监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及岩石裂缝监测技术领域，具体涉及一种监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统。

背景技术

在相关技术中，已有一些技术能够利用光学非接触测量手段对岩石力学性能进行测量，但大多仅限于岩石初始裂缝形态描述或加载后岩石微损伤特征评价，缺少能够监测岩石加载过程中位移场和应变场实时分布的有效手段，且缺少对于岩石微观损伤演化的监测手段。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供一种监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统，以至少解决相关技术中存在的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种监测岩石表面微观损伤演化的方法，包括：获取按预设时间间隔采集得到的岩心样品的表面图像，其中，所述岩心样品处于加载状态；基于数字图像技术处理相邻时间间隔的所述表面图像，以得到所述岩心样本表面的位移场；基于所述位移场确定所述岩心样本表面的应变场；基于所述位移场和所述应变场监测所述岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化。

第二方面，本申请实施例提供了一种监测岩石表面微观损伤演化的装置，包括：获取模块，用于获取按预设时间间隔采集得到的岩心样品的表面图像，其中，所述岩心样品处于加载状态。处理模块，用于基于数字图像技术处理相邻时间间隔的所述表面图像，以得到所述岩心样本表面的位移场。确认模块，用于基于所述位移场确定所述岩心样本表面的应变场。监测模块，用于基于所述位移场和所述应变场监测所述岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化。

第三方面，本申请实施例提供一种监测岩石表面微观损伤演化的系统，包括：加载装置、图像采集装置和分析监测装置，分析监测装置用于执行第一方面所述描述的监测岩石表面微观损伤演化的方法。

所述图像采集装置设置在所述岩心样品上，用于按预设时间间隔采集岩心样品的表面图像；所述加载装置上放置有岩心样品，用于将岩心样品进行加载，直至岩心样品破坏；所述分析监测装置用于基于数字图像技术处理相邻时间间隔的表面图像，得到岩心样本表面的位移场和应变场，并基于位移场和应变场监测所述岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化；所述图像采集装置和分析监测装置通信连接，以获取所述图像采集装置采集并发送的表面图像。

第四方面，本申请实施例提供一种电子设备，该设备包括：至少一个处理器和存储器；处理器用于执行存储器中储存的计算机程序，以实现如第一方面任一项实施方式所介绍的监测岩石表面微观损伤演化的方法。

第五方面，本申请实施例提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质储存有一个或多个程序，一个或者多个程序可被如第三方面介绍的电子设备执行，以实现如第一方面任一项实施方式所介绍的监测岩石表面微观损伤演化的方法。

本申请实施例提供的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统，通过采集在加载过程中岩石样本的表面图像，并通过数字图像技术处理相邻时间间隔的表面图像得到加载过程中岩心样本的表面位移场并根据位移场得到应变场，通过位移场和应变场分布情况来实现对岩石在加载压缩过程中微观损伤演化过程的实时扫描检测，以克服了相关技术中，缺乏监测加载过程中位移场和应变场分布，且缺少对加载过程岩石微观损伤演化监测的问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本申请进行更详细的描述。

图1示出了本申请一实施例中提出的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法的应用环境示意图；

图2示出了本申请一实施例中提出的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法的流程示意图；

图3示出了本申请一实施例中提出的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法中步骤S120中的一种流程示意图；

图4示出了本申请一实施例中提出的一种岩石加载过程中的位移场和应变场的示例图；

图5示出了本申请一实施例中提出的一种测试岩心的矿物胶结、裂缝发育特征与计算的位移场和应变场图像对比图；

图6示出了本申请一实施例中提出的一种监测岩石表面微观损伤演化的装置的结构框图；

图7示出了本申请实施例中提出的用于执行根据本申请实施例的监测岩石表面微观损伤演化的方法的电子设备的结构框图；

图8示出了本申请实施例中提出的用于保存或者携带实现根据本申请实施例的监测岩石表面微观损伤演化的方法的计算机可读存储介质。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在相关技术中，国内外虽然已有一些技术能够利用光学非接触测量手段对岩石力学性能进行测量，但大多仅限于岩石初始裂缝形态描述或加载后岩石微损伤特征评价，且缺少能够监测岩石加载过程中位移场和应变场实时分布的有效手段。

