CN116738810B - 基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法及系统，所述方法包括：构建砂箱物理模拟实验模型；砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；基于砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；确定每一实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标计算追踪粒子的位移场、速度场和应变场；并揭示盆地构造的有限应变分布规律。本发明采用粒子追踪方法，能够提高砂箱物理模拟中的应变分布分析准确性。
Description
技术领域
本发明涉及构造地质学砂箱物理模拟领域，特别是涉及一种确定盆地地下中小尺度构造有限应变分布的方法及系统。
背景技术
砂箱物理模拟是盆地构造分析领域常用的辅助手段，受现有观测手段和分析技术的限制，应变分析一直是主要技术难点之一。目前在砂箱物理模拟过程中分析应变的常用方法有以下两种：
1)涡度分析法(沈礼，贾东，尹宏伟，等.构造物理模拟和PIV有限应变分析对构造裂缝预测的启示[J].高校地质学报，2016(1):171-182.)。涡度分析法的前提是基于PIV技术得到的速度场，通过对速度场函数沿铅直方向求偏微分得到涡度。涡度反映铅直方向上的速度差异。如果过铅直线的粒子都是水平运动，涡度乘以累积时间就是剪应变。
2)光纤光栅耦合法(黄瑞，罗洋，赖冬，等.砂箱物理模型构造运动学与光纤光栅耦合性特征[J].地球物理学进展，2018，33(06):2336-2346.)。该方法利用在砂箱中预先铺设的光纤光栅传感器，通过光纤光栅中的波长变化来定量计算应力-应变变化，精度高。
前人虽然已使用该两种方法对砂箱物理模拟中的应变进行了分析，但方法本身存在一定的局限性：涡度法只有在所有砂粒都做水平运动时才能代表剪应变，而褶皱部位的砂粒不只有水平运动，还有垂直运动与内侧翻滚运动，计算结果误差大；PIV技术基于图像对比，在变形量较大的情况下，由于砂层发生剪切、错动、旋转、垮塌，图像对比的精度很受影响，其结果依赖数据拟合，实际精度较低，且无法持续追踪粒子。光纤光栅耦合法不适合大量铺设光纤，采样数据非常少，当变形达到一定程度，光纤容易被破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法及系统，采用粒子追踪方法，能够提高砂箱物理模拟中的应变分布分析准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法，所述方法包括：
构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；
基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；
确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标；
根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场；
根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布。
可选的，确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前包括：
按照所述追踪粒子的间隔距离和所述追踪粒子在所述实验模拟图像中的清晰度挑选所述追踪粒子，并对挑选的追踪粒子进行编号；确定所述追踪粒子的坐标是指确定所述挑选的追踪粒子的坐标。
可选的，所有所述挑选的追踪粒子构成m行n列的矩阵；每一所述挑选的追踪粒子的编号为所述矩阵的中位置信息。
可选的，确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前还包括：对所述实验模拟图像进行检验；
对所述实验模拟图像进行检验，具体包括：
确定砂箱物理模拟实验过程中的活动追踪粒子和不活动追踪粒子；所述不活动追踪粒子为在整个实验过程中全程不移动的追踪粒子；所述活动追踪粒子为在整个实验过程中至少移动一次的追踪粒子；
当所述实验模拟图像中的每一所述不活动追踪粒子的坐标在不同拍摄时刻均一致，则利用获得的所述实验模拟图像开展盆地构造有限应变分布分析。
可选的，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场，具体包括：
对每一相邻两拍摄时刻的两张所述实验模拟图像，根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的坐标计算每一所述挑选的追踪粒子的位移，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的位移场。
