土壤孔隙结构三维重建软件系统的设计与实现
土壤结构分析中的三维有限元模型
土壤结构分析中的三维有限元模型土壤结构分析是研究土壤力学性质、变形特性以及与工程结构相互作用的重要研究领域。
而在土壤结构分析中，三维有限元模型则是一种重要的分析工具。
本文将从土壤结构分析的基本原理、三维有限元模型的构建以及实际应用等方面进行探讨。
一、土壤结构分析的基本原理土壤力学是描述土壤特性与力学行为之间关系的学科，是土木工程中的重要组成部分。
土壤结构分析就是在土壤力学的基础上，研究土壤在外力作用下的变形规律以及与工程结构的相互作用情况。
土壤结构分析的基本原理包括土壤的变形机理、荷载传递机制以及有限元分析方法等。
土壤的变形机理主要受到压实、剪切和液化等因素的影响，而荷载传递机制则是指外力通过土壤介质传递给基础或结构体的过程。
有限元分析方法则是一种数值计算手段，将复杂的土壤结构问题离散化为一系列简单的节点和单元，通过求解节点上的位移和力的关系，进而得到土壤结构的力学响应。
二、三维有限元模型的构建在土壤结构分析中，三维有限元模型是一种常用的模拟手段。
它基于有限元分析原理，将土壤及工程结构在三维空间中建模，通过分析节点和单元之间的相互关系，获得土壤结构的力学行为。
三维有限元模型的构建首先需要确定土壤结构的几何形状和边界条件。
几何形状包括土壤体的几何尺寸和形状，以及工程结构的位置和形态；边界条件则是指模型所受到的外力条件，如外荷载、边界移动等。
然后，根据土壤的物理力学性质，设定材料参数，如弹性模量、泊松比等。
最后，将模型离散化为节点和单元，通过数学解析和计算手段求解出节点的位移和应力，得到土壤结构的力学行为。
三、三维有限元模型的实际应用三维有限元模型可以应用于各类土壤结构分析问题，例如基础承载力计算、边坡稳定性分析、桩基设计等。
下面以基础承载力计算为例，介绍三维有限元模型的实际应用。
基础承载力是指土壤承受荷载时产生的变形和应力。
在三维有限元模型中，可以将土壤视为弹性体，设定荷载条件并解算模型，得到节点的位移和应力场分布。
土壤孔隙结构三维重建软件系统的设计与实现
土壤孔隙结构三维重建软件系统的设计与实现吕菲【摘要】深入探讨了土壤孔隙结构三维重建软件系统的设计思路、核心技术及实现过程,着重论述了三维可视化技术在土壤孔隙空间三维重建中的应用,并用实例验证了该软件系统的功能及可行性.研究结果有望为土壤物理学、土壤微形态学等领域的研究提供一个功能全面、简单易用的软件平台,有助于将该方面研究工作推向深入.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)012【总页数】3页(P251-253)【关键词】土壤;孔隙结构;三维重建;软件【作者】吕菲【作者单位】铁道第三勘察设计院,天津,300142【正文语种】中文【中图分类】TP391.3土壤结构尤其是土壤孔隙结构特征不仅决定了许多关键的土壤物理性质(水分持留、传导能力等)，而且也控制着发生在土壤中的诸多重要生态过程(如土壤水分运动、养分迁移等)。
快速获取原状孔隙结构的定量信息是从根本上认识土壤结构与功能间关系及有关过程内在机制的必要前提，也是土壤学工作者长期关注的热点和难点问题之一。
土壤微形态学研究中通常采用的切片方法不仅制备过程费时费力，而且根据二维的切片信息推断三维的土壤结构容易出现偏差甚至错误。
近20多年来，CT(Computerized Tomography)、核磁共振(NMR)等无损、显微探测技术的长足进步使得高精度数字图像的快速获取成为可能，其在医学、工程技术等领域的成功应用、推广为我们提供了可供借鉴的新思路。
在土壤学研究领域，国内近年也逐渐有学者开展了此方面的研究，如冯杰和郝振纯(2002年)、贺秀斌等(2005年)、吕菲等(2007年)等。
但就目前国内的研究现状来看，由于缺少通用的或有针对性的数字图像分析、三维重建及可视化软件工具，已经大大制约了研究工作的深入、全面开展。
针对这一问题，本文尝试开发基于计算机图形学的、集图像数据管理、数字图像分析处理及三维可视化为一体的土壤孔隙结构分析与三维重建软件系统，以期为当前有关领域的研究提供一个功能强大、简单易用的操作平台。
基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法与应用