申请人研究相关技术中，对于数字图像相关技术(DIC)中利用双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。DIC技术利用相机拍摄变形前后被测平面物体表面的数字散斑图像，再通过匹配变形前后数字散斑图像中的对应图像子区获得被测物体表面各点的位移。

结合上述内容，针对岩石微观损伤演化机制的探究，申请人提出了本申请实施例的监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统，能够通过采集加载过程中岩石表面的照片，利用数字图像相关技术计算加载过程中岩石表面的位移场分布，并根据位移场确定应变场分布，通过位移场和应变场的分布情况实时扫描监测在压缩加载过程中岩石的微观损伤演化情况，从细观尺度直接获取了岩石损伤演化过程，从而合理解释和预测裂缝的产生，其中，监测岩石表面微观损伤演化的方法在后续的实施例中进行详细说明。

下面针对本申请实施例提供的监测岩石表面微观损伤演化的方法的应用场景进行介绍：

请参阅图1，图1为本申请实施例中提供的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法的应用环境示意图，也即本申请实施例中的一种监测岩石表面微观损伤演化的系统，在本实施例中，监测岩石表面微观损伤演化的方法可以应用在监测岩石表面微观损伤演化的系统中，该监测岩石表面微观损伤演化的系统可以包括加载装置、图像采集装置和分析监测装置。

本申请实施例提供的监测岩石表面微观损伤演化的系统：

图像采集装置设置在岩心样品上，用于按预设时间间隔采集岩心样品的表面图像。示例性地，图像采集装置为光学显微镜，其采集精度可以具有识别采集岩心样品内岩石颗粒的位置。其中，预设时间可以按3S/张的时间间隔来采集表面图像，当然预设时间还可以包括多个时间间隔，本申请不对其进行限定。

加载装置上放置有岩心样品，用于将岩心样品进行加载，直至岩心样品破坏。示例性地，加载装置可以为单轴加载装置，单轴加载装置给岩心样本提供稳定加载，直至岩心破坏失效。

分析监测装置用于基于数字图像技术处理相邻时间间隔的表面图像，得到岩心样本表面的位移场和应变场，并基于位移场和应变场监测岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化。

分析监测装置其可以包括具有处理该表面图像获得位移场和应变场的电子设备，其可以包括电脑、手机等终端设备。

其中，分析监测装置和图像采集装置通信连接，以获取图像采集装置采集并发送的表面图像。

在一些实施例中，监测岩石表面微观损伤演化的系统还可以包括：照明装置，

照明装置可以设置于岩心样品上，且连接图像采集装置，用于为图像采集装置采集表面图像提供稳定光源。示例性地，照明装置如图1所示的大功率探照灯，其提供稳定光源来保障采集表面图像的稳定。

下面将结合附图具体描述本申请的各项实施例。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法的流程示意图，该方法可以包括步骤S110至步骤S150。

步骤S110：获取按预设时间间隔采集得到的岩心样品的表面图像，其中，岩心样品处于加载状态。

本申请实施例中，岩心样品为根据试验需要设定的，示例性地，岩心样品可以为将岩石切割为表面平整的60mm×60mm×60mm正方体岩心等。预设时间间隔同样取决于试验数据要求进行选定，其可以通过光学显微镜进行采集得到。

步骤S120：基于数字图像技术处理相邻时间间隔的表面图像，以得到岩心样本表面的位移场。

在本申请实施例中，考虑到对于微观损伤演化过程的实时扫面监测要求，在得到预设时间间隔的岩心样品表面图像集后，选取该表面图像集中的相邻时间间隔的表面图像，来算得较为精确的位移场数据以满足微观监测的要求。

步骤S230：基于位移场确定岩心样本表面的应变场。

步骤S240：基于位移场和应变场监测岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化。

在本实施例中，通过采集加载过程中岩石表面的照片，利用数字图像相关技术计算加载过程中岩石表面的位移场和应变场分布，实现了岩石在加载过程中的微观损伤演化过程的实时扫描监测，从细观尺度直接获取了岩石损伤演化过程，可以确定岩石裂缝萌生及失稳的局部最大应变差门限值，从而合理解释和预测裂缝的产生，同时本发明还可以应用于复杂工况条件下岩石破裂细微观实验，用于明确复杂工况下白云岩地层崩塌的微观主控因素，本发明为岩石裂缝发育特征表征、力学耦合机制及多尺度崩落机理与评价研究提供了有效技术支撑。

