一种基于像素统计的花岗岩三维细观结构重构方法技术

本发明专利技术提供了一种基于像素统计的花岗岩三维细观结构重构方法，包括：统计花岗岩表面图像中各种矿物（石英、长石、云母）的几何信息；利用指定的矿物生长方式和生长概率分配原则，构造具有二维或三维细观结构的数字岩石标本。对于三维情形，矿物的生长方式包括点、线、面3种方式，每种生长方式具有不同的生长方位。不同的生长方位被分配适当的概率。为了反映同种或异种矿物团生长过程的相互影响，设置了两种原则：禁止侵占原则和允许侵占原则。前者的使用能避免同种矿物团的合并，并能保证迭代的收敛。本发明专利技术除了获取花岗岩表面的图像之外，全部通过计算机编程实现，和CT法或机加工法相比，具有精度高、效率高、造价低、适用性广的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维内部结构重构领域，具体地说，本专利技术涉及。
技术介绍
天然岩石是由矿物、孔隙、流体、胶结物等介质在空间上按照一定的规律排列而成的。花岗岩是一种火成岩，其矿物主要包括长石、石英和云母。尽管在宏观尺度上可近似看作均匀的岩石材料，在细观尺度(0.1-10.0mm)上，也具有物质的非均匀性，甚至是各向异性。岩石细观尺度上的非均匀性对岩石宏观力学行为(应力、应变分布和裂缝扩展路径等)具有重要的影响。在过去相当长的时期之内，限于技术条件和研宄水平，常将岩石材料视为一种均匀的材料，由此带来了岩石的基本力学参数难于给准的问题，并涌现了大量的愈来愈复杂的本构模型。在有些复杂的本构模型中包含大量的参数，有些参数的物理意义和如何测量都难以阐述清楚，因此，不便于应用。上述问题的根源主要在于忽视了岩石细观结构。自从20世纪90年代末以来，岩石细观结构的重要性逐渐被认识到，在一些数值模型中通过考虑单元强度参数的非均匀性，开展了较多的岩石细观结构对其宏观响应的影响研宄(陈沙，岳中琦，谭国焕.基于真实细观结构的岩土工程材料三维数值分析方法.岩石力学与工程学报，2006，25(10): 1951-1959;于庆磊，杨天鸿，郑超等.岩石细观结构对其变形演变影响的数值分析.岩土力学，2011，32(11): 3468-3472)。但是，这些模型中的细观结构是虚拟的，和任何岩石材料的细观结构都不相像，并未考虑岩石中多种矿物成分的空间分布规律。这种虚拟的细观结构在多大程度上真实地体现岩石的非均质性并不清楚。无论分析什么材料，都采用类似的虚拟细观结构的作法也难于使人信服。甚至有人认为，建立在虚拟细观结构上的分析很难得到材料的真实力学性质，必须在分析时考虑真实的细观结构，才能得到有针对性和正确性的结果(岳中琦.岩土细观介质空间分布数字表达和相关力学数值分析的方法、应用和进展.岩石力学与工程学报，2006，25(5): 875-888)。在数值模型中引入岩石材料真正的细观结构是从数字图像技术引入岩石力学开始的。在拍摄的岩石表面图像中，不同的矿物成分由于颜色的差异能得到区分，通过建立图像中的最小单位(像素)与数值模型中单元之间的关联，并进一步建立像素的灰度与单元力学参数之间的关联，使在数值模型中考虑岩石真正的细观结构的思想得以实现。然而，由于所拍摄的图像都是二维的，所以只能针对二维数字岩石样本进行力学分析，不能满足三维研宄的需要。为了获取岩石三维细观结构，常采用的方法有两种(汪远银，马少鹏，马沁巍等.小型切片式三维结构重构系统.中国专利技术专利，公布号:CN 102175175 A，公布日:2011.09.07):1) CT扫描方法；2)机加工法。CT扫描法通过X射线对标本进行逐层扫描的方式获取整个标本的三维内部结构。但是，CT扫描法设备成本，占地大，需专业人员操作和维护，无法对X射线吸收率相同而颜色或结构不同的构件进行探测，另外，常规CT设备所获得图像的空间分辨率较低，难以进行复杂结构的精细探测。机加工法通过逐层研磨或切割标本，逐层拍照的方式获取标本多个层面上的图像，并进而拼接成标本的三维内部结构。该方法的优点主要体现在三维重构的精度和分辨率上，在设备小型化和低成本化方面也具备一定的优点。