CN116358439B - 一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质，涉及数据处理技术领域，包括：获取岩石图像，标记应变标志体的中心点，创建点集，绘制Fry点云图；定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果，由此实现对岩石有限应变的测量分析。

Description

一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质。
背景技术
岩石有限应变测量是现代构造地质学研究的重要手段，其利用岩石内应变标志体的形态和分布来确定岩石的应变状态，构成岩石变形定量研究的基础，反映岩石变形前和变形后几何形态差异的实体称为应变标志体，常用的如化石、鲕粒等。
目前有较多应变测量方法被提出，其中一类关注应变标志体单体或集合体变形前后的形态或方向变化，如反向轮法、莫尔圆图解法等，另一类关注应变标志体的相对位置关系，如心对心法等。Fry法将心对心法发展为一种更为简便的测量方法，其中，需要说明的是，Fry法是英国地质学家Fry N于1979年提出的一种岩石有限应变测量方法，系本领域公知常识，中文曾译名为弗莱法，但后续文献多仍以英文表述。该方法通过平移统计应变标志体中心点，形成一个空心椭圆来代表应变椭圆。
Fry法利用透明纸进行手工制图，操作过程简单，但经多次重复，耗时长、效率低，且该方法操作过程中可能出现误差的地方主要有两处，即标志点的选择和空心椭圆的确定；前者主要由于样品表面不平整或亚颗粒的存在所造成，但基于大量的统计，这种误差的影响是微乎其微的；而空心椭圆作为Fry法最后确定应变的直接依据，通常由人为划定，主观性较强、误差大。
为了解决这一问题，有研究提出基于计算程序编程语言的自动实现方法，但是对于一些设计年代较早的语言，对可视化支持较差，即使能解决自动化的问题，最终仍是由人工确定应变椭圆，仍存在主观性强的问题；而且自动识别方法存在一个关键挑战--伪影，即一个与真实空心椭圆存在交角的、范围较小的应变标志点空缺区，伪影的存在会对结果造成误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种岩石有限应变测量方法、系统、电子设备及存储介质，以密度比为优化目标，在取值范围内遍历使密度比最大的椭圆参数，从而得到最佳应变椭圆，以此实现对岩石有限应变的测量分析。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种岩石有限应变测量方法，包括：
获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；
根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
作为可选择的实施方式，创建点集的过程包括：对应变标志体的中心点形成原始点集，将原始点集中所有中心点移动设定距离，记录中心点移动后的坐标，从而得到新的点集。
作为可选择的实施方式，设定距离为，每次移动后，第n个中心点/>移动至点（0,0），并记录其余中心点移动后的坐标；/>分别是第n个中心点/>的横坐标和纵坐标。
作为可选择的实施方式，点集为，其中，/>为点集中第m个中心点的坐标。
作为可选择的实施方式，根据Fry点云图设定空心椭圆参数的取值范围，使密度比最大的空心椭圆参数组合为最佳应变椭圆的参数，由此得到最佳应变椭圆。
作为可选择的实施方式，所述空心椭圆参数包括半长轴、半短轴和旋转角。
作为可选择的实施方式，根据最佳应变椭圆的参数确定包括应变方向和应变值的岩石有限应变测量结果；其中，旋转角代表应变方向，半短轴与半长轴的比值代表应变值。
第二方面，本发明提供一种岩石有限应变测量系统，包括：
图绘制模块，被配置为获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
密度比定义模块，被配置为定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
拟合模块，被配置为在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；
分析模块，被配置为根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种岩石有限应变测量方法，标记应变标志体的中心点后创建点要素类，以此绘制Fry点云图，然后设定应变椭圆半长轴、半短轴和旋转角的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的椭圆参数，从而得到最佳应变椭圆，以此实现对岩石有限应变的测量分析，以密度比为优化目标，自动校验椭圆参数并得到最佳参数，解决现有方法中主观性强的问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1（a）为Fry法原理中构成的一系列圆的示意图；