请参阅图3，图3为一种监测岩石表面微观损伤演化的方法中步骤S120中的一种流程示意图，步骤S120可以包括步骤S210至步骤S240。

步骤S210：将表面图像中的目标研究区域划分为多个子区域。

在本申请实施例中，在得到表面图像后根据使用需要确定所需要的目标研究区域，并将其划分为多个子区域。

步骤S220：建立判断模型以确认相邻时间间隔的子区域的相似度。

在本申请实施例中，为提高微观条件下获取岩石损伤演化情况，通过将区域进行划分后来确定相似度来实现从细观尺度确定对应区域是否产生有裂缝。

步骤S230：确定匹配相似度的子区域内的同一岩石颗粒。

在本申请实施例中，相似度可以代表前后两张照片中同一颗粒的位移变化情况，例如相似程度高代表前后两张照片中同一颗粒的位移变化就越小，相似度低代表岩石颗粒的位置变化大，可以通过电子设备确定标注对应相识度的前后相邻图片的同一个岩石颗粒。

步骤S240：基于同一岩石颗粒在相邻时间间隔的表面图像位置确认岩心样本表面的位移场。

本实施例中，根据数字图像相关技术确定的变形前后同一岩石颗粒的位置，对比可以获得相邻两张图片中岩石表面各位置的位移，从而得到加载过程中岩石表面的位移场。

在一些实施例中，判断模型包括第一表达式或第二表达式，其中：

第一表达式为：

第二表达式为：

其中，f(x～

在一些实施例中，基于位移场确定岩心样本表面的应变场，包括：基于位移场采用第一计算式确认岩心样本表面的应变场，第一计算式的表达式为：

其中，E

在一些实施例中，步骤S140可以包括步骤S142至步骤S144：

步骤S142：基于位移场在表面图像上生成相应色彩的位移场色谱图像，基于应变场在表面图像上生成相应色彩的应变场色谱图像。

步骤S144：基于位移场色谱图像和应变场色谱图像监测岩心样品在加载状态的表面微观损伤演化。

在本申请实施例中，可以通过手动或自动标识等方式来对表面图像上得到对应的应变场色谱图像以便于后续观测和后续实验比对验证。

下面结合上述实施例的监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统对本申请进行示例性详细说明，本实施例主要包括如下步骤：

S1、准备用于实验的岩心样品；

S11：岩石取样；

S12：将岩石切割为表面平整的60mm×60mm×60mm正方体岩心。

S2、连接实验设备，安装岩心；

S21：将岩心置于可以提供稳定的压力的单轴加载装置上；

S22：将光学显微镜置于岩心上方，按照一定时间间隔采集照片；

S23：岩心上方连接大功率探照灯，提高稳定光源，便于采集照片。

S3、对岩心加载直至破坏，期间利用光学显微镜连续采集岩心表面照片；

S31：利用光学显微镜，按照3s/张的时间间隔采集照片；

S32：开始用单轴加载装置给岩心稳定加载，直至岩心破坏失效。

S4、利用数字岩心相关技术，确定相邻两张照片岩心表面各位置的相对位移，得到岩心表面位移场和应变场；

S41、将研究区域划分为若干子区域，通过设定一个相关函数来度量图像变形前后图像不同位置的相似程度，以此为判断依据将变形前后同一岩石颗粒的位置匹配起来，进而得到位移场，所用的相关函数为上述实施例中的两种判断模型。

CNCC相关函数：利用归一化互相关原理确定相关性，取值范围是-1～1，cncc值为1，表示相关性很高。

CNSSD相关函数：利用误差平方和算法，越小代表越相似。

S42、位移场计算；

根据数字图像相关技术确定的变形前后同一岩石颗粒的位置，对比可以获得相邻两张图片中岩石表面各位置的位移，从而得到加载过程中岩石表面的位移场。

S43、应变场计算；

利用上述S42中得到的位移场，计算格林-拉格朗日应变(即上述实施例中的第一计算式进行计算)，从而可得加载过程中岩石表面的应变场。

S5、位移场和应变场绘图及实验结果分析；

S51、利用S4得到的位移场和应变场数据，选取适当的色条图例，在S4采集的岩心表面照片上绘制位移场和应变场图像，进而得到如图4所示的一种岩石加载过程中的位移场和应变场的示例图。

