一種基于像素統計的花崗巖三維細觀結構重構方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及三維內部結構重構領域，具體地說，本發明涉及一種基于像素統計的花崗巖三維細觀結構重構方法。
【背景技術】
[0002]天然巖石是由礦物、孔隙、流體、膠結物等介質在空間上按照一定的規律排列而成的。花崗巖是一種火成巖，其礦物主要包括長石、石英和云母。盡管在宏觀尺度上可近似看作均勻的巖石材料，在細觀尺度(0.1-10.0mm)上，也具有物質的非均勻性，甚至是各向異性。巖石細觀尺度上的非均勻性對巖石宏觀力學行為(應力、應變分布和裂縫擴展路徑等)具有重要的影響。
[0003]在過去相當長的時期之內，限于技術條件和研宄水平，常將巖石材料視為一種均勻的材料，由此帶來了巖石的基本力學參數難于給準的問題，并涌現了大量的愈來愈復雜的本構模型。在有些復雜的本構模型中包含大量的參數，有些參數的物理意義和如何測量都難以闡述清楚，因此，不便于應用。上述問題的根源主要在于忽視了巖石細觀結構。自從20世紀90年代末以來，巖石細觀結構的重要性逐漸被認識到，在一些數值模型中通過考慮單元強度參數的非均勻性，開展了較多的巖石細觀結構對其宏觀響應的影響研宄(陳沙，岳中琦，譚國煥.基于真實細觀結構的巖土工程材料三維數值分析方法.巖石力學與工程學報，2006，25(10): 1951-1959;于慶磊，楊天鴻，鄭超等.巖石細觀結構對其變形演變影響的數值分析.巖土力學，2011，32(11): 3468-3472)。但是，這些模型中的細觀結構是虛擬的，和任何巖石材料的細觀結構都不相像，并未考慮巖石中多種礦物成分的空間分布規律。這種虛擬的細觀結構在多大程度上真實地體現巖石的非均質性并不清楚。無論分析什么材料，都采用類似的虛擬細觀結構的作法也難于使人信服。甚至有人認為，建立在虛擬細觀結構上的分析很難得到材料的真實力學性質，必須在分析時考慮真實的細觀結構，才能得到有針對性和正確性的結果(岳中琦.巖土細觀介質空間分布數字表達和相關力學數值分析的方法、應用和進展.巖石力學與工程學報，2006，25(5): 875-888)。
[0004]在數值模型中引入巖石材料真正的細觀結構是從數字圖像技術引入巖石力學開始的。在拍攝的巖石表面圖像中，不同的礦物成分由于顏色的差異能得到區分，通過建立圖像中的最小單位(像素)與數值模型中單元之間的關聯，并進一步建立像素的灰度與單元力學參數之間的關聯，使在數值模型中考慮巖石真正的細觀結構的思想得以實現。然而，由于所拍攝的圖像都是二維的，所以只能針對二維數字巖石樣本進行力學分析，不能滿足三維研宄的需要。
[0005]為了獲取巖石三維細觀結構，常采用的方法有兩種(汪遠銀，馬少鵬，馬沁巍等.小型切片式三維結構重構系統.中國發明專利，公布號:CN 102175175 A，公布日:2011.09.07):1) CT掃描方法；2)機加工法。CT掃描法通過X射線對標本進行逐層掃描的方式獲取整個標本的三維內部結構。但是，CT掃描法設備成本，占地大，需專業人員操作和維護，無法對X射線吸收率相同而顏色或結構不同的構件進行探測，另外，常規CT設備所獲得圖像的空間分辨率較低，難以進行復雜結構的精細探測。機加工法通過逐層研磨或切割標本，逐層拍照的方式獲取標本多個層面上的圖像，并進而拼接成標本的三維內部結構。該方法的優點主要體現在三維重構的精度和分辨率上，在設備小型化和低成本化方面也具備一定的優點。