可选的，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的速度场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的位移和相邻两张所述实验模拟图像的拍摄时间间隔计算每一所述挑选的追踪粒子的速度，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的速度场。
可选的，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的应变场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像选取两个相邻的所述挑选的追踪粒子，分别记为第一追踪粒子和第二追踪粒子；
对相邻两张所述实验模拟图像分别根据所述第一追踪粒子的坐标和所述第二追踪粒子的坐标计算所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间的距离，得到第一距离和第二距离；所述第一距离是指前一张实验模拟图像中的距离；所述第二距离是指后一张实验模拟图像中的距离；
选取辅助追踪粒子；相邻两张所述实验模拟图像中对应的两个所述辅助追踪粒子之间的距离等于两个所述第一追踪粒子之间的距离；
计算两个所述辅助追踪粒子与所述第二追踪粒子构成角的正切值得到所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间中心点的剪应变；
相邻两张所述实验模拟图像中所有相邻两个所述挑选的追踪粒子的中心点的剪应变构成相邻两拍摄时刻对应的时间范围内所述追踪粒子的瞬时应变场；
所有所述实验模拟图像对应的所述追踪粒子的瞬时应变场构成全量应变场。
可选的，所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子的纵坐标差值大于预设值。
本发明提供一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析系统，所述系统包括：
实验模型构建模块，用于构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；
实验模拟图像获取模块，用于基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；
第一计算模块，用于确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标；
第二计算模块，用于根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场；
应变分布分析模块，用于根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法及系统，所述方法包括：构建砂箱物理模拟实验模型；砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；基于砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；确定每一实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标计算追踪粒子的位移场、速度场和应变场；并确定盆地构造的有限应变分布。本发明采用的粒子追踪方法，通过人工交互降低了实际操作中无法避免的因素产生的误差，能够大幅提高砂箱物理模拟中的应变分布分析的准确性，实现的大位移条件下的全量应变监测亦是现有砂箱物理模拟应变分析技术无法实现的，相比价格不菲的PIV监测装置或光纤光栅装置等，任何国内外的砂箱物理模拟实验室无需额外购进装置即可实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法流程图；
图2为本发明实施例一提供的前后两张照片追踪粒子坐标变化与剪应变计算原理图；
图3为本发明实施例一提供的砂箱物理模型设计图；
图4为本发明实施例一提供的获得的照片系列中的一张照片；
图5为本发明实施例一提供的某时刻照片的应变等值线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法及系统，采用粒子追踪方法，能够提高砂箱物理模拟中的应变分布分析准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本本实施例提供一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法，所述方法包括：
S1：构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物。
依据实验目的，设定合理的实验条件，明确观测面类型；实验开始前确定观测范围和应变分析范围，铺设追踪粒子。