基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法与应用随着建筑工程和地质勘探的发展，对岩土地层模型的精确建立和应用变得越来越重要。
而基于钻孔地层数据的地层模型构建方法成为一种常用且有效的手段。
本文将介绍基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法，并探讨其在工程领域的应用。
首先，基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法主要包括以下几个步骤。
首先，需要收集并整理现有的钻孔数据，包括钻孔的位置、孔内地层的描述、地层的厚度和性质等信息。
然后，对钻孔数据进行质量控制，包括检查数据的准确性和完整性，并对数据进行插补和处理，以填补可能存在的空缺和缺失数据。
接下来，根据钻孔数据的空间分布，使用地质统计学方法进行地层的空间插值，以生成连续的地层模型。
最后，通过可视化和数据分析等手段对地层模型进行验证和优化。
基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法具有以下优点。
首先，钻孔是获取地下地层信息的直接手段，可以提供较为准确和详细的地质数据。
其次，通过对钻孔数据的插值和处理，可以获取连续的地层模型，有助于分析地层的空间分布和性质。
此外，基于钻孔地层数据构建的地层模型可以与其他地质、工程和环境数据进行集成分析，为工程规划和决策提供支持。
在工程领域，基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型具有广泛应用。
首先，它可以用于工程设计和施工前的地质调查和评价，为工程规划和设计提供可靠的地质基础。
其次，地层模型可以用于工程地质风险评估和预测，帮助识别地质灾害风险和优化工程设计。
此外，地层模型还可以用于地下水资源的评价和管理，为地下水开发和保护提供科学依据。
总而言之，基于钻孔地层数据的岩土三维地层模型构建方法是一种有效的手段，可以为建筑工程和地质勘探提供准确、可靠的地质信息。
其在工程领域的应用具有重要的意义，有助于提高工程的安全性和可持续性。
在未来的研究中，可以进一步探索和优化地层模型构建方法，以适应更复杂的地质条件和工程需求。
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析土质边坡支护结构是道路、桥梁、隧道等工程中非常重要的组成部分，它能够有效地限制土质边坡的滑动，以确保支护结构的安全性和可靠性。
因此，土质边坡支护结构的安全问题一直是工程技术研究的热点话题。
在分析和计算土质边坡支护结构的内力过程中，为了准确地反映结构实际状况，简化计算模型和计算结果有时不能满足实际要求。
因此，构建适当的三维结构模型，并研究其内力特性对于评价和计算土质边坡支护结构的安全性至关重要。
本文旨在探讨土质边坡支护结构3D结构模型的建立以及三维内力的计算机分析。
首先，通过介绍土质边坡支护结构的基本原理来概述三维结构模型的建立过程。
然后，介绍计算机分析土质边坡支护结构三维内力的方法和步骤，以及如何解决实际工程中遇到的类似问题。
最后，结合实际工程案例，总结土质边坡支护结构三维内力的计算机分析的主要结论。
一、土质边坡支护结构三维结构模型的建立土质边坡支护结构的建立和分析关键在于正确了解三维结构模型的建立方法。
土质边坡支护结构的三维结构模型可分为两个部分：土体模型和支护结构模型。
(1)土体模型土体模型通常包括土体节点、边界条件、材料性质和应力条件等，采用有限元分析技术构造出三维的土体模型，包括空间的土体节点和它们之间的节点关系。
(2)支护结构模型支护结构模型一般包括支护矩形和支护材料等，需要根据实际需要进行建模。
支护矩形的建模方法可以根据计算需要，采用梁单元或三角形单元技术，在空间中构建支护矩形，以及它们之间的节点关系。
支护材料的建模方法可以根据实际需要，采用面单元或圆柱单元技术，构建支护材料，以及它们之间的节点关系。
二、计算机分析土质边坡支护结构三维内力计算机分析土质边坡支护结构三维内力的方法主要包括三个步骤：结构的动力学分析、数值模拟以及内力分析。
