Расширенный поиск
АНАЛИЗ ФРАГМЕНТАЦИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ
Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН
Журнал: Наука и технологические разработки
Том: 103
Номер: 2
Год: 2024
Страницы: 24–36
УДК: 539.422 + 550.3
DOI: 10.21455/std2024.2-2
Показать библиографическую ссылку
Чинкин В.Е., Остапчук
А.А. АНАЛИЗ ФРАГМЕНТАЦИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ
// Наука и технологические разработки. 2024. Т. 103. № 2. С. 24–36. DOI: 10.21455/std2024.2-2
@article{ЧинкинАНАЛИЗ2024,
author = "Чинкин, В. Е. and Остапчук,
А. А.",
title = "АНАЛИЗ ФРАГМЕНТАЦИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ
",
journal = "Наука и технологические разработки",
year = 2024,
volume = "103",
number = "2",
pages = "24–36",
doi = "10.21455/std2024.2-2",
language = "Russian"
}
Скопировать ссылку в формате ГОСТ
Скопировать ссылку BibTex
Файлы:
Ключевые слова: тектоническая нарушенность, микроструктура, логнормальное распределение, сверточная нейронная сеть
Аннотация: Особенности деформирования и разрушения горных масс прослеживаются на различных масштабных уровнях. Выявление особенностей разрушения горных пород, подверженных интенсивным деформациям, является неотъемлемым для понимания закономерностей эволюции массива горных пород. В представляемой работе для выявления микроструктурных свойств предложен метод сегментации изображений шлифов горных пород и выявления ненарушенных областей и отдельных зерен. Метод сегментации основан на объединении специальной методики микроструктурного анализа (СММА), разработанной ИГЕМ РАН, и многослойной нейронной свёрточной сети Richer Convolutional Features (RCF). На основе метода Монте-Карло выполнена оценка погрешности определения размеров сегментов, обусловленной ложным выделением линеаментов (алгоритм СММА) и неточностью задания границ (алгоритм RCF). Разработанный метод был применен для сегментации изображений 234 шлифов образцов горных пород, слагающих осевую зону Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны и представляющих различные петрографические типы. Анализ сегментированных изображений показал, что на масштабах от 10–5 до 10–2 м структура шлифов в 44 % случаев описывается логнормальным распределением площадей сегментов, а в 2 % случаев – степенным, тогда как распределение Вейбулла (экспоненциальное) не описывает статистику площадей сегментов шлифов. Полученный результат указывает на то, что фрагментация горных пород не является масштабно инвариантным процессом.
Список литературы: Гридин Г.А., Остапчук А.А., Павлов Д.В., Григорьева А.В., Устинов С.А. Цифровой каталог образцов горных пород Приморского разлома: Свидетельство о регистрации базы данных RU2023621889. Дата публикации: 07.06.2023.
Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: Академкнига, 2003. 423 с.
Николаев П.Н. Методика тектонодинамического анализа. М.: Недра, 1992. 295 с.
Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986. 301 с.
Arbeláez P., Maire M., Fowlkes C., Malik J. Contour detection and hierarchical image segmentation // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2011. V. 33, Iss. 5. P.898–916. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2010.161
Bolelli F., Allegretti S., Baraldi L., Grana C. Spaghetti labeling: Directed acyclic graphs for block-based connected components labeling // IEEE Transactions on Image Processing. 2020. V. 29. P.1999–2012. https://doi.org/10.1109/TIP.2019.2946979
Brown W.K. A theory of sequential fragmentation and its astronomical applications // J. Astrophys. Astron. 1989. V. 10, Iss. 1. P.89–112. https://doi.org/10.1007/BF02714980
Chen Zh., Scott C., Keating D., Clarke A., Das J., Arrowsmith R. Quantifying and analysing rock trait distributions of rocky fault scarps using deep learning // Earth Surf. Proc. Landf. 2023. V. 48, Iss. 6. P.1234–1250. https://doi.org/10.1002/esp.5545
Chester J.S., Chester F.M., Kronenberg A.K. Fracture surface energy of the Punchbowl fault, San Andreas system // Nature. 2005. V. 437, N 7055. P.133–136. https://doi.org/10.1038/nature03942
Clauset A., Shalizi C.R., Newman M.E.J. Power-law distributions in empirical data // SIAM Review. 2009. V. 51, Iss. 4. P.661–703. https://doi.org/10.1137/070710111
Collettini C., Barchi M.R., De Paola N., Trippetta F., Tinti E. Rock and fault rheology explain differences between on fault and distributed seismicity // Nat. Commun. 2022. V. 13. Art. 5627. 11 p. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33373-y