其中，实验目的为位移场、速度场或应变场的观测。合理的实验条件包括砂层移动速度，合理的追踪粒子颜色、粒径和分布密度，拍摄效果清晰。砂层移动速度通常应小于数码相机能拍摄清楚的临界速度，通常数码相机在砂层移动速度小于2cm/min可达到要求；追踪粒子是指均匀分布在实验砂中的易于追踪位移轨迹的砂粒，追踪粒子在性质上与实验砂一致，但在颜色上要求能与实验砂显著区分，颜色对比越明显，效果越好，通常实验砂采用浅色砂，追踪粒子采用黑色砂，实验前混合均匀；单个追踪粒子应能在照片中分配10个像素点以上，单个追踪粒子的分配像素点数量可从数码相机分辨率和拍摄范围计算得出。观测面按类型分为剖面、顶面和底面。
S2：基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像。
实验过程中为确保追踪粒子拍摄清晰，数码相机位置应保持静止，且实验过程中不能有明显晃动，数码相机安装位置与选择的观测面类型匹配。例如，如果观测面为剖面，数码相机安装在一侧，镜头垂直剖面拍照，一般需透明的侧挡玻璃；如果观测面为顶面，数码相机安装在上方，镜头垂直顶面拍照，一般要求数码相机和顶面间无遮挡；如果观测面为底面，数码相机安装在下方，镜头垂直底面拍照，一般需透明的底板玻璃。
观测范围要大于应变分析范围，应变分析范围外观测范围内用于放置照片校正标志物。观测范围是指数码相机在固定位置拍摄时的取景范围，应变分析范围是依据实验目的尽量排除不重要观测目标后的范围；铺沙后，拍照前，在应变分析范围外观测范围内放置直角尺作为照片校正标志物。数码相机在变形实验开始前提前记录，按照固定时间间隔拍照，直至实验结束，固定时间间隔越小，追踪粒子的位移越小，分析精度越高。
将记录整个实验过程的照片(即实验模拟图像)按时间顺序排序，并使用photoshop依次进行照片旋转校正、畸形校正、裁剪，只保留应变分析范围，导入CorelDRAW软件，获得可以开展粒子追踪的照片系列。具体的，
照片系列批量导入CorelDRAW软件，确保每一张照片的左下角、左上角和右上角重合；在一个砂箱物理模拟实验过程中，追踪粒子可分为活动追踪粒子粒和不活动追踪粒子，当一粒追踪粒子在实验过程中全程不移动，则该追踪粒子为不活动追踪粒子，当一粒追踪粒子在实验过程中有过移动，则该追踪粒子为活动追踪粒子；当一个照片系列中不同时刻照片的不活动追踪粒子坐标始终一致，则判断该照片系列可以开展粒子追踪；可以开展粒子追踪的照片系列中按照时间顺序，活动追踪粒子的坐标初次改变的照片视为第二张照片，前一张照片视为第一张照片，活动追踪粒子的坐标不再改变的照片视为最后一张照片。设Xmax为应变分析范围的长度，Ymax为应变分析范围的宽度，则每张照片的左下角坐标取(0,0)，左上角坐标取(0，Ymax)，右下角坐标取(Xmax,0)，进而能确保任意照片中每一个合适的追踪粒子都唯一对应一个坐标。
S3：确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标。
其中，执行步骤S3之前包括：
按照所述追踪粒子的间隔距离和所述追踪粒子在所述实验模拟图像中的清晰度挑选所述追踪粒子，并对挑选的追踪粒子进行编号；确定所述追踪粒子的坐标是指确定所述挑选的追踪粒子的坐标。间隔是指相邻的合适的追踪粒子(当追踪粒子在整个照片系列中都比较清晰时，视为合适的追踪粒子)的距离，间隔越小，精度越高，依据应变分析范围的大小来确定间隔，通常间隔要低于5mm。
确定某个间隔，挑选合适的追踪粒子，将合适的追踪粒子分成m行n列，从下往上为1行至m行，从左往右是1列到n列，则每个被挑选的合适的追踪粒子都有唯一的固定编号，这样的追踪粒子称为有编号的追踪粒子。即所有所述挑选的追踪粒子构成m行n列的矩阵；每一所述挑选的追踪粒子的编号为所述矩阵的中位置信息。
其中，确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前还包括：对所述实验模拟图像进行检验。具体包括：
确定砂箱物理模拟实验过程中的活动追踪粒子和不活动追踪粒子；所述不活动追踪粒子为在整个实验过程中全程不移动的追踪粒子；所述活动追踪粒子为在整个实验过程中至少移动一次的追踪粒子；
当所述实验模拟图像中的每一所述不活动追踪粒子的坐标在不同拍摄时刻均一致，则利用获得的所述实验模拟图像开展盆地构造有限应变分布分析。
通过CorelDRAW软件从第一张照片到最后一张照片读取并按编号记录所有追踪粒子的坐标；将所有有编号的追踪粒子的坐标数据按照第一张到最后一张的顺序输入Excel。
S4：根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场。
(1)某个时刻某个时间范围位移场的计算包括，前后两张照片的时间间隔确定时间范围，后一张照片确定时刻，依据两点向量公式将任意一个有编号的追踪粒子在前后两张照片中的坐标进行计算，得到该追踪粒子在前后两张照片中的位移，前后两张照片中所有有编号的追踪粒子的位移即该时刻该时间范围的位移场。因而，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场，具体包括：