(1)结构的动力学分析结构动力学分析是采用有限元分析法对三维结构进行动态分析，分析土质边坡支护结构在施加外力后的变形特性和应变特性。
大型土石方工程三维模拟及优化设计
大型土石方工程三维模拟及优化设计大型土石方工程是指在土石方开挖、填筑或移动过程中，对土石体进行平整或造型的一种工程。
这类工程通常需要经过严密的设计和规划，以确保土石体的稳定性和工程的可行性。
在过去，这种设计和规划往往依赖于人工经验和试验，然而，随着计算机技术和三维模拟的发展，大型土石方工程三维模拟及优化设计的方法正在越来越受到工程师的关注。
在大型土石方工程中，三维模拟可以帮助工程师们更好地理解整个工程的情况。
通过建立一个数字化的土石体模型，工程师可以模拟土石体的形状、大小、材料特性以及工程中的各种力学参数，从而更好地了解土石体的变化和行为。
模拟结果可以直观地显示在计算机屏幕上，让工程师能够对土石方工程进行全面分析，预测可能出现的问题，并针对这些问题进行优化设计。
三维模拟能够为大型土石方工程的规划和设计提供许多优势。
首先，它可以帮助工程师们更好地理解土石体的内部结构和特性。
通过模拟，工程师可以观察到土石体中存在的裂缝、孔隙和变形情况，以及不同材料之间的相互作用。
这些信息对于制定合理的工程方案和确保工程质量至关重要。
其次，三维模拟还可以帮助工程师们预测土石体在不同工况下的变形和沉降情况。
在大型土石方工程中，土石体的变形和沉降是不可避免的，但过度的变形和沉降可能会导致工程事故和安全风险。
通过模拟，工程师可以模拟不同施工阶段土石体的变形和沉降情况，并根据模拟结果进行优化设计，以减小变形和沉降的幅度，并确保工程的稳定性和安全性。
此外，三维模拟还可以帮助工程师们优化土石方工程的施工流程和时间安排。
在传统的工程规划中，施工流程和时间通常是根据经验和试验进行安排的，但这种方法可能存在很多不确定性和风险。
通过三维模拟，工程师可以模拟不同施工序列和时间安排的效果，并从中选择最优方案。
这样可以最大限度地减小工程成本和时间，并确保施工的效率和质量。
在大型土石方工程三维模拟及优化设计中，除了模拟工具的应用，还需要合理的数据输入和参数选择。
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析土质边坡是一种常见的地形地貌，也是建筑物的典型支撑体。
它可以满足建筑物在边坡上的需求，是工程建设中不可缺少的结构。
但是，在施工过程中，如何确定边坡结构内力的大小，以及如何正确设计边坡支撑结构，这一问题一直困扰着土木工程师。
为了解决土质边坡支撑结构三维内力大小的问题，人们开发出了计算机分析的技术。
通过使用计算机分析技术，可以提供准确的模拟计算结果，从而可以有效地确定土质边坡结构的内力分布和内力大小。
在利用计算机分析技术分析土质边坡支撑结构三维内力大小之前，需要对土质边坡支撑结构进行详细设计，并且要根据土质边坡的实际情况和设计要求，确定支撑结构的外形特性及其基础特性，如支撑桩的长度、直径和阻力。
同时，根据地质条件及支撑结构的外形特性，还需要计算土质边坡的内外土体的工作状态，以确定结构抗力组成。
接下来，需要对计算机分析软件进行设置，并建立模型，以确定三维内力大小。
根据上述结构参数和结构抗力组成，土质边坡支撑结构在应力-应变关系等方面模拟计算，并采用分步长迭代实现射线追
踪法以得到土质边坡支撑结构的三维内力分布和内力大小。
最后，利用计算机分析技术得到的结果，通常可以用于指导设计和构造。
通过土质边坡支撑结构的三维内力分布及内力大小的计算，可以有效地确定土质边坡的支撑结构的几何尺寸及连接形式，以保证其负荷承受力，同时又考虑了结构的可靠性和安全性。
综上所述，计算机分析技术在分析土质边坡支撑结构三维内力大小方面具有重要的应用价值。
它为土质边坡支撑结构的正确设计和构造提供了有效的参考，保证了边坡的稳定与安全。
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析土质边坡支护结构是一种用来抵御地质灾害的重要结构，其三维内力的分析是建立安全可靠边坡支护结构的关键。
本文通过计算机分析，研究了土质边坡支护结构三维内力的变化情况，提出了一套完整的土质边坡支护结构三维内力的计算机分析方法。