但是，該方法的劣勢主要體現在:1)損壞標本，在獲取標本的三維細觀結構之后，標本消失，無法將標本在試驗機上的力學行為與標本的數值結果進行比較，也就是說，給考察標本的數值結果的正確性帶來不便，不適于不允許損壞標本或不允許制作標本的情形；2)設備操作復雜，獲取細觀結構的過程費時費力，機械系統的微小振動，光照條件的微小變化等都會對三維重構的精度產生影響。例如，一次研磨或切割的厚度為1_，則欲去掉1cm的標本厚度，則需要加工100次，每次加工都可能導致標本的位置發生微小的改變，在標本的表面留下加工的痕跡，甚至可能使一些礦物顆粒提前脫落。更重要的是，每次采用拍攝設備拍照都需要保證鏡頭與標本表面的距離不變，實際上，這一點難以做到，因為很難控制將拍攝設備每次前移1mm。另外，在Imm厚度方向上只能有一個像素，而不是多個，這會影響三維重構的精度，如將一次研磨的厚度降低，則不利于三維重構的效率。
【發明內容】
[0006]為了解決現有的花崗巖三維細觀結構重構方法存在的精度低、效率低、價格高及損壞試樣的問題，本發明提供了一種基于像素統計的花崗巖三維細觀結構重構方法，利用數字圖像技術獲得花崗巖表面的圖像，統計多種礦物成分的分布規律，據此實現構造花崗巖三維細觀結構，大幅度提高細觀結構重構的精度和效率，并顯著降低造價。
[0007]為解決上述問題，本發明提供了一種基于像素統計的花崗巖三維細觀結構重構方法(圖1)，其特征在于，包括:利用數字圖像技術對拍攝的花崗巖表面的圖像中不同礦物進行區分，獲取各種礦物成分的統計規律；根據上述統計規律，利用指定的礦物生長方式和生長概率分配原則構造具有二維或三維細觀結構的數字巖石標本。
[0008]進一步地，其中，所述利用數字圖像技術對拍攝的花崗巖表面的圖像中不同礦物進行區分，獲取各種礦物成分的統計規律進一步為:
首先，利用拍攝設備獲取花崗巖表面的圖像；然后，利用數字圖像技術中的邊緣檢測和分割算法對各種礦物成分進行區分；最后，對各種礦物成分的幾何信息進行統計，獲取各種礦物的面積百分數、任一礦物團的最大半徑和當量(等效)半徑信息。其中:
所述各種礦物成分為云母、石英和長石(圖2)。
[0009]所述礦物團為屬于同種物質的像素組成的一個孤立的不規則集合體，組成集合體的像素彼此相連結。連結方式有兩種:線相連和點相連。線相連是指兩個像素共用一條線段(圖3-b)，點相連是指兩個像素共用一個點(圖3-a)。
[0010]所述礦物的面積百分數為一個圖像中某種礦物中各像素的數量之和與圖像中總體像素的比值。
[0011 ] 所述礦物團的最大半徑為某個礦物團中距離該礦物團中心最遠的像素的中心到該中心的距離。其中，所述礦物團中心由礦物團中各像素的坐標求得，具體包括:將任一個像素視為一個正方形，獲取任意正方形中心點的坐標和面積，利用平面圖形幾何中心公式獲取由多個正方形組成的復雜幾何形體的中心的坐標，即為該礦物團的幾何中心坐標。
[0012]所述任一礦物團的當量半徑為該礦物團中各像素面積之和與的比值再開平方。
[0013]進一步地，其中，所述根據上述統計規律，利用指定的礦物生長方式和生長概率分配原則構造具有二維或三維細觀結構的數字巖石標本進一步為:首先，根據研宄需要和計算機運算能力，設定擬重構花崗巖標本的尺寸，估計擬重構標本內所能容納的最大像素個數；之后，將擬重構標本分割成若干正方形或立方體胞元(圖4)，一個胞元和一個像素或體素(三維像素)相對應；之后，將3種礦物中的一種作為背景，不需重構，選擇另外兩種礦物進行重構，在所有胞元中分別隨機選擇若干胞元作為第1、2種需重構礦物的種子(圖5);之后，給定兩種礦物重構時需要遵循的統計規律和重構的結束條件，根據指定的生長規律，使兩種礦物在種子附近生長，直到重構結束；最后，對重構結果進行審核，如果一種或兩種已重構的礦物團的當前統計結果與設定的統計規律有較大的差別，對當前統計結果進行適當修正。其中:所述正方形胞