对每一相邻两拍摄时刻的两张所述实验模拟图像，根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的坐标计算每一所述挑选的追踪粒子的位移，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的位移场。
(2)某个时刻某个时间范围速度场的计算包括，依据速度是位移和时间的比值，前后两张照片中任一有编号的追踪粒子的速度可由其位移和前后两张照片的时间间隔的比值获得，前后两张照片中所有有编号的追踪粒子的速度即该时刻该时间范围的位移场。因而，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的速度场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的位移和相邻两张所述实验模拟图像的拍摄时间间隔计算每一所述挑选的追踪粒子的速度，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的速度场。
(3)当前后两张照片中两个相邻的有固定编号的追踪粒子的y坐标相差较大时，认为是合适的两个有固定编号的追踪粒子；依据两点距离公式，对前后两张照片的前一张照片中相邻的合适的两个有编号的追踪粒子A和B的坐标进行计算，得到这两个追踪粒子的距离LAB；在前后两张照片中找到上一张照片中对应的两个相邻的合适的有编号的追踪粒子，依据坐标计算得到这两个追踪粒子在第二张照片中的距离LA′B′；依据剪应变的计算原理，剪应变是指物体在变形前后直角的角度改变量的正切值，构建辅助追踪粒子C，C在前后两张照片中的距离LCC′等于LAA′，∠CBC′即变形前后直角的角度改变量，其正切值即两个相邻的合适的有编号的追踪粒子在前后两张照片中的剪应变；求得两个相邻的合适的有编号的追踪粒子的中心点的坐标，计算得到的剪应变视为该中心点的剪应变；前后两张照片中所有相邻的合适的有编号的追踪粒子的中心点的坐标集(x坐标，y坐标，剪应变)构成前后两张照片的应变场，由于该应变发生在全量应变的一个阶段，对应的应变场也称为增量应变场或瞬时应变场。对应的，第一张照片和最后一张照片中所有相邻的合适的有编号的追踪粒子的中心点的坐标集(x坐标，y坐标，剪应变)构成整个实验的的全量应变场。
因而，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的应变场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像选取两个相邻的所述挑选的追踪粒子，分别记为第一追踪粒子和第二追踪粒子；所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子的纵坐标差值大于预设值。
对相邻两张所述实验模拟图像分别根据所述第一追踪粒子的坐标和所述第二追踪粒子的坐标计算所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间的距离，得到第一距离和第二距离；所述第一距离是指前一张实验模拟图像中的距离；所述第二距离是指后一张实验模拟图像中的距离。
选取辅助追踪粒子；相邻两张所述实验模拟图像中对应的两个所述辅助追踪粒子之间的距离等于两个所述第一追踪粒子之间的距离。
计算两个所述辅助追踪粒子与所述第二追踪粒子构成角的正切值得到所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间中心点的剪应变。
相邻两张所述实验模拟图像中所有相邻两个所述挑选的追踪粒子的中心点的剪应变构成相邻两拍摄时刻对应的时间范围内所述追踪粒子的瞬时应变场。
所有所述实验模拟图像对应的所述追踪粒子的瞬时应变场构成全量应变场。
S5：根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布；所述有限应变分布包括瞬时应变分布和全量应变分布。
为了使本领域技术人员更理解本发明的方案，下面给出以一个具体实例来清楚的说明利用粒子追踪技术定量分析有限应变分布的砂箱物理模拟实验方法的流程：
T1、依据实验目的，设定合理的实验条件，明确观测面类型。
其中，所述步骤T1包括：
T11、实验目的为分析断层传播褶皱二维砂箱物理模拟实验中剖面的有限应变分布。实验装置如图3所示，二维砂箱底部的带阴影的底板为活动底板，不带阴影的底板为覆盖在活动底板上的固定底板，铺好由80％的80目石英砂和20％的云母粉组成的混合材料后，随着活动底板后撤0-1.68cm，会在固定底板和活动底板的左侧边界形成断层传播褶皱，整个形成过程(图4)可由透明侧挡玻璃观察到。
T12、合理的实验条件包括砂层移动速度，合理的追踪砂颜色、粒径和分布密度，拍摄效果清晰。
其中，所述步骤T12包括：
T121、砂层移动速度设置为0.2cm/min，数码相机能够清楚拍摄。
T122、实验砂由80％的80目石英砂和20％的云母粉混合而成，石英砂颜色为白色，部分石英砂染成黑色作为追踪砂，追踪砂和实验砂颜色对比明显，属于合理的追踪砂颜色，追踪砂均匀混合在实验砂中。