首先，针对某种特定的土质边坡支护结构，采用大视野试验和数值模拟相结合的原理，建立完整的三维模型，研究土质边坡支护结构的三维内力变化情况。
具体来说，首先采用Matlab，建立三维数学模型，输入土质边坡支护结构的参数和物理参数，根据有关计算公式计算出模型的三维内力分布；其次，通过采用ANSYS，实施大视野试验，输入实际的环境参数和土质边坡支护结构的参数，建立三维模型，获取土质边坡支护结构的三维内力数据；最后，通过结合Matlab和ANSYS，对比分析Matlab和ANSYS模型得出的结果，并结合几个实例，研究土质边坡支护结构三维内力的变化情况。
经上述分析，得出了以下结论：土质边坡支护结构三维内力的分析需要进行大视野试验和数学模拟相结合，以准确模拟土质边坡支护结构三维内力的变化情况；不同的支护结构参数和环境条件下，边坡支护结构的三维内力分布会存在差异，需要根据实际情况进行灵活调整；结合实际工程，选择合理的材料，对边坡支护结构进行优化设计，以达到增大抗灾能力的目的。
以上研究可为建设安全可靠的土质边坡支护结构提供一定的理论参考。
但是本文分析的模型仅限于理论层面，实际工程的模型必须考虑边坡和支护结构更复杂的情况，因此本文提出的研究方法仍需在工程实践中得到进一步验证和完善。
总之，本文针对土质边坡支护结构，从三维内力变化情况出发，提出了一套完整的计算机分析方法，为建设安全可靠的土质边坡支护结构提供了科学有效的理论参考。
未来，可以采用更高级的计算机分析方法，对更复杂的土质边坡支护结构三维内力的变化情况进行深入的研究，从而为建立更加安全可靠的边坡支护结构提供更为有效的参考依据。
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析土质边坡支护结构是指在建设等活动的过程中，地面的边坡构建出的各种防护结构，一般是以护坡方法来防止地面的滑动和塌陷，为维护沿边坡的各种建筑的稳定服务。
随着我国建设的进步，边坡和支护结构的需求增长，其以三维内力的计算机分析被认为是建设过程中安全可靠性的最佳技术手段之一。
三维边坡支护结构内力计算机分析，一般由两个主要部分组成，即模型计算和实际计算。
模型计算是建立支护结构的三维内力作用模型，考虑边坡支护结构以及其环境条件的影响，然后应用计算机分析技术，运用各种边坡支护结构内力计算模型，及地质因素、地理位置和尺寸数据，并准确地预计内力的分布情况。
实际计算，一般是根据建立的模型，采用计算机静力分析技术进行实际计算。
首先，确定土体的力学参数，分析土体变形和稳定性，以及边坡支护结构的受力情况，同时考虑边坡支护结构的实际尺寸、形状以及局部改变等，然后运用相关的数学模型对边坡支护结构的内力分布进行计算，并利用数据和统计分析技术，对计算结果进行评价，从而最终得出边坡支护结构的内力分布状况。
因此，三维内力计算机分析是一种有效的技术，可以用于研究和分析边坡支护结构的内力分布情况，从而更安全、可靠地支护边坡，保证地面稳定性和安全性，而计算机分析可以节省时间，提高准确性，具有客观、可靠和无限制的优势。
然而，三维内力计算机分析也存在一些不同的缺点。
首先，土体的力学参数的确定不够精确，容易造成计算结果的偏差；其次，由于支护结构的静态分析无法考虑支护结构受力状况的变化，它在动态变形分析中没有较强的灵活性；最后，由于计算分析技术的限制，计算结果的有效性和准确性无法得到充分的保证，因此应定期对计算结果进行有效的检查和验证。
综上所述，三维内力计算机分析对于边坡支护结构的设计和施工有重要的作用，可以及时有效地检测和诊断边坡支护结构的内力分布情况，从而准确地预测边坡支护结构的产生及其稳定性，保障工程及边坡支护结构的安全性和可靠性。
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析
土质边坡支护结构三维内力的计算机分析土质边坡支护结构的三维内力分析是研究土质边坡支护结构的三维内力设计的重要内容。
为了精确的计算边坡结构的内力分布，利用计算机技术来分析复杂的土质边坡支护结构有着重要的参考价值。
首先，在土质边坡支护结构三维内力计算中，需要搭建三维有限元模型。
根据三维有限元模型，可分析土质边坡支护结构的土体变形和支护结构的受力状况。
需要确定边坡的长度、高度、角度等基本参数，确定支护结构的规格，以及确定土体的物理力学性质等参数。
