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为解决颗粒材料安息角（AoR）测量缺乏统一标准、传统测量方法存在局限等问题，研究人员开展对颗粒状岩石材料堆的 2D 和 3D 扫描及校准模型研究。结果表明新方法可精确计算 AoR，有助于新测量方法的开发和验证，提升颗粒材料分析可靠性。
在材料科学和工程等众多领域，颗粒材料的安息角（Angle of Repose，AoR）是一个极为关键的参数。它代表着一堆材料在不滑动的情况下能保持稳定的最大角度，准确测量 AoR 对于理解材料的稳定性和运动规律至关重要，比如在采矿作业中，矿石堆的安息角直接关系到矿山的安全生产；在建筑工程里，沙石等颗粒材料的安息角影响着基础的稳定性。
然而，目前 AoR 的测量面临诸多挑战。传统的测量方法，如使用量角器或尺子进行手动测量，不仅主观性强，容易受到观察者个人因素的影响，而且对于形状不规则的颗粒堆，测量误差极大。二维（2D）图像分析方法虽然在一定程度上提高了测量的可重复性，但由于无法完整捕捉颗粒堆的三维（3D）几何形状，测量结果仍存在较大偏差。此外，测量过程中缺乏通用的标准，不同研究人员在形成颗粒堆时采用的方法、设备和实验条件各不相同，导致测量结果难以相互比较。
为了解决这些问题，克罗地亚萨格勒布大学采矿、地质和石油工程学院的 Mario Klanfar、Tomislav Korman、Dubravko Domitrovi?和 Vjekoslav Herceg 等研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《Scientific Data》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是堆形成技术，采用提升圆筒法，利用专门构建的装置，通过限制圆筒仅在垂直方向移动，确保颗粒堆形成的对称性，以稳定的速度（4mm/s）提升圆筒，使样品在水平板上均匀散开形成颗粒堆。其次是 2D 数字图像扫描技术，使用 Pentax K5 相机从相互垂直的角度拍摄颗粒堆照片，然后利用 ImageJ 软件进行图像处理，提取堆坐标。3D 摄影测量技术也至关重要，使用同一相机，围绕颗粒堆以 45° 倾斜角和水平圆周拍摄至少十张照片，再借助 Agisoft Photoscan 软件生成点云（Point-cloud）和 STL 模型。
研究结果如下：
- 堆形成实验：通过提升圆筒法成功制备了 86 个由白云石、石英砂、大理石和砾石等不同材料组成的颗粒堆，还使用了 4 个计算机设计模型（CAD）和 1 个理想物理圆锥进行对比和校准。在实验过程中，根据不同的测试目的，将材料分别倾倒在固定板或转盘上，研究不同条件对测量结果的影响。
- 2D 数字图像扫描分析：拍摄的照片经过 ImageJ 软件处理，转换为 8 位格式并调整阈值进行边缘检测，最终将轮廓点坐标存储在文本文件中，每个样品处理时间约为 2 分钟。从 2D 模型中可以提取堆的相关信息，为后续分析提供数据支持。
- 3D 摄影测量分析：利用拍摄的照片，通过 Agisoft Photoscan 软件生成精确的 3D 模型。为了探究不同因素对测量精度的影响，设置了多种测试方式，如不同的拍摄角度、照片数量和相机位置等。结果表明，这些因素对测量精度均有一定影响，为优化测量方法提供了依据。
研究结论和讨论部分指出，通过该研究生成的 STL 和点云模型，能够更准确地计算 AoR，充分考虑到传统方法容易忽略的复杂表面形态。这些模型为研究人员提供了一种通用工具，可用于测试新的 AoR 测量方法，并与现有方法进行比较。标准化的模型使得研究人员能够在一致且可重复的数据基础上进行分析，提高了研究的可靠性和一致性。此外，研究中使用的校准方法，如通过参考已知形状和几何尺寸的圆锥体进行验证，以及对通用标记坐标点的误差检查，进一步确保了测量结果的准确性。这项研究为颗粒材料安息角的测量和分析提供了新的思路和方法，对于推动采矿、岩土工程、制药和农业等领域的发展具有重要意义。