T123、每平方厘米追踪砂数量为20-30粒，分布密度可以满足应变分析要求。数码相机分辨率3000万像素，80目石英砂粒径0.177mm，观测范围长35cm，宽5cm，单个石英砂平均分配像素点10个，拍摄效果清晰。
T13、观测面为剖面。
T2、实验开始前确定观测范围和应变分析范围，铺设追踪粒子，实验过程中通过数码相机高清定时拍照，得到照片系列后，对合适的追踪粒子编号并获取坐标。
其中，所述步骤T2包括：
T21、实验过程中为确保追踪粒子拍摄清晰，数码相机位置保持静止，且实验过程中不能有明显晃动，数码相机安装位置与剖面类型观测面匹配。
其中，所述步骤T21包括：
观测面为剖面，数码相机安装在一侧，镜头垂直剖面拍照，通过透明的侧挡玻璃可以清晰拍摄。
T22、观测范围为长35cm，宽5cm，应变分析范围为长32cm，宽4cm，观测范围大于应变分析范围，应变分析范围外观测范围内用于放置照片校正标志物。
其中，所述步骤T22包括：观测范围是指数码相机在距离砂层剖面30cm远拍摄时的取景范围，实验目的为分析断层传播褶皱二维砂箱物理模拟实验中剖面的有限应变分布，断层传播褶皱两侧10-12cm范围是应变分析范围；铺沙后，拍照前，在应变分析范围外观测范围内放置直角尺作为照片校正标志物。
T23、数码相机在变形实验开始前提前记录，按照6s的固定时间间隔拍照，直至实验结束，在该固定时间间隔下，追踪粒子的最大位移为0.02mm，分析精度较高。
T24、将记录整个实验过程的照片按时间顺序排序，并使用photoshop依次进行照片旋转校正、畸形校正、裁剪，只保留应变分析范围，导入CorelDRAW软件，获得可以开展粒子追踪的照片系列。
其中，所述步骤T24包括：
T241、照片系列批量导入CorelDRAW软件，确保每一张照片的左下角、左上角和右上角重合。
T242、在一个实施例中(图4)，断层附近和右侧的追踪粒子大都为活动追踪粒子粒，断层左侧的追踪粒子大都为不活动追踪粒子。图4中，黑实线表示的是固定底板在剖面上的位置，放在图中用以判断断层的成核点。
T243、在一个实施例的照片系列中不同时刻照片的断层左侧的不活动追踪粒子坐标始终一致(图4)，则判断该照片系列可以开展粒子追踪；
T244、可以开展粒子追踪的照片系列中按照时间顺序，活动追踪粒子的坐标初次改变的照片视为第二张照片，前一张照片视为第一张照片，活动追踪粒子的坐标不再改变的照片视为最后一张照片。
T245、应变分析范围的长度32cm，宽度4cm，则每张照片的左下角坐标取(0,0)，左上角坐标取(0，4)，右下角坐标取(32,0)，进而能确保任意照片中每一个合适的追踪粒子都唯一对应一个坐标。
T25、按照2mm的间隔挑选合适的追踪粒子，对挑选后的合适的追踪粒子进行编号，从第一张照片开始，记录所有有编号的追踪粒子在每一张照片中的坐标。
其中，所述步骤T25包括：
T251、当追踪粒子在整个照片系列中都比较清晰时，视为合适的追踪粒子；
T252、间隔是指相邻的合适的追踪粒子的距离，间隔越小，精度越高，依据应变分析范围的大小来确定间隔，通常间隔要低于5mm；
T253、，其中，间隔小于3mm，挑选出1495个合适的追踪粒子，将合适的追踪粒子分成13行115列，从下往上为1行至13行，从左往右是1列到115列，则每个被挑选的合适的追踪粒子都有唯一的固定编号，这样的追踪粒子称为有编号的追踪粒子。
T254、通过CorelDRAW软件从第一张照片到最后一张照片读取并按编号记录1495个有编号的追踪粒子的坐标。
T255、将1495个有编号的追踪粒子的坐标数据按照第一张到最后一张的顺序输入Excel。
T3、对所有有编号的追踪粒子的坐标数据进行处理，并依据相关原理，计算追踪粒子的位移、速度和应变。
本发明的利用粒子追踪技术计算应变的关键原理如图2所示，图2a为前一张照片，图2b为后一张照片，LAB表示前一张照片中相邻的合适的追踪粒子A与B的距离(图2a)，LA’B’表示追踪粒子A与B在后一张照片中的距离(图2b)。图2c是将前后两张照片坐标偏移的结果，此时线段AB经过平移后与A’B’相交于B’(图2c)，LAA’表示追踪粒子A的相对移动距离，延长AA′所在直线到C，线段BC与线段A’C垂直；线段CC’在线段AA’延长线上且与线段AA’长度相等，则α为简单剪切角，其正切值即角应变(tanα＝LAA’/LBC)。该力学原理常用于构造地质学中岩层的有限应变分析。
其中，所述步骤T3包括：
T31、其中，分别对84s、168s、252s、336s、420s和504s这6个时刻的位移场的进行计算，此时，这6个时刻对应的前一张照片分别是78s、162s、246s、330s、414s和498s，因此确定的时间范围是6s。依据两点向量公式将任意一个有编号的追踪粒子在前后两张照片中的坐标进行计算，得到该追踪粒子在前后两张照片中的位移，前后两张照片中所有有编号的追踪粒子的位移即该时刻该时间范围的位移场。
T32、分别将84s、168s、252s、336s、420s和504s这6个时刻的位移场数据除以6，得到84s、168s、252s、336s、420s和504s这6个时刻在6s内的速度场。