为了更好的模拟土体的变形过程，应尽可能的提高模型的分辨率，选取性能较好的有限元元素。
其次是计算土质边坡支护结构三维内力。
根据模型中定义的支护结构位置和材料性质，可计算出相应的分布载荷，结合土体物理力学性质，可以计算出土体中各点内力以及支护结构承受的内力分布。
再次是对土质边坡支护结构三维内力分析结果的评价。
根据计算结果评价支护结构的安全性，即计算出支护结构的应力、应变和变形，并根据规范确定支护结构的载荷容许值，以考察支护结构的使用寿命。
此外，也可以评价支护结构的受力状况是否达到设计要求，以及支护结构的各种加固措施是否有效等。
最后，要注意计算机分析中精度问题，以及地基与支护结构相互作用的影响。
计算土质边坡支护结构三维内力时，应适当宽松有限元的节点尺寸，提高元素的分辨率，确保边坡内力的运算精度；结构传递现象在计算中也不可忽视，应求得地基和支护结构共同受力的情况，以准确反映地基和支护结构之间的相互作用。
综上所述，计算机技术在分析复杂的土质边坡支护结构三维内力分布方面无疑发挥了重要作用，可以准确反映土质边坡支护结构的三维内力分布，以确保工程安全可靠。
同时，需要注意计算机分析的精度问题，以及地基与支护结构之间的相互作用。
一种混凝土孔隙三维结构的构建方法[发明专利]
![一种混凝土孔隙三维结构的构建方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8b12ec3480eb6294dd886ced.png)
专利名称：一种混凝土孔隙三维结构的构建方法专利类型：发明专利
发明人：安雪晖,韩迅
申请号：CN201510898478.5
申请日：20151208
公开号：CN105372168A
公开日：
20160302
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种混凝土孔隙三维结构的构建方法，利用X射线CT扫描获得的粗糙的孔隙三维结构图像，计算获得混凝土的孔径分布曲线和孔隙率，并通过调整灰度值，使得由粗糙的孔隙三维结构图像计算获得的孔径分布曲线、孔隙率分别与压汞测量获得的孔径分布曲线、孔隙率一致；最终利用调整得到的临界灰度值细化粗糙的孔隙三维结构图像后，获得精细的孔隙三维结构图像。
该方法能够最大程度地利用X射线CT的既有分辨率，结合了压汞技术和X射线CT扫描技术构建混凝土材料内部精细的孔隙三维结构图像，克服了仅利用X射线CT获取的混凝土材料内部孔隙三维结构图像时，难以精确区分骨架和孔隙的缺点，以获得混凝土材料内部清晰的孔隙三维结构图像。
申请人：清华大学
地址：100084 北京市海淀区清华园1号
国籍：CN
代理机构：北京方安思达知识产权代理有限公司
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基于VR 法的土体大孔隙三维可视化
基于VR 法的土体大孔隙三维可视化摘要：本文利用Volview3.4 软件并依据VR 法对CT 扫描土样进行三维重构，并实现了土体大孔隙的三维可视化。
结果表明：运用三维可视化软件Volview3.4 对二维CT 序列图像进行三维重构，其效果较理想；从图像显示方面来看，CT 扫描的层间距对三维重构后的图像的质量有很大的影响，理论上扫描层间距越小其三维重建后显示的效果越好。
Abstract院This paper uses the software named Volview3.4 which is useful for reconstruction and image analysis of 3D macroporesspace networks of soil samples from CT data. The results show that the Volview3.4 software is useful for 3D reconstruction from 2D CTimage series；The CT scanning interlayer distance has a great influence on the display effect of CT images after 3D reconstruction.Theoretically, the smaller the CT scanning interlayer distance is, the better display effect of 3D reconstruction is from CT images.