图1（b）为Fry法原理图中岩石均匀变形后圆变为椭圆的示意图；
图2为本发明实施例1提供的岩石有限应变测量方法流程图；
图3为点密度法原理示意图；
图4为本发明实施例1提供的砂岩图像示意图；
图5为本发明实施例1提供的基于砂岩图像得到的最佳空心椭圆示意图；
图6为本发明实施例1提供的砾岩图像示意图；
图7为本发明实施例1提供的基于砾岩图像得到的最佳空心椭圆示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如背景技术中所述的，Fry法关注应变标志体的相对位置关系，不考虑应变标志体本身的形态，其基本思想是：理想状态下，岩石截面简化为由半径为r的圆紧密堆积构成的集合体。在该堆积状态下，任意圆的圆心A周围都有6个距离为2r的点（如图1（a）中的圆心B和圆心C）、6个距离为的点（如图1（a）中的圆心E和圆心D）、6个距离为/>的点（如图1（a）中的圆心F和圆心G），构成一系列同心圆，岩石均匀变形后，同心圆变为同心椭圆，如图1（b）中圆心A`-G`的椭圆。天然状态下，虽然应变标志体半径差异较大且堆积方式多变，但由于其在空间上的分布是随机的，经点的叠加仍可构成近于完整的椭圆。
Fry法的人工实现过程为：
（1）在照片或图片中确定应变标志体的中心点，并将其编号；
（2）取透明纸，在其中心标出参考位置，将透明纸覆盖在照片或图片上，参考位置与1号点重合，在透明纸上描出其它点；
（3）平移透明纸，使参考位置与2号点重合，描出其它点位置；重复这一过程，直至参考位置遍历所有中心点。
（4）绘制完成后，透明纸参考位置附近会呈现一个空心椭圆，环绕空心椭圆还可能存在一个点密环带，则该空心椭圆即代表应变椭圆。
而Fry法最后确定应变的直接依据通常由人为划定，主观性较强，即使是自动识别空心椭圆的方法，也存在伪影的问题。
Arcgis地理信息系统具有良好的坐标和空间分析能力，虽然Fry法本身并不依赖地理坐标，但Arcgis地理信息系统便捷的坐标提取和空间处理功能为自动制图和点密度运算提供了优良的工具选择，本实施例利用该系统的空间处理功能，自动绘制Fry点云图，无需手动通过透明纸逐点标绘；通过选择合理的空心椭圆参数的取值范围，利用点密度法和参数范围遍历组合的方式，自动识别空心椭圆的参数，以得到最佳应变椭圆，避免伪影的误识别。
由此，本实施例提供一种岩石有限应变测量方法，如图2所示，包括：
获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；
根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
在本实施例中，空心椭圆参数包括半长轴a、半短轴b和旋转角k；确定的使密度比最大的空心椭圆参数组合即为最佳应变椭圆的参数，由此确定包括应变方向和应变值的岩石有限应变测量结果；其中，旋转角k代表应变方向，半短轴b/半长轴a代表应变值。
Fry点云图是由一系列点构成的图，其绘制难点在于确定这一系列点的坐标；由此，在本实施例中，获取岩石图像后，标记应变标志体的中心点，创建点要素类，形成原始点集；其中，/>为第n个中心点的坐标，N为中心点总数；
然后，将所有中心点移动第一距离，此时p1点移动至点（0,0），记录其余中心点移动后的坐标，并生成新的点集；
对原始点集Pori中所有的中心点均重复上述过程，即将所有中心点依次移动第二距离，第三距离/>…第n距离/>，分别是第2个中心点的横坐标和纵坐标，/>分别是第3个中心点的横坐标和纵坐标，/>分别是第n个中心点的横坐标和纵坐标；
最终得到Fry点集，其中，为Fry点集中第m个中心点的坐标；
最后，根据Fry点集中各个中心点的坐标在Arcgis平台上自动绘制Fry点云图。
由于尺寸的局限性和显著的角度偏差，伪影的存在通常不会给人工确定空心椭圆造成困扰，只会影响缺乏直观感觉的自动算法；与之相反，不同观察者对空白椭圆的轴比和旋转角的判断却可能存在较大差异。
因此，本实施例先根据绘制的Fry点云图设定空心椭圆参数的取值范围，再对该取值范围内的参数组合采用点密度法进行检验，在取值范围内遍历参数组合，搜索使密度比达到最大的空心椭圆参数，该空心椭圆即为最佳应变椭圆，空心椭圆参数即为最佳应变椭圆参数。
其中，点密度法为：首先构造一个内部椭圆和与之紧邻的外部椭圆环，二者圆点、轴比、旋转角和面积均相同；当拟合良好时，内部椭圆对应空心椭圆，包含最低密度的点；外部椭圆环对应点密环带，包含最高密度的点，因此通过在参数的取值范围内检验，使外内密度比达到最大值，如图3所示。
具体地，在Fry点云图中，以半长轴a、半短轴b生成同圆点的内椭圆和外椭圆，并旋转角度k，内椭圆和外椭圆的轴比和主轴方向相同，外椭圆的面积为内椭圆的两倍，也就是生成面积相等且同圆点的内椭圆和外椭圆环；