T33、依据对应的公式，分别对84s、168s、252s、336s、420s和504s这6个时刻在6s时间范围内的所有有编号的追踪粒子的应变进行计算，得到84s、168s、252s、336s、420s和504s这6个时刻的应变场。
其中，所述步骤T33包括：
T331、两个相邻的有固定编号的追踪粒子A和B，A在498s照片中的坐标是(167.448,31.361)，B在498s照片中的坐标是(168.056,29.786)，A在504s照片中的坐标是(167.379,31.518)，B在498s照片中的坐标是(167.92,29.779)，两个粒子的y坐标的差为1.575mm，是合适的追踪粒子。
T331、依据两点距离公式，对498s照片上的追踪粒子A和B的坐标进行计算，得到这两个追踪粒子的距离LAB为1.688mm；和504s前后两张照片。
T332、在504s照片中找到498s照片中对应的追踪粒子A和B，依据坐标计算得到这两个追踪粒子在第二张照片中的距离LA′B′为1.822mm。
T333、依据剪应变的计算原理，剪应变是指物体在变形前后直角的角度改变量的正切值，构建辅助追踪粒子C，C在前后两张照片中的距离LCC′等于LAA′，则∠CBC′等于8.79°，8.79°即变形前后直角的角度改变量，其正切值0.155即追踪粒子A和B在前后两张照片中的剪应变。
T334、求得追踪粒子A和B在504s照片中的中心点的坐标(167.785，30.656)，计算得到的剪应变视为该中心点的剪应变，即追踪粒子A和B在498s和504s照片中的应变表示为(167.785，30.656，0.155)。
T335、498s和504s照片中所有相邻的合适的有编号的追踪粒子的中心点的坐标集(x坐标，y坐标，剪应变)构成498s和504s照片的应变场，由于该应变发生在全量应变的498s到504s阶段，对应的应变场也称为增量应变场或瞬时应变场。
T336、对应的，第一张照片和最后一张照片中所有相邻的合适的有编号的追踪粒子的中心点的坐标集(x坐标，y坐标，剪应变)构成整个实验的的全量应变场(图5中缩短1.68cm的情况)。
T4、将步骤T3得到的位移场、速度场和应变场数据输入插值软件，生成对应的位移、速度和应变等值线图，确定有限应变的分布。
在该具体实施例中，砂箱物理模拟结果的有限应变分布规律可半定量地判断层传播褶皱的应变分布，即：缩短量1.68cm时断层传播褶皱的全量应变整体偏低，主干断裂及伴生的剪切区应变最高，其次为反冲断裂，构造顶部应变不发育(图5)。
本发明以砂箱物理模拟的运动学和力学机制为基础，采用粒子追踪方法，能够分析应变分析范围内不同时刻的增量应变分布及全量应变分布，解决现有分析方法得到的应变都是增量应变，无法真实的反映全量应变的问题。另外，该方法可广泛应用于砂箱物理模拟不同类型观测面的有限应变分析研究。具有适用范围广，精度高的优点。
实施例二
本实施例提供一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析系统，所述系统包括：
实验模型构建模块，用于构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物。
实验模拟图像获取模块，用于基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像。
第一计算模块，用于确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标。
第二计算模块，用于根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场。
应变分布分析模块，用于根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布。
实施例三
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法。
可选地，上述电子设备可以是服务器。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法。
本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析方法，其特征在于，所述方法包括：
构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；追踪粒子是指均匀分布在实验砂中的易于追踪位移轨迹的砂粒，追踪粒子在性质上与实验砂一致，但在颜色上要求能与实验砂显著区分，颜色对比越明显，效果越好，实验砂采用浅色砂，追踪粒子采用黑色砂，实验前混合均匀；
基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；
确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标；
根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场；
