای اندازه ذره وجود ندارد ذرات خاک و سنگ سه بعدی هستند و شکلی نامنظم دارند. اندازه گیری ذرات بسته به شکل ذرات متفاوت است. برای ذرات کروی، اندازه توسط قطر تعریف می شود. برای ذرات نا منظم، تعاریف مختلفی وجود دارد که خصوصیات اندازهی ذرات می بایست شامل اطلاعاتی مربوط به نوع قطر اندازه گیری شده و همچنین شکل ذرات باشد. چند تعریف رایج برای تعیین اندازهی ذرات که در مشاهدات میکروسکوپی مورد استفاده قرار میگیرد را در شکل 3 می بینیم.
شکل – 3 تعاریف رایج برای اندازه ذره در روش میکروسکوپی