然后分别计算处于内椭圆内的中心点数Nin和处于外椭圆环内的中心点数Nout，以此计算密度比；
根据Fry点云图设定空心椭圆的半长轴a的取值范围rangea、半短轴b的取值范围rangeb、旋转角k的取值范围rangek；
其中，通过观察Fry点云图后由人工确定取值范围，其目的在于人工排除伪影的影响；不同的岩石图像生成的Fry点云图的取值范围差别较大；在本实施例中，由人工观察获得空心椭圆的大致半长轴、半短轴和旋转角数值后，按数值的±50%确定取值范围。
最后，在rangea、rangeb、rangek内组合取值，直至遍历整个空间，得到使密度比C最大的空心椭圆参数，即为最佳应变椭圆参数，由此构建出最佳应变椭圆。
另外，需要说明的是，在包含最佳取值且排除伪影取值的前提下，取值范围的给定不影响最终结果，只会对计算速度产生影响。
本实施例选择两个实例作为应用实例进行实验。
实例1：选取砂岩图像，如图4所示，并采集到142个点，生成由20022个点构成Fry点云图，为寻找最合适的椭圆，设定的空心椭圆参数的取值范围如表1，共搜索5408个点，最终得到的空心椭圆的参数组合为a=1.7、b=0.9、k=1.15，内椭圆包含1个点，外椭圆环包含79个点，密度比为98.73%，如图5所示；得到该实例的应变方向为1.15弧度，应变值为0.9/1.7。
实例2：选取砾岩图像，如图6所示，并采集到68个点，生成由4556个点构成的Fry点云图。设定的空心椭圆参数的取值范围如表1，共搜索13104个点，最终得到的空心椭圆的参数组合为a=10.2、b=1.8、k=0，内椭圆包含2个点，外椭圆环包含点61个点，密度比为96.72%，如图7所示；得到该实例的应变方向为0弧度，应变值为1.8/10.2。
表1空心参数的取值范围
由于Fry法对绝对长度不敏感，仅关注a与b的比值，因此长度单位可以是任意的；k采用弧度值，以指向右为0，顺时针旋转为负，逆时针旋转为正。
实施例2
本实施例提供一种岩石有限应变测量系统，包括：
图绘制模块，被配置为获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
密度比定义模块，被配置为定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
拟合模块，被配置为在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；
分析模块，被配置为根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种岩石有限应变测量方法，其特征在于，包括：
获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
创建点集的过程包括：对应变标志体的中心点形成原始点集，将原始点集中所有中心点移动设定距离，记录中心点移动后的坐标，从而得到新的点集；
定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；所述空心椭圆参数包括半长轴、半短轴和旋转角；
根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
2.如权利要求1所述的一种岩石有限应变测量方法，其特征在于，设定距离为，每次移动后，第n个中心点/>移动至点（0,0），并记录其余中心点移动后的坐标，/>分别是第n个中心点/>的横坐标和纵坐标。
3.如权利要求2所述的一种岩石有限应变测量方法，其特征在于，点集为，其中，/>为点集中第m个中心点的坐标。
4.如权利要求1所述的一种岩石有限应变测量方法，其特征在于，根据最佳应变椭圆的参数确定包括应变方向和应变值的岩石有限应变测量结果；其中，旋转角代表应变方向，半短轴与半长轴的比值代表应变值。
5.一种岩石有限应变测量系统，其特征在于，包括：
图绘制模块，被配置为获取岩石图像，并标记应变标志体的中心点，以此创建点集，根据点集中各中心点的坐标，绘制Fry点云图；
创建点集的过程包括：对应变标志体的中心点形成原始点集，将原始点集中所有中心点移动设定距离，记录中心点移动后的坐标，从而得到新的点集；
密度比定义模块，被配置为定义等面积的同心内椭圆和外椭圆环的密度比，所述密度比为处于外椭圆环内的中心点数与处于内椭圆内的中心点数的比；
拟合模块，被配置为在Fry点云图中绘制空心椭圆，设定空心椭圆参数的取值范围，在取值范围内遍历使密度比最大的空心椭圆参数组合，从而得到最佳应变椭圆；所述空心椭圆参数包括半长轴、半短轴和旋转角；
分析模块，被配置为根据最佳应变椭圆分析得到岩石有限应变测量结果。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。
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