根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布；所述有限应变分布包括瞬时应变分布和全量应变分布；
确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前包括：
按照所述追踪粒子的间隔距离和所述追踪粒子在所述实验模拟图像中的清晰度挑选所述追踪粒子，并对挑选的追踪粒子进行编号；确定所述追踪粒子的坐标是指确定所述挑选的追踪粒子的坐标；
所有所述挑选的追踪粒子构成m行n列的矩阵；每一所述挑选的追踪粒子的编号为所述矩阵的中位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前还包括：对所述实验模拟图像进行检验；
对所述实验模拟图像进行检验，具体包括：
确定砂箱物理模拟实验过程中的活动追踪粒子和不活动追踪粒子；所述不活动追踪粒子为在整个实验过程中全程不移动的追踪粒子；所述活动追踪粒子为在整个实验过程中至少移动一次的追踪粒子；
当所述实验模拟图像中的每一所述不活动追踪粒子的坐标在不同拍摄时刻均一致，则利用获得的所述实验模拟图像开展盆地构造有限应变分布分析。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场，具体包括：
对每一相邻两拍摄时刻的两张所述实验模拟图像，根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的坐标计算每一所述挑选的追踪粒子的位移，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的位移场。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的速度场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像中每一所述挑选的追踪粒子的位移和相邻两张所述实验模拟图像的拍摄时间间隔计算每一所述挑选的追踪粒子的速度，得到相邻两拍摄时刻对应的时间范围内每一所述挑选的追踪粒子的速度场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的应变场，具体包括：
根据相邻两张所述实验模拟图像选取两个相邻的所述挑选的追踪粒子，分别记为第一追踪粒子和第二追踪粒子；
对相邻两张所述实验模拟图像分别根据所述第一追踪粒子的坐标和所述第二追踪粒子的坐标计算所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间的距离，得到第一距离和第二距离；所述第一距离是指前一张实验模拟图像中的距离；所述第二距离是指后一张实验模拟图像中的距离；
选取辅助追踪粒子；相邻两张所述实验模拟图像中对应的两个所述辅助追踪粒子之间的距离等于两个所述第一追踪粒子之间的距离；
计算两个所述辅助追踪粒子与所述第二追踪粒子构成角的正切值得到所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子之间中心点的剪应变；
相邻两张所述实验模拟图像中所有相邻两个所述挑选的追踪粒子的中心点的剪应变构成相邻两拍摄时刻对应的时间范围内所述追踪粒子的瞬时应变场；
所有所述实验模拟图像对应的所述追踪粒子的瞬时应变场构成全量应变场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一追踪粒子和所述第二追踪粒子的纵坐标差值大于预设值。
7.一种基于粒子追踪法的盆地构造有限应变分布分析系统，其特征在于，所述系统包括：
实验模型构建模块，用于构建砂箱物理模拟实验模型；所述砂箱物理模拟实验模型的砂箱中设有追踪粒子和实验砂的混合物；追踪粒子是指均匀分布在实验砂中的易于追踪位移轨迹的砂粒，追踪粒子在性质上与实验砂一致，但在颜色上要求能与实验砂显著区分，颜色对比越明显，效果越好，实验砂采用浅色砂，追踪粒子采用黑色砂，实验前混合均匀；
实验模拟图像获取模块，用于基于所述砂箱物理模拟实验模型进行砂箱物理模拟实验，并在实验过程中拍摄实验模拟图像；
第一计算模块，用于确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标；
第二计算模块，用于根据所有所述追踪粒子的坐标计算所述追踪粒子的位移场、速度场和应变场；
应变分布分析模块，用于根据所述位移场、所述速度场和所述应变场生成位移等值线图、速度等值线图和应变等值线图，并基于所述位移等值线图、所述速度等值线图和所述应变等值线图确定盆地构造的有限应变分布；
确定每一所述实验模拟图像中所述追踪粒子的坐标之前包括：
按照所述追踪粒子的间隔距离和所述追踪粒子在所述实验模拟图像中的清晰度挑选所述追踪粒子，并对挑选的追踪粒子进行编号；确定所述追踪粒子的坐标是指确定所述挑选的追踪粒子的坐标；
所有所述挑选的追踪粒子构成m行n列的矩阵；每一所述挑选的追踪粒子的编号为所述矩阵的中位置信息。
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