Epstein B. The mathematical description of certain breakage mechanisms leading to the logarithmico-normal distribution // J. Franklin Inst. 1947. V. 244, Iss. 6. P.471–477. https://doi.org/10.1016/0016-0032(47)90465-1
Faulkner D.R., Lewis A.C., Rutter E.H. On the internal structure and mechanics of large strike-slip fault zones: Field observations of the Carboneras fault in southeastern Spain // Tectonophysics. 2003. V. 367, Iss. 3–4. P.235–251. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(03)00134-3
Fowler A.C., Scheu B. A theoretical explanation of grain size distributions in explosive rock fragmentation // Proc. Royal Soc. A. 2016. V. 472, Iss. 2190. Art. 20150843. 19 p. https://doi.org/10.1098/rspa.2015.0843
Hoxha D., Homand F. Microstructural approach in damage modeling // Mech. Mater. 2000. V. 32, Iss. 6. P.377–387. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(00)00006-5
Jungmann M., Pape H., Wißkirchen P., Clauser C., Berlage T. Segmentation of thin section images for grain size analysis using region competition and edge-weighted region merging // Comp. Geosci. 2014. V. 72. P.33–48. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2014.07.002
Lespinasse M., Désindes L., Fratczak P., Petrov V. Microfissural mapping of natural cracks in rocks: Implications for fluid transfers quantification in the crust // Chem. Geol. 2005. V. 223, Iss. 1–3. P.170–178. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2005.05.009
Liu H., Ren Y.-L., Li X., Hu Y.-X., Wu J.-P., Li B., Luo L., Tao Zh., Liu X., Liang J., Zhang Y.-Y., An X.-Y., Fang W.-K. Rock thin-section analysis and identification based on artificial intelligent technique // Petrol. Sci. 2022. V. 19, Iss. 4. P.1605–1621. https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.03.011
Liu Yue, Sun T., Wu K., Zhang H., Zhang J., Jiang X., Lin Q., Feng M. Fractal-based pattern quantification of mineral grains: A case study of Yichun rare-metal granite // Fractal Fract. 2024. V. 8, Iss. 1. Art. 49. 25 p. https://doi.org/10.3390/fractalfract8010049
Liu Yun, Cheng M.-M., Hu X., Bian J.-W., Zhang L., Bai X., Tang J. Richer convolutional features for edge detection // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2019. V. 41, Iss. 8. P.1939–1946. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2018.2878849
Meyer F. Color image segmentation // 1992 International Conference on Image Processing and its Applications, Maastricht, 07–09 April 1992. P.303–306.
Nelder J.A., Mead R. A simplex method for function minimization // The Computer Journal. 1965. V. 7, Iss. 4. P.308–313. https://doi.org/10.1093/comjnl/7.4.308
Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. 1979. V. 9, Iss. 1. P.62–66. https://doi.org/10.1109/TSMC.1979.4310076
Phillips N.J., Williams R.T. To D or not to D? Re-evaluating particle-size distributions in natural and experimental fault rocks // Earth Planet. Sci. Lett. 2021. V. 553. Art. 116635. 8 р. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116635
Sammis C., King G., Biegel R. The kinematics of gouge deformation // Pure Appl. Geophys. 1987. V. 125, Iss. 5. P.777–812. https://doi.org/10.1007/BF00878033
Ustinov S., Ostapchuk A., Svecherevskiy A., Usachev A., Gridin G., Grigor’eva A., Nafigin I. Prospects of geoinformatics in analyzing spatial heterogeneities of microstructural properties of a tectonic fault // Appl. Sci. 2022. V. 12, Iss. 6. Art. 2864. 23 p. https://doi.org/10.3390/app12062864
Wang Ch., Zeng B., Shao J. Application of bootstrap method in Kolmogorov-Smirnov test // 2011 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering, Xi’an, 17–19 June 2011. P.287–291. https://doi.org/10.1109/ICQR2MSE.2011.5976614
Zhang Sh., Tullis T.E. The effect of fault slip on permeability and permeability anisotropy in quartz gouge // Tectonophysics. 1998. V. 295, Iss. 1–2. P.41–52. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00114-0
Zhang Sh., Tullis T.E., Scruggs V.J. Permeability anisotropy and pressure dependency of permeability in experimentally sheared gouge materials // J. Struct. Geol. 1999. V. 21, Iss. 7. P.795–806. https://doi.org/10.1016/S0191-8141(99)00080-2
Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: Академкнига, 2003. 423 с.
Николаев П.Н. Методика тектонодинамического анализа. М.: Недра, 1992. 295 с.
Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986. 301 с.