但是，该方法的劣势主要体现在:1)损坏标本，在获取标本的三维细观结构之后，标本消失，无法将标本在试验机上的力学行为与标本的数值结果进行比较，也就是说，给考察标本的数值结果的正确性带来不便，不适于不允许损坏标本或不允许制作标本的情形；2)设备操作复杂，获取细观结构的过程费时费力，机械系统的微小振动，光照条件的微小变化等都会对三维重构的精度产生影响。例如，一次研磨或切割的厚度为1_，则欲去掉1cm的标本厚度，则需要加工100次，每次加工都可能导致标本的位置发生微小的改变，在标本的表面留下加工的痕迹，甚至可能使一些矿物颗粒提前脱落。更重要的是，每次采用拍摄设备拍照都需要保证镜头与标本表面的距离不变，实际上，这一点难以做到，因为很难控制将拍摄设备每次前移1mm。另外，在Imm厚度方向上只能有一个像素，而不是多个，这会影响三维重构的精度，如将一次研磨的厚度降低，则不利于三维重构的效率。
技术实现思路
为了解决现有的花岗岩三维细观结构重构方法存在的精度低、效率低、价格高及损坏试样的问题，本专利技术提供了，利用数字图像技术获得花岗岩表面的图像，统计多种矿物成分的分布规律，据此实现构造花岗岩三维细观结构，大幅度提高细观结构重构的精度和效率，并显著降低造价。为解决上述问题，本专利技术提供了(图1)，其特征在于，包括:利用数字图像技术对拍摄的花岗岩表面的图像中不同矿物进行区分，获取各种矿物成分的统计规律；根据上述统计规律，利用指定的矿物生长方式和生长概率分配原则构造具有二维或三维细观结构的数字岩石标本。进一步地，其中，所述利用数字图像技术对拍摄的花岗岩表面的图像中不同矿物进行区分，获取各种矿物成分的统计规律进一步为: 首先，利用拍摄设备获取花岗岩表面的图像；然后，利用数字图像技术中的边缘检测和分割算法对各种矿物成分进行区分；最后，对各种矿物成分的几何信息进行统计，获取各种矿物的面积百分数、任一矿物团的最大半径和当量(等效)半径信息。其中: 所述各种矿物成分为云母、石英和长石(图2)。所述矿物团为属于同种物质的像素组成的一个孤立的不规则集合体，组成集合体的像素彼此相连结。连结方式有两种:线相连和点相连。线相连是指两个像素共用一条线段(图3-b)，点相连是指两个像素共用一个点(图3-a)。所述矿物的面积百分数为一个图像中某种矿物中各像素的数量之和与图像中总体像素的比值。 所述矿物团的最大半径为某个矿物团中距离该矿物团中心最远的像素的中心到该中心的距离。其中，所述矿物团中心由矿物团中各像素的坐标求得，具体包括:将任一个像素视为一个正方形，获取任意正方形中心点的坐标和面积，利用平面图形几何中心公式获取由多个正方形组成的复杂几何形体的中心的坐标，即为该矿物团的几何中心坐标。所述任一矿物团的当量半径为该矿物团中各像素面积之和与的比值再开平方。进一步地，其中，所述根据上述统计规律，利用指定的矿物生长方式和生长概率分配原则构造具有二维或三维细观结构的数字岩石标本进一步为:首先，根据研宄需要和计算机运算能力，设定拟重构花岗岩标本的尺寸，估计拟重构标本内所能容纳的最大像素个数；之后，将拟重构标本分割成若干正方形或立方体胞元(图4)，一个胞元和一个像素或体素(三维像素)相对应；之后，将3种矿物中的一种作为背景，不需重构，选择另外两种矿物进行重构，在所有胞元中分别随机选择若干胞元作为第1、2种需重构矿物的种子(图5);之后，给定两种矿物重构时需要遵循的统计规律和重构的结束条件，根据指定的生长规律，使两种矿物在种子附近生长，直到重构结束；最后，对重构结果进行审核，如果一种或两种已重构的矿物团的当前统计结果与设定的统计规律有较大的差别，对当前统计结果进行适当修正。其中:所述正方形胞当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于像素统计的花岗岩三维细观结构重构方法，其特征在于，包括：利用数字图像技术对拍摄的花岗岩表面的图像中不同矿物进行区分，获取各种矿物成分的统计规律；根据上述统计规律，利用指定的矿物生长方式和生长概率分配原则构造具有二维或三维细观结构的数字岩石标本。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王学滨，白雪元，张楠，马冰，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21