关键词：土体大孔隙；三维可视化；VR 法；Volview3.4 Key words院soil macropore；3D visualization；volume rending；Volview3.4中图分类号院TP317.4 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）29-0220-040 引言随着图像处理技术的快速发展，CT 扫描技术作为一种非破坏性的技术对于探究土体的结构（即大孔隙三维网络结构）有着很广阔的发展前景。
土壤孔隙网络模型的程序设计与实现
根据分析孔隙结构选取的指标参数，在程序中 获取以下参数。 ①二维参数：周长（Perimeter）、面积 （Area）、 成 圆 率 （ShapeCircular）；② 等 效 孔 径 （Size）、 孔 隙 数 量 （Number）、孔 隙 度 （porosity）、孔 隙 倾 斜 度 （Skew）、 孔 隙 有 效 长 度 （Length）、 扭 曲 复 杂 度 （Tortuory）、 连 通 度 （Euler） 及 水 力 半 径 （Hydraulic Radius）的计算 。 ［17］ 将孔隙参数的计算结果显示在模型 参数界面（图 3），结果数据分列显示，以空格为分隔 符。 为了方便用户对孔隙结构参数进一步的统计分 析，模型设计将参数以 *．txt 格式下载到计算机。
中将孔隙结构变量定义为 3 级：像素（PorePixel）、孔
隙拼块（Pore）、网络（3Dpore）。 使用自定义结构类型
表 达 它 们 的 关 系 为 ：TypePorePixel ∈TypePore ∈
Type3Dpore。 各级结构又包含着不同的用来表达孔
隙结构信息的变量，其关系及具体程序如下。
借鉴前人进行序列切片三维显示常用表面绘 制方法 ， ［12，15］ 给出一定的连通条件，确定孔隙拼块在
垂直方向上的连通关系，以便完成对序列图片上孔 隙拼块的三维重建 。 ［14，16］ 将分属于相邻两切片的孔 隙拼块投影到一个坐标系， 若它们存在重合像元， 便将其视为连通。 如图 3 所示，提取每层图片上的 “拼块”，用节点表示，将第一层的第一个孔隙拼块 A 投影到第二层，与孔隙拼块 B 存在重合像元，说明 A、B 间连通，用实线连接表示。 遍历序列数字图像， 找出所有相邻切片中拼块间的连通关系，形成连通 关系网。 在孔隙空间的垂直方向，相邻切片图像间 距越小，这种投影法得出的孔隙立体结构越接近现 实。 定义结构类型 Pore（）的两个连通分量 LongUp （）、LongDown（），分 别 存 储 相 邻 层 中 与 目 标 结 点 相 连的结点编号及两者的距离。 2．6 三维重建
基于CT图像的土壤孔隙结构三维重建及水力学性质预测_程亚南
a .1 层
b. 2 层
c. 3 层
d. 4 层
e. 5 层
f. 6 层
g. 7 层
h. 8 层
i. 9 层
注：850×850 像素，分辨率 50 μm，扫描厚度为 0.625 mm，对应实际大小为 18 cm2。
图 1 砂壤土样本 3 的 10 层连续 CT 图片
Fig.1 Ten undisturbed series images of computed tomography (CT) for sandy loam sample 3
0引言
土壤水分运动是陆地水文循环的重要组成部分， 同时也是化肥、农药、污染物等化学物质进入地下水 的重要途径。土壤的水力学性质则决定了水分及其溶 质在土壤中的运移速度和方向。在不考虑土壤固液界 面上复杂的物理化学过程情况下，土壤的水力学性质 和溶质迁移特征主要受土壤孔隙结构（孔隙大小分布、 几何形态及相互间的连通性等因素）的影响[1-2]。要定 量地研究土壤孔隙结构对水分运动过程的影响机制， 必须获取高精度的原状孔隙结构并对其进行准确描 述。在硬件技术方面，目前的电子计算机 X 射线断层 扫描（computed tomography，CT）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等无损三维成像技术，为 快速、准确获取孔隙尺度的土壤结构图像提供了可行 的技术手段[3-5]。通过数字图像分析技术，在获得表征 土壤三维空间结构的孔隙大小分布、相互连通性等形 态学参数的基础上，结合三维空间模型（如三维毛细