Arbeláez P., Maire M., Fowlkes C., Malik J. Contour detection and hierarchical image segmentation // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2011. V. 33, Iss. 5. P.898–916. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2010.161
Bolelli F., Allegretti S., Baraldi L., Grana C. Spaghetti labeling: Directed acyclic graphs for block-based connected components labeling // IEEE Transactions on Image Processing. 2020. V. 29. P.1999–2012. https://doi.org/10.1109/TIP.2019.2946979
Brown W.K. A theory of sequential fragmentation and its astronomical applications // J. Astrophys. Astron. 1989. V. 10, Iss. 1. P.89–112. https://doi.org/10.1007/BF02714980
Chen Zh., Scott C., Keating D., Clarke A., Das J., Arrowsmith R. Quantifying and analysing rock trait distributions of rocky fault scarps using deep learning // Earth Surf. Proc. Landf. 2023. V. 48, Iss. 6. P.1234–1250. https://doi.org/10.1002/esp.5545
Chester J.S., Chester F.M., Kronenberg A.K. Fracture surface energy of the Punchbowl fault, San Andreas system // Nature. 2005. V. 437, N 7055. P.133–136. https://doi.org/10.1038/nature03942
Clauset A., Shalizi C.R., Newman M.E.J. Power-law distributions in empirical data // SIAM Review. 2009. V. 51, Iss. 4. P.661–703. https://doi.org/10.1137/070710111
Collettini C., Barchi M.R., De Paola N., Trippetta F., Tinti E. Rock and fault rheology explain differences between on fault and distributed seismicity // Nat. Commun. 2022. V. 13. Art. 5627. 11 p. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33373-y
Epstein B. The mathematical description of certain breakage mechanisms leading to the logarithmico-normal distribution // J. Franklin Inst. 1947. V. 244, Iss. 6. P.471–477. https://doi.org/10.1016/0016-0032(47)90465-1
Faulkner D.R., Lewis A.C., Rutter E.H. On the internal structure and mechanics of large strike-slip fault zones: Field observations of the Carboneras fault in southeastern Spain // Tectonophysics. 2003. V. 367, Iss. 3–4. P.235–251. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(03)00134-3
Fowler A.C., Scheu B. A theoretical explanation of grain size distributions in explosive rock fragmentation // Proc. Royal Soc. A. 2016. V. 472, Iss. 2190. Art. 20150843. 19 p. https://doi.org/10.1098/rspa.2015.0843
Hoxha D., Homand F. Microstructural approach in damage modeling // Mech. Mater. 2000. V. 32, Iss. 6. P.377–387. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(00)00006-5
Jungmann M., Pape H., Wißkirchen P., Clauser C., Berlage T. Segmentation of thin section images for grain size analysis using region competition and edge-weighted region merging // Comp. Geosci. 2014. V. 72. P.33–48. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2014.07.002
Lespinasse M., Désindes L., Fratczak P., Petrov V. Microfissural mapping of natural cracks in rocks: Implications for fluid transfers quantification in the crust // Chem. Geol. 2005. V. 223, Iss. 1–3. P.170–178. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2005.05.009
Liu H., Ren Y.-L., Li X., Hu Y.-X., Wu J.-P., Li B., Luo L., Tao Zh., Liu X., Liang J., Zhang Y.-Y., An X.-Y., Fang W.-K. Rock thin-section analysis and identification based on artificial intelligent technique // Petrol. Sci. 2022. V. 19, Iss. 4. P.1605–1621. https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.03.011
Liu Yue, Sun T., Wu K., Zhang H., Zhang J., Jiang X., Lin Q., Feng M. Fractal-based pattern quantification of mineral grains: A case study of Yichun rare-metal granite // Fractal Fract. 2024. V. 8, Iss. 1. Art. 49. 25 p. https://doi.org/10.3390/fractalfract8010049
Liu Yun, Cheng M.-M., Hu X., Bian J.-W., Zhang L., Bai X., Tang J. Richer convolutional features for edge detection // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2019. V. 41, Iss. 8. P.1939–1946. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2018.2878849
Meyer F. Color image segmentation // 1992 International Conference on Image Processing and its Applications, Maastricht, 07–09 April 1992. P.303–306.
Nelder J.A., Mead R. A simplex method for function minimization // The Computer Journal. 1965. V. 7, Iss. 4. P.308–313. https://doi.org/10.1093/comjnl/7.4.308
Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. 1979. V. 9, Iss. 1. P.62–66. https://doi.org/10.1109/TSMC.1979.4310076
Phillips N.J., Williams R.T. To D or not to D? Re-evaluating particle-size distributions in natural and experimental fault rocks // Earth Planet. Sci. Lett. 2021. V. 553. Art. 116635. 8 р. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116635
Sammis C., King G., Biegel R. The kinematics of gouge deformation // Pure Appl. Geophys. 1987. V. 125, Iss. 5. P.777–812. https://doi.org/10.1007/BF00878033
Ustinov S., Ostapchuk A., Svecherevskiy A., Usachev A., Gridin G., Grigor’eva A., Nafigin I. Prospects of geoinformatics in analyzing spatial heterogeneities of microstructural properties of a tectonic fault // Appl. Sci. 2022. V. 12, Iss. 6. Art. 2864. 23 p. https://doi.org/10.3390/app12062864
Wang Ch., Zeng B., Shao J. Application of bootstrap method in Kolmogorov-Smirnov test // 2011 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering, Xi’an, 17–19 June 2011. P.287–291. https://doi.org/10.1109/ICQR2MSE.2011.5976614
Zhang Sh., Tullis T.E. The effect of fault slip on permeability and permeability anisotropy in quartz gouge // Tectonophysics. 1998. V. 295, Iss. 1–2. P.41–52. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00114-0
Zhang Sh., Tullis T.E., Scruggs V.J. Permeability anisotropy and pressure dependency of permeability in experimentally sheared gouge materials // J. Struct. Geol. 1999. V. 21, Iss. 7. P.795–806. https://doi.org/10.1016/S0191-8141(99)00080-2