S52、对比实验所用岩心样品的矿物胶结情况、裂缝发育情况、破坏形态情况，与计算的位移场和应变场图像对比进而得到如图5所示的一种测试岩心的矿物胶结、裂缝发育特征与计算的位移场和应变场图像对比图，验证计算结果的准确性，进行实验结果的合理分析。

请参阅图6，图6为本申请提供的一种监测岩石表面微观损伤演化的装置的结构框图，该监测岩石表面微观损伤演化的装置300包括：获取模块310、处理模块320、确认模块330以及监测模块340，其中：

获取模块310，用于获取目标对象的第一位置信息和家居设备的第二位置信息。

处理模块320，用于基于第一位置信息和第二位置信息确认对应的家居设备朝向目标对象的直吹角度。

确认模块330，用于确认家居设备的吹风角度。

监测模块340，用于基于直吹角度和吹风角度确认家居设备的防直吹角度。

需要说明的是，本申请中实施例装置还可以包括其他模块或上述模块还可以具有其他功能，其具体可以参见上述监测岩石表面微观损伤演化的方法的内容部分，此处不再赘述。本申请中装置实施例与前述方法实施例相互对应，装置实施例中具体的原理可以参见前述方法实施例中的内容。

在本实施例提供的几个实施例中，模块互相之间的耦合可以是电性，机械或其他形式的耦合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

请参阅图6，图6为本申请实施例提供的一种可以执行上述监测岩石表面微观损伤演化的方法的电子设备200的结构框图，该电子设备200可以是智能手机、平板电脑、计算机或者便携式计算机等设备。

电子设备200还包括处理器202和存储器204。其中，该存储器204中存储有可以执行前述实施例中内容的程序，而处理器202可以执行该存储器204中存储的程序。

其中，处理器202可以包括一个或者多个用于处理数据的核以及消息矩阵单元。处理器202利用各种借口和线路连接整个电子设备200内的各个部分，通过运行或执行储存在存储器204内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器204内的数据，执行电子设备200的各种功能和处理数据。可选地，处理器202可以采用数字信号处理(DigitalSignal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编辑逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器202可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)和调制解码器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解码器也可以不集成到处理器中，单独通过一块通信芯片进行实现。

存储器204可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器204可用于储存指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器204可包括存储程序区和存储数据区，其中存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于实现至少一个功能的指令(如，用户获取随机数的指令)、用于实现下述各个方法实施例的指令等。存储数据区还可以存储终端在使用中所创建的数据(如，随机数)等。

电子设备200还可以包括网络模块以及屏幕，网络模块用于接受以及发送电磁波，实现电磁波与电信号的互相转换，从而与通讯网络或者其他设备进行通讯，例如和音频播放设备进行通讯。网络模块可包括各种现有的用于执行这些功能的电路元件，例如，天线、射频收发器、数字信号处理器、加密/解密芯片、用户身份模块(SIM)卡、存储器等等。网络模块可与各种网络如互联网、企业内部网、无线网络进行通讯或者通过无线网络与其他设备进行通讯。上述的无线网络可包括蜂窝式电话网、无线局域网或者城域网。屏幕可以进行界面内容的显示以及进行数据交互。

请参考图7，图7示出了本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的结构框图。该计算机可读存储介质400中存储有程序代码410，程序代码410可被处理器调用执行上述方法实施例中所描述的方法。

计算机可读存储介质400可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选地，计算机可读存储介质包括非易失性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。计算机可读存储介质400具有执行上述方法中的任意方法步骤的程序代码410的存储空间。这些程序代码410可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。程序代码410可以例如以适当形式进行压缩。

本申请实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质400中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质400读取该计算机指令，处理器202执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中描述的监测岩石表面微观损伤演化的方法。

综上，本申请实施例的一种监测岩石表面微观损伤演化的方法、装置及系统，能够采集加载过程中岩石表面的照片，利用数字图像相关技术计算加载过程中岩石表面的位移场和应变场分布，实现了岩石在压缩过程中的微观损伤演化过程的实时扫描监测，对于揭示岩石损伤演化机制具有重要意义。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。