土壤孔隙三维构建与特征表达的开题报告
土壤孔隙三维构建与特征表达的开题报告一、选题背景和意义土壤是生态系统中至关重要的一部分，它不仅是植物生长的基础，而且对生态系统的水循环、物质转移、气候变化等方面有着直接或间接的影响。
土壤的孔隙结构是构成土壤物理学的重要组成部分，通过对土壤孔隙结构的研究，可以了解土壤水分的分布、微生物的生长、根系的分布等信息，这对于土壤管理和生态保护具有重要意义。
随着计算机技术、图像处理技术和三维扫描技术的不断进步，建立土壤孔隙的三维模型和表达土壤孔隙的特征已成为可能。
该研究项目旨在探讨利用三维构建技术对土壤孔隙进行建模，并进一步表征不同类型土壤孔隙结构的特征，以期为土壤管理和生态保护提供科学依据。
二、研究内容和方法1. 三维构建技术的应用：利用三维扫描技术等现代技术，获取土壤样品的三维影像数据。
在此基础上，采用三维构建软件对样品进行三维建模，并重建其孔隙结构特征。
2. 建立土壤孔隙的数学模型：结合前期实验数据，建立土壤孔隙结构数学模型，将其转化为数字模型，并进行模拟实验，以验证该模型的准确性和可行性。
3. 孔隙结构特征表征：提取孔隙结构的主要特征参数，如孔隙体积分数、孔隙大小分布、孔隙连通性等，分析不同类型土壤孔隙结构的特征差异，并与宏观土壤水分分布等指标进行比较。
4. 综合分析和应用：将研究结果与实际应用相结合，探讨利用所得结果进行土壤管理和生态保护的可能性和可行性。
三、预期结果和意义预计通过本研究，可建立起不同类型土壤孔隙结构的三维数字化模型，并提取其特征参数，为土壤管理和生态保护提供科学依据。
同时，也可进一步推动三维构建和数字模拟技术在土壤科学领域的应用，为相关领域的研究和探索打下基础。
四、前置工作和进度安排1. 数据采集：采集不同类型土壤样本的各项物理、化学参数，并进行三维扫描。
2. 理论模型：对前期数据进行分析，建立孔隙结构的数学模型，并运用Matlab软件进行模拟实验。
3. 特征参数提取：通过特征参数提取算法，提取孔隙结构的重要特征参数（如孔隙体积分数、孔隙大小分布等）。
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代 表 性 的非 环 形 管 道 表 示 。 虽 然 这 样 形 成 的 网 络 模 型 是 三 维 的 ， ２ 三 维重 建算 法
三维重构是本 软件 系统 的核心功能 ， 其算法 设计将 直接影 响
构三维重建系统是将一 系列 二 维切 片信息合 成 为三维 立体 影像 系 统 的运 行 效 率 、 算 精 度 和 可 视 化 效 果 。用 于 三 维 重 建 的 算 法 计 的软件 ， 以直接显示 出一个生 动的虚拟实 体 ， 可 更直观 、 准确 的 和技术有多种 ， 更 如移动立方体算法 （ ａｃｉｇＣ ｂｓ 简称为 ＭＣ算 Ｍ ｒｈｎ ｕ ｅ ， 观察样本 土壤 的内部结构 ， 有助 于了解大孔 隙对 土壤 有效水 力学 法 ） 剖分立 方体 法 （ ｉｄｎ ｕ ｅ ） 射 线投射 法 （ ａ ａｔ ｇ 、 、 Ｄｖ ｉｇＣ ｂｓ 、 ｉ Ｒ ｙＣ ｓｎ ） ｉ
研究 提供 一个 功 能 强 大 、 １ 总体 设计 思路
由于实际土壤在孔隙形态学上 的复杂性 ， 了便 于三 维 网络 为 模 型的建立 与求 解 ， 隙 体和 孔 喉通 常被 简 化成 简单 的几何 形 孔
状 ：Ｌ 体 多 以球 形 或 立 方 体 表 示 ， 喉 则 以 圆 柱 形 或 其 他 具 有 孑隙 孔 但 是 在 视 觉 上 与 实 际 土 壤 内部 结 构 还 有 较 大 差 距 。 土 壤 孔 隙 结
壤 中 的诸 多 重 要 生 态 过 程 （ 土壤 水 分 运 动 、 分 迁 移 等 ） 如 养 。快 速 构模 块 中将 处理 后 的二 维连续 切片按 照设定 的灰 度值范 围以及
