[发明专利]一种基于图像RGB值测试土体表面含水率的方法及装置

权利要求书

1.一种基于图像RGB值测试土体表面含水率的方法,其步骤是：

①安装与固定图像采集仪及标准光源，图像采集仪为数码相机或摄像头，图像采集仪的镜头垂直对准待测土体表面，调整并保持图像采集仪及标准光源的位置及其工作参数不变，获得照度一致、质量稳定的数字图像；

②从待测土体中提取样品，制备成相对较干的校准土样a和较湿的校准土样b，放置于土体表面；

③通过电脑程序控制或手动操作，对校准土样a、校准土样b进行一次性图像采集，随后用烘干法测试校准土样a、校准土样b的含水率w_a和w_b；

④在后续任意不同时刻，对土体表面进行数字图像采集；

⑤将获得的土体表面图像传输至电脑进行存储；

⑥在电脑中采用颜色分析程序对所采集并存储的土体表面图像进行处理，获得能更好表征颜色信息的RGB均值μ_L；

⑦土体图像RGB均值随含水率增大的关系曲线分为缓降、陡降和缓升三个阶段，其中陡降段和缓升段能用线性方程模型较精确描述；利用校准土样a、校准土样b的图像RGB均值μ_La、μ_Lb及对应的含水率测试值w_a和w_b，建立陡降段或缓升段的两点式线性方程；

⑧将测试过程中获得的不同时刻土体表面图像的RGB均值μ_L输入步骤⑦所述的线性方程，计算得出不同时刻所对应的含水率值w：

其中，w为含水率，μ_L为不同时刻土体表面图像的RGB均值，μ_La、μ_Lb分别为校准土样a和校准土样b表面图像的RGB均值；

所述的从待测土体中提取样品，制备成相对较干的校准土样a和较湿的校准土样b，放置于土体表面，包括：

①应用土体图像RGB均值曲线的陡降段测试含水率时，校准土样a的含水率w_a取为8～10％，校准土样b的含水率w_b取为12～14％；应用土体图像RGB均值曲线的缓升段测试含水率时，校准土样a的含水率w_a取为22～25％，校准土样b的含水率w_b取为28～33％；

②校准土样采用Φ61.8高20mm的薄环刀进行人工压制，干密度与待测土体接近；

所述的在电脑中采用颜色分析程序对所采集并存储的土体表面图像进行处理，获得能更好表征颜色信息的RGB均值μ_L，包括：

①对图像进行裁剪处理，将位置的局部图像另存为分析用图像文件；

②采用RGB颜色分析自编程序对图像文件进行分析，土样表面图像的颜色RGB直方图密度分布曲线服从正态分布，利用高斯分布拟合得到方程：

式中，f(x)为颜色RGB直方图密度，x为颜色RGB值，μ和σ分别为图像RGB分量正态分布函数的数学期望和标准差；

将程序计算的数学期望μ作为的土体图像的颜色表征值；

③将获得的土样不同时刻R、G、B三个颜色分量的数学期望μ_R、μ_G、μ_B进行加权平均，得到表征土体图像颜色综合信息的RGB均值μ_L，μ_L＝(μ_R+μ_G+μ_B)/3；

其中：μ_L为土体图像的RGB均值，μ_R、μ_G、μ_B分别为土体图像的R、G、B颜色分量的数学期望；

所述的土体图像RGB均值随含水率增大的关系曲线分为缓降、陡降和缓升三个阶段，其中陡降段和缓升段能用线性方程模型较精确描述；利用校准土样a、校准土样b的图像RGB均值μ_La、μ_Lb及对应的含水率测试值w_a和w_b，建立陡降段或缓升段的两点式线性方程，包括：

①以RGB均值为横坐标、含水率为纵坐标，将二个校准土样的RGB均值μ_La、μ_Lb及对应的含水率测试数据w_a、w_b分别绘于散点图中；

②根据二个已知数据点求出两点式线性方程或表示为

其中，w为不同时刻土体表面的含水率，w_a、w_b分别为校准土样a、校准土样b的含水率，μ_La、μ_Lb分别为校准土样a、校准土样b的RGB均值，μ_L为不同时刻土体图像的RGB均值。

2.根据权利要求1所述的方法的装置，包括土体(1)、镜头(3)、图像采集仪(4)、球型云台(5)、调节手柄(6)、标准光源(7)、光源支架(8)、光源底座(9)、脚架(10)、数据传输与控制线(11)、电脑(12)，其特征在于：将脚架(10)安装于地表并调平，将球型云台(5)与脚架(10)相连，球型云台(5)与图像采集仪(4)相连，通过球型云台(5)上的调节手柄(6)调整图像采集仪(4)的角度，图像采集仪(4)上的镜头(3)垂直对准待测土体(1)，在脚架(10)旁边安装标准光源(7)，标准光源(7)与光源支架(8)相连，光源支架(8)与光源底座(9)相连，图像采集仪(4)与数据传输与控制线(11)相连，数据传输与控制线(11)和电脑(12)相连。