获取原状 孔隙结构 的定量信 息 是从根 本上认 识 土壤结 构 与功 能 阈值 进 行 三维 重建 ， 建 出 的三 维 立 体 影 像 可 以实 现 旋 转 、 动 、 重 拖
关键词 ： 壤 ， 隙结构 ， 维重建 ， 件 土 孔 三 软 中 图 分 类 号 ：Ｐ ９ ． Ｔ ３１３ 文 献 标 识 码 ： Ａ
在 土壤结构尤其 是土壤 孑 隙结构 特征 不仅决 定 了许多 关键 的 续切 片灰 度图像数据读取到系统 中 ； 图片观察模 块 中可 以对这 Ｌ 土壤物理性质 （ 水分持 留 、 导能力 等 ） 而且也 控制 着发 生在 土 些二维切 片进行 缩放观察 、 传 ， 开运算 、 二值 化处理 等 ； 系统在三 维重
图 １ 土壤 三维 重 建 系统 操 作 流 程 图
入、 全面开展 。针对这 一 问题 ， 本文 尝试 开发基 于计 算 机 图形学 的、 集图像数据管 理 、 字 图像分 析处 理及三 维 可视化 为一 体 的 数 土壤孔 隙结构 分析与三维重建软件 系统 ， 以期 为 当前 有关 领域 的
土 壤 孔 隙 结 构 三 维 重 建 软 件 系 统 的 设 计 与 实 现
吕 菲
摘 要： 深入探 讨 了土壤孔 隙结构三 维重建软件 系统的设计 思路 、 心技 术及 实现过 程 ， 核 着重论述 了三 维可视化 技术在 土壤孔 隙空间三 维重建 中的应用 ， 用实例验证 了该软 件 系统的功 能及 可行性 。研 究结果有望为 土壤 物理学 、 并 土壤微 形 态 学等 领 域 的研 究提 供 一 个 功 能 全 面 、 单 易 用 的软 件 平 台 ， 助 于 将 该 方 面 研 究工 作 推 向深 入 。 简 有
性 质 的影 响 。
软件 开发 环境包 括 ： 采用 Ｄ ｌｈ７０作为软 件包 的开发工 具 ， ｅｐｉ．
剪切一 曲变法 （ ｈ ａ— ａ ） （ 季和王 宜杰 ，０ ６年 ） Ｓ ｅｒ ｐ 等 张 Ｗｒ ２０ 。其 中， 由 Ｌ ｒｎｅ ｏｅｓｎ和 Ｃｉｅ １８ ｌ （ ９７年） ｎ 提出的 ＭＣ算法 是发展较 为成熟且
第３ ７卷 第 １ ２期 ２０ １ １ 年 ４ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ２ １ ３ ．１
Ａ ｒ ２ １ ｐ． ０ １
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计 算 机 技 术 及 应 用
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文章 编 号 ：０ ９６ ２ （ ０ ） ２０ ５ — ３ １０ —８ ５ ２ １ １ —２ １０ １
问 关 系 及 有 关 过 程 内在 机 制 的必 要 前 提 ， 是 土 壤 学 工 作 者 长 期 平 移 、 照 控 制 等 功 能 ； 个 过 程 中 用 到 的 数 据 都 统 一 在 数 据 储 也 光 整 关注的热点和难点问题之一 。 土 壤 微形 态 学 研 究 中通 常 采 用 的 切 片 方 法 不 仅 制 备 过 程 费 时 费 力 ， 且 根 据 二维 的 切 片 信 息 推 断 三 维 的 土 壤 结 构 容 易 出 现 而 偏差甚至错误 。近 ２ ０多 年 来 ， Ｔ Ｃ ｍｐｔｒｅ ｏ ｇａｈ ） 核 Ｃ （ ｏ ｕｅｉ ｄＴ ｍｏｒ ｙ 、 ｚ ｐ 存 模 块 中 进行 存 放 或 读 取 。整 个 系 统 的 操 作 流 程 见 图 １ 。
磁共振（ ＭＲ 等无损 、 Ｎ ） 显微探测技术的长足进步使得 高精度数字 图像的快速获 取成 为可 能 ， 在 医学 、 程技 术 等领域 的成 功应 其 工 用、 推广为我们提 供 了可供借 鉴 的新思 路 。在 土壤 学研究 领 域 ，
国内 近 年 也 逐 渐 有 学 者 开 展 了 此 方 面 的研 究 ， 冯 杰 和 郝 振 纯 如 （ ０２年 ） 贺 秀 斌 等 （ ０５年 ） 吕菲 等 （０ ７年 ） 。 但 就 目前 ２０ 、 ２０ 、 ２０ 等 国 内 的研 究 现 状 来 看 ， 于 缺少 通 用 的 或 有 针 对 性 的 数 字 图 像 分 由 析 、 维 重 建 及 可 视 化 软 件 工 具 ， 经 大 大 制 约 了研 究 工 作